大型絞吸船開挖巖石質(zhì)量控制措施

弓寶江，趙麗娜，馮晨

（中交天津航道局有限公司，天津　300450）

大型絞吸船開挖巖石質(zhì)量控制措施

弓寶江，趙麗娜，馮晨

（中交天津航道局有限公司，天津300450）

以實際工程為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合東莞虎門港麻涌新沙南作業(yè)區(qū)工程，通過理論計算與施工經(jīng)驗相結(jié)合的方式，總結(jié)出了一系列絞吸船開挖巖石高質(zhì)量控制的措施，成功應(yīng)用于多個工程，社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。

絞吸船；巖石；開挖；質(zhì)量控制

1　工程概況

東莞虎門港麻涌新沙南作業(yè)區(qū)4號—5號泊位工程位于珠江口東岸，為散雜貨碼頭。泊位基槽寬度為600 m，縱深為390～433 m，總面積為24.70萬m2，設(shè)計深度-16.0 m，疏浚總工程量約323.20萬m3，土質(zhì)主要為強(qiáng)風(fēng)化巖及硬塑型黏土，巖石飽和抗壓強(qiáng)度10~60 MPa。

2　工程實施中出現(xiàn)的問題

該工程開挖基巖設(shè)計允許超深0.4 m，超寬1.0 m；邊坡為1∶0.5，工程選用了裝機(jī)功率、疏浚能力亞洲第一、世界第三的自航絞吸船天鯨號，其公稱生產(chǎn)率4 500 m3/h，最大挖深30 m，絞刀功率4 200 kW，總裝機(jī)功率20 020 kW。

天鯨號按照傳統(tǒng)工藝施工約10 d，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)超深平均在0.5 m以上，而且最大超寬處達(dá)4 m。傳統(tǒng)工藝在控制超挖時，普遍采取在施工至邊線時減慢橫移速度，以減小施工富裕量[1-3]。此類措施雖減小了超挖，但易造成殘留，而且施工效率也有很大降低，綜合效果不是很明顯。所以迫切需要研究針對大型絞吸船挖巖施工的行之有效的質(zhì)量控制措施。

3　施工質(zhì)量控制措施及原理

經(jīng)過多次典型施工與經(jīng)驗總結(jié)，結(jié)合測圖、船舶特性以及現(xiàn)場工況，分析了造成過度超深超寬的主要原因有:駕駛員質(zhì)量控制意識淡薄；船舶DGPS定位精度低；巖石硬度大，不能切入；施工期間船舶擺動慣性大，邊線無法準(zhǔn)確停擺；殘留量控制不準(zhǔn)以及工藝不適等原因。對此，總結(jié)制定了一系列質(zhì)量控制措施，保證了大型絞吸船開挖巖石的質(zhì)量。

3.1提升駕駛員的責(zé)任心是各項措施準(zhǔn)確、全面實施的前提

船舶駕駛?cè)藛T在掌握施工交底的同時與項目施工人員對接，學(xué)習(xí)施工規(guī)范，掌握整個工程的概況，對所施工的土質(zhì)有更理性的認(rèn)識，更好的把握施工要點(diǎn)。而且定期與項目部共同進(jìn)行測圖分析，查找施工問題。

3.2精確校準(zhǔn)船舶設(shè)備，掌握信號點(diǎn)與船體實際輪廓關(guān)系是措施實施的保障

施工前要校準(zhǔn)各個設(shè)備的精度，尤其是各船的絞刀信號采集點(diǎn)不同，大部分的信號采集點(diǎn)都是在絞刀軸前端的中心點(diǎn)。由于絞刀呈冠型，隨著不同的挖深變化，信號點(diǎn)與絞刀外輪廓之間的距離也不斷變化，如圖1所示。在施工期間還要注意船舶吃水對船舶挖深的影響。

圖1　信號點(diǎn)與外輪廓線之間距離Fig.1　Distance between the signal location and outer contour line

3.3通過增加配重塊，加大對巖石的作用力

橋梁配重塊設(shè)計要經(jīng)過原船設(shè)計部門的浮力與橋梁受力核算，設(shè)計為可拆卸、可模塊制作，保證可利用船吊安裝，并與其他船可通用。使用期間根據(jù)工程土質(zhì)安裝適宜數(shù)量（圖2），平時配重塊可存放在陸地。經(jīng)過船舶橋梁配重后，施工期間沒有無法切入現(xiàn)象，保證了質(zhì)量層的平整度。

圖2　橋梁配重塊Fig.2　The clump weight of bridge

3.4增大反張力，平穩(wěn)控制橫移速度

天鯨號典型施工期間橫移反張力在10~15 t，導(dǎo)致挖掘巖石橫移速度在10~18 m/min范圍內(nèi)變化，而且密度在1.025~1.2 t/m3不均勻變化，流速也不穩(wěn)定，同時造成船舶挖掘軌跡不均勻。后把反張力增加到40~50 t，使橫移速度控制在12~15 m/min比較穩(wěn)定區(qū)域，使吸入密度均勻在1.15 t/m3左右，同時增大反張力還起到邊線輔助停擺的作用，避免了超寬，同時預(yù)防了滾刀現(xiàn)象。

3.5采用臺階法開挖邊坡

依據(jù)絞刀尺寸、土質(zhì)特性、設(shè)計坡比等，船舶按臺階控制線開挖形成階梯狀瞬時坡，待自然塌坡穩(wěn)定后即可形成與設(shè)計邊坡基本吻合的施工斷面。

臺階的底線終點(diǎn)（挖泥終止控制線）不要設(shè)在臺階高度的1/2處，應(yīng)適當(dāng)“內(nèi)錯”使下超挖三角形小于上備塌三角形（圖3），體現(xiàn)動態(tài)開挖和設(shè)計吻合理念。

圖3　邊坡開挖示意圖Fig.3　Sketch of slope excavation

3.6結(jié)合泥泵特性與挖掘生產(chǎn)率，優(yōu)化工藝，減少殘留量

3.6.1繪制船舶泥泵管路特性曲線，確定工況點(diǎn)

根據(jù)管路清水損失總水頭計算公式[4-5]，繪制不同長度的管路特性曲線如圖4所示。

依據(jù)不同泥泵組合的清水特性曲線和不同工況管路特性曲線，計算擬合得出1臺水下泵和1臺艙內(nèi)泵輸送粗顆粒泥漿時的泥泵工況點(diǎn)、工作區(qū)（圖5）。

3.6.2研究減少殘留量的措施

通過泥泵與管線的特性曲線，查找工程的工況點(diǎn)，推算出泥泵管線輸送生產(chǎn)率，同時結(jié)合船舶施工期間的進(jìn)尺、挖深、橫移速度等，計算船舶的挖掘生產(chǎn)率。通過對比工程的實際測圖情況，分析匹配船舶兩種生產(chǎn)率之間的關(guān)系，研究減少殘留量的措施。

圖4　管線清水特性曲線示意圖Fig.4　Characteristic curve of water cleaning in pipeline

圖5　水下泵與1臺艙內(nèi)泵管路特性曲線示意圖Fig.5　Characteristic curve of underwater pump and a under-deck pump

天鯨號在東莞施工具體實施措施如下:通過合理的分層，控制上層稍厚，質(zhì)量層稍薄，而且施工質(zhì)量層時實施正刀破土，反刀挖泥的工藝措施。施工中分3層，第1、2層盡量提高進(jìn)尺量，每層由原來的5~6刀完成減少為4刀完成，其中第1層因存在塌坡現(xiàn)象，第1刀進(jìn)尺在2 m以上。第3層施工時，由于之前2層產(chǎn)生的殘留量，加大正刀的進(jìn)尺，減少反刀進(jìn)尺，降低橫移速度，并且進(jìn)尺不超過1.2 m，以保證在施工中重疊，并將前2層的施工殘留吸凈，從而保證施工質(zhì)量。

經(jīng)統(tǒng)計施工情況，通過工藝優(yōu)化，土質(zhì)在變化不大的情況下，第1、2層施工時間縮短9%、28%，生產(chǎn)率分別提高了16%、95%。第3層施工同樣施工時間縮短了50%，生產(chǎn)率提高了190%。周期施工時間由3 h縮短為2 h，生產(chǎn)率由800 m3/h提高到1 600 m3/h。充分說明，改進(jìn)工藝后，不僅施工周期時間縮短，而且吸入效果改善明顯，殘留層減少。

3.7防止泥泵長時間超負(fù)荷

由于工程排距短，經(jīng)常會造成船舶泥泵出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象，影響生產(chǎn)率，此時為了防止泥泵長時間超負(fù)荷，應(yīng)采取加縮口或者是泥泵葉輪切割的方法，但是加縮口浪費(fèi)泥泵功率，不可取，故采用切割葉輪的方法。

在圖6中，泵的H-Q曲線與排泥管路特性的交點(diǎn)A為流量過大的工況點(diǎn)。如果希望流量能從QA減小到QB，由QB作一垂直線交管路特性曲線于B點(diǎn)，則B點(diǎn)即為切割葉輪后施工的工況點(diǎn)。先通過B作一拋物線H=KQ2，式中為定值。此拋物線與H-Q曲線交于C點(diǎn)。由圖量得HB、HC及QC各值，利用以下公式，即可求出切割后的葉輪直徑。

式中:D2B為切割后的葉輪直徑；D2C為原來的葉輪直徑。

圖6　計算示意圖Fig.6　Sketch of calculation

3.8注重環(huán)境保護(hù)

絞吸船施工相比爆破施工，很大程度上減少對施工水域的二次污染，但是絞刀仍然對水下會造成一定擾動，引起水質(zhì)渾濁、擴(kuò)散。為防止疏浚過程中大量懸浮物對周邊水域的再次污染，工程中采用防污幕簾，解決環(huán)境保護(hù)問題。

4　結(jié)語

通過一系列質(zhì)量控制措施的實施，天鯨船成功實施了東莞工程以及日照石臼港等工程，有效解決了船舶疏浚超深、超寬以及殘留量大等問題，均比預(yù)定工期提前完工，并且一次性驗收合格，受到業(yè)主的一致好評。而且該系列措施具有通用性，適用于各類大型絞吸船開挖巖石類工程，對提高開挖精度、保證施工質(zhì)量等有較大幫助，具有參考價值。

[1]JTS 257—2008，水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)[S]. JTS 257—2008,Standard for quality inspection of port and waterway engineering construction[S].

[2]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].

[3]JTS 181-5—2012，疏浚與吹填工程設(shè)計規(guī)范[S]. JTS 181-5—2012,Design code for dredging and reclamation works [S].

[4]中交天津航道局有限公司.天鷗、天虎船施工工藝[K].2009. CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.Construction technology of Tianou and Tianhu ships[K].2009.

[5]高偉.蘇丹綠地工程大型絞吸船水下泵單泵珊瑚礁疏浚施工[J].中國港灣建設(shè)，2004（6）:15-17. GAO Wei.Discussion on using of combined pumping unit to dredge coral reefs in green area in Sudan[J].China Harbour Engineering, 2004(6):15-17.

Quality control measures for rock excavation of large cutter suction dredger

GONG Bao-jiang,ZHAO Li-na,FENG Chen
（CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China）

Taking actually engineering as a starting point,combing with Mayong Xinshanan operation area project in Humen Port of Dongguan,through a combination of theoretical calculation and construction experience,we concluded a series of measures for rock excavation quality control of cutter suction dredger,and successfully used in many projects,which has significant social and economic benefits.

cutter suction dredger;rock;excavation;quality control

U616.21

B

2095-7874（2016）02-0065-03

10.7640/zggwjs201602016

2015-07-31

弓寶江（1984— ），男，遼寧朝陽人，工程師，從事港口及航道工程施工。E-mail:174795393@qq.com