大型絞吸船開挖巖石基槽施工技術

鐘貴，弓寶江，何敬云，張更生

大型絞吸船開挖巖石基槽施工技術

鐘貴1，弓寶江2，何敬云1，張更生3

（1.中交天航南方交通建設有限公司，廣東深圳518040；2.中交天津航道局有限公司船舶管理分公司，天津300450；3.中交天津航道局有限公司疏浚工程技術實驗室，天津300450）

重力式碼頭巖石基槽開挖具有施工效率低，質(zhì)量要求高，施工難度大等特點。通過對大型絞吸船直接開挖重力式碼頭巖石基槽施工技術進行研究，并成功應用于實際工程施工，與傳統(tǒng)的炸礁、清礁相比，大型絞吸船直接開挖重力式碼頭巖石基槽具有施工進度快、質(zhì)量可靠、安全環(huán)保等優(yōu)勢，具有較高的推廣應用價值。

大型絞吸船；巖石基槽；施工技術

1　工程概況

某工程擬建靠泊2個7萬噸級和1個5萬噸級的散雜貨重力式碼頭，碼頭基槽長600 m，寬15.7 m，設計挖深-16.0 m，超深0.4 m，超寬1.0 m，巖石開挖邊坡為1∶0.5，黏性土類及砂土類開挖邊坡為1∶2，其余土類的開挖邊坡為1∶4。巖石基槽施工具有底寬窄、超深超寬控制嚴格[1-2]、施工條件惡劣等技術難點。

2　工程地質(zhì)

根據(jù)鉆探結果分析，基槽巖石物理力學指標見表1，主要特征描述如下：

1）中風化泥質(zhì)粉砂巖：棕紅色，巖體裂隙較發(fā)育，巖芯較為完整，局部破碎。標準貫入試驗21次，貫入擊數(shù)均為N＞50擊。

2）微風化泥質(zhì)粉砂巖：棕紅色，巖體裂隙稍發(fā)育，巖芯完整呈柱狀，局部破碎狀。

3）中風化頁巖：灰色，堅硬，稍濕，裂隙、層理發(fā)育，原巖結構清晰，巖芯較破碎，多呈短柱狀、塊狀。該巖層在整個勘察區(qū)分布較為連續(xù)。標準貫入試驗36次，貫入擊數(shù)均為N＞50擊。

表1　巖石物理力學參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Rock physical and mechanical parameter statistics

3　船機設備選型

施工區(qū)附近的碼頭正在營運，采用傳統(tǒng)的炸礁施工對碼頭的穩(wěn)定性及過往船舶的安全有不利影響；采用鑿巖棒施工進度緩慢，不能滿足碼頭施工進度的要求。經(jīng)過多種方案比選，最終決定投入大型絞吸船直接進行巖石基槽開挖施工[3-4]。

本工程需開挖的巖石單軸抗壓強度達到20 MPa，對絞吸船的挖掘能力有較高的要求。根據(jù)現(xiàn)場工況條件，并結合船舶性能，選用絞刀功率大于3 000 kW的大型絞吸船。

4　大型絞吸船開挖巖石基槽施工工藝

4.1工藝原理

大型絞吸船采用“絞刀橫擺方向垂直于基槽走向，縮進基槽開挖邊線1 m，正反刀均挖巖”的關鍵施工工藝。

大型絞吸挖泥船由絞刀頭旋轉(zhuǎn)帶動絞刀齒撞擊破碎巖石，因絞刀旋轉(zhuǎn)和平移方向不同，分為正刀與反刀切削兩種，其受力情況見圖1和圖2。

圖1　反刀切削Fig.1 Antiknife cutting

圖2　正刀切削Fig.2 Knife cutting

正刀挖掘特征：正刀向下切削時，絞刀與被切削土體受力相似于側限剪切，并且橫移運動對絞刀線速度施加反向拉力，絞刀的挖掘力變小；絞刀切削下的巖塊一部分被刀片擠壓進刀腔內(nèi)被泥泵吸走，一部分從絞刀下方被挖起，拋向絞刀挖過的后方形成遺漏。

反刀挖掘特征：絞刀反刀向上切削時，其受力相似于無側限剪切，而且橫移運動對絞刀線速度施加同向拉力，這樣橫移絞車與絞刀共同作用產(chǎn)生所需要的最大挖掘力。由于絞刀在礁體內(nèi)側向上切削，礁體上方無約束，在絞刀挖掘力的作用下較容易被破碎，當巖石抗壓強度不大于30 MPa，正反刀均可挖掘。

4.2工藝流程

大型絞吸船開挖巖石基槽正、反刀挖巖流程如圖3所示。

圖3　挖巖流程圖Fig.3 Flow chart of dig rock

5　大型絞吸船開挖巖石基槽技術措施

5.1分條施工

分條寬度宜等于鋼樁中心到絞刀水平投影的長度。此次施工分條寬度為105 m，基槽開挖寬度為15.7m，與停泊水域開挖同時進行（圖4）。

5.2分層施工

一般開挖巖石分層厚度為2 m，此次基槽巖層厚度僅1.5m，開挖不分層，且橫移速度控制在15m/min以內(nèi)，以保證工程質(zhì)量。

圖4　絞吸船開挖基槽分條示意圖Fig.4 Subsection of foundation trench excavation by cutter

5.3施工過程中技術控制要點

1）開挖巖石基槽時，正、反刀橫移速度宜控制在15m/min以內(nèi)，以減少殘留層厚度，并控制開挖平整度。

2）禁止在基槽設計底邊線處實施絞刀進步，應在距邊線約2m處開始進步，減少超寬風險。

3）絞刀下放深度應較實際開挖深度小0.5～0.8m，預留絞刀與吸口在垂直面間的間距。

5.4施工效率分析

絞吸船生產(chǎn)率分挖掘生產(chǎn)率和泥泵管路吸輸生產(chǎn)率兩種，兩者之中取較小值代表其生產(chǎn)率。因為絞吸船施工的特點是挖掘與吸輸同時完成，兩者是相互制約的。

5.4.1挖掘生產(chǎn)率計算

挖掘生產(chǎn)率主要與挖掘的土質(zhì)、絞刀功率、橫移絞車功率等因素有關，按下式進行計算：

式中：W為挖掘生產(chǎn)率，m3/h；K為挖掘系數(shù)；D為前移距，m；T為開挖厚度，m；V為平均橫移速度，m/min。

根據(jù)計算，絞吸船開挖中風化巖石生產(chǎn)率為846 m3/h，開挖微風化巖石生產(chǎn)率為576 m3/h，計算過程如表2所示。

表2　挖掘生產(chǎn)率計算表Table 2 M ining productivity calcu lation table

5.4.2吸輸生產(chǎn)率計算

泥泵管路吸輸生產(chǎn)率主要與土質(zhì)、泥泵特性和管路特性有關，計算公式如下：

式中：r為排泥管線半徑，r=0.45m；VP為平均流速，VP=5.5 m/s；Q為流量；P為平均濃度，P= 7.8%。帶入式（2）計算吸輸生產(chǎn)率為982m3/h。

由表2及圖5可見，吸輸生產(chǎn)率大于挖掘生產(chǎn)率，因此，絞吸船生產(chǎn)率主要由挖掘因素決定。

圖5　絞吸船泥泵管路特性曲線Fig.5 The cutter suction dredger mud pump pipeline characteristic curve

6　結語

1）重力式碼頭巖石基槽寬度一般為10~20 m，開挖底寬窄，質(zhì)量要求高。大型絞吸船開挖重力式碼頭巖石基槽與傳統(tǒng)的炸礁、清礁施工相比，具有施工進度快，質(zhì)量可靠，安全環(huán)保等優(yōu)勢；同時可將開挖巖石吹填至吹填區(qū)，提高疏浚土綜合利用率。采用大型絞吸船直接開挖重力式碼頭巖石基槽，日產(chǎn)量可達1.0萬~1.5萬m3。

2）巖石單軸抗壓強度小于等于30 MPa時，可采用“正反刀均挖巖”的施工工藝；當巖石單軸抗壓強度大于30 MPa，絞刀挖掘受到限制時，可采用“正刀空擺，反刀挖巖”的施工工藝。

[1]JTS 207—2012，疏浚與吹填工程施工規(guī)范[S]. JTS 207—2012,Construction code for dredging and reclamation works[S].

[2]JTS 257—2008，水運工程質(zhì)量檢驗標準[S]. JTS 257—2008,Standard for quality inspection of port and waterway engineering construction[S].

[3]趙輝.碼頭深基槽絞吸船開挖施工技術研究[J].水利水電，2014 （6）：177. ZHAOHui.Studyon construction technologyofexcavation ofwharf deep foundation trench by cutter suction dredger[J].East China Science&Technology:Academic,2014(6):177.

[4]弓寶江，趙麗娜，馮晨.大型絞吸船開挖巖石質(zhì)量控制措施[J].中國港灣建設，2016，36（2）：65-67. GONGBao-jiang,ZHAOLi-na,FENGChen.Quality controlmeasures for rock excavation of large cutter suction dredger[J].China Harbour Engineering,2016,36(2):65-67.

Construction technology for excavation of rock foundation by large cutter suction dredger

ZHONG Gui1，GONGBao-jiang2，HE Jing-yun1,ZHANGGeng-sheng3
（1.CCCCTDCSouthern China Communications Construction Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518040,China; 2.Ship ManagementBranch ofCCCCTianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China; 3.Dredging Engineering Laboratory of CCCCTianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China）

The excavation construction of gravity wharf rock foundation has the characteristics of low efficiency,high quality requirements,and great difficulty in construction.We studied the construction technology for directexcavation of gravitywharf rock foundation by large cutter suction dredger,which has successfully applied to practicalengineering construction.Compared with the traditional reefblasting and reef cleaning,this construction technology has advantages of fast process,reliable quality, safety and environmental protection,it isworthy for stronger application value.

large cutter suction dredger；rock foundation；construction technology

U674.31

B

2095-7874（2016）04-0059-03

10.7640/zggw js201604015

2015-08-04

2015-10-10

鐘貴（1984—），男，四川德陽人，工程師，主要從事港口與航道工程施工技術研究和管理工作。E-mail：zhonggui2008@163.com