雙耳軸重型絞吸船深槽基巖開挖施工工藝

周志強， 朱海濤

(中交天津航道局有限公司， 天津300450)

某工程部分區域須進行基槽開挖， 基槽底寬126 m、 長度310 m， 底質主要為砂巖， 原始泥面水深約-9 m， 設計挖深-30 m。

1 施工原理

1.1 上、下耳軸更換原理

絞吸船橋架與船體通過耳軸連接， 多數絞吸船為單耳軸配置， 橋架可繞耳軸旋轉實現絞刀下放深度變化， 當橋架達到最大傾角時挖深也達到最大。 如圖1 所示， 雙耳軸絞吸船在橋架兩側船體上有上、 下兩個耳軸孔座， 與之對應的， 在船體與橋架連接處有上、 下兩個吸口， 橋架上的耳軸可以選擇插入不同孔座中， 并通過蝦節軟管連接水下泵排出管線和對應吸口， 實現挖深范圍的調節。 由上耳軸更換為下耳軸時， 橋架整體下移，絞吸船極限挖深增大， 但與此同時， 絞吸船的最小挖深會受到限制[1]。

圖1 雙耳軸絞吸船側視圖

1.2 橫移錨拋開錨加浮橋原理

絞吸船挖巖時需要較大拉力， 錨桿拋設橫移錨距離有限， 橫移錨承受的拉力較大而常發生走錨，尤其是絞刀反刀挖掘時的受力側錨。 而拋開錨是常用的解決方法， 可以在橫移錨抓地力不變的情況下顯著提升橫移拉力； 同時， 拋開錨還可以減少倒錨次數， 增加絞吸船挖泥時間。 但對于巖石底質的深槽， 挖槽邊坡坡度較陡， 坡頂邊緣鋒利， 當絞吸船左右擺動及進步挖泥時， 橫移纜會與坡頂邊緣發生摩擦， 易導致橫移纜斷絲、 斷股， 增加斷纜風險。此時， 可在橫移纜中間位置架設浮橋， 避免橫移纜與坡頂邊緣接觸， 見圖2[2]。

圖2 橫移錨拋開錨加浮橋示意

浮橋一般可使用浮筒， 但浮筒的尺寸要經過計算， 使得浮筒的浮力滿足拉力要求， 且保證浮筒的質量、 尺寸便于吊運和調遣。 同時， 浮筒拋設的位置要經過計算， 若浮筒距離底邊線太近， 則當絞刀擺至近側邊線時， 浮筒與橋架之間的橫移纜與水平方向的夾角太大、 橫移拉力的水平分力太小造成挖掘力不足； 若浮筒距離底邊線太遠， 則當絞刀擺至近側邊線時浮筒與橋架之間的橫移纜有接觸坡頂邊緣的危險， 因此浮筒拋設位置要適中。

2 施工操作要點

2.1 更換下耳軸

2.1.1 軟管和吸管拆解

將水下泵封水及絞刀軸軸承沖洗軟管法蘭拆下， 蝦節軟管用手拉葫蘆固定在橋架上， 再將法蘭拆下， 將艙內泵上吸口法蘭用盲板封上。

將下吸口專用楔形泥管用專用絲杠吊到位，一端法蘭用螺栓與蝦節軟管法蘭緊固， 專用絲杠上端用軸銷固定在橋架專用的軸銷座上， 將固定蝦節軟管的手拉葫蘆拆掉， 檢查楔形法蘭面的密封膠圈， 連同導向塊一同涂上牛油。

2.1.2 潛水探摸

下潛水對艙內泵下吸口法蘭面、 左右下耳軸孔座和管線內壁進行探摸， 清除法蘭面、 耳軸孔座和管線內壁的浮生物及其他雜物。

2.1.3 調整橋架耳軸位置

將起橋絞車轉至現場控制， 把橋架上的維修耳軸標記與船體上的標記上下對齊， 并左右間隙一致， 然后將橋架維修耳軸插入維修耳軸座中[3]。

將耳軸液壓柱塞的安全銷拔掉， 并將耳軸收起， 啟動起橋絞車， 將耳軸液壓柱塞的安全銷插上， 最后將橋架維修耳軸從維修耳軸座中收回。

2.1.4 泥管對接

將專用絲杠上端軸銷從橋架軸銷座上拆下，并固定在船體專用絲杠軸銷座上， 轉動絲杠將楔形管密封膠圈與艙內泵吸入管口壓死密封。

2.1.5 軟管對接

由于橋架下移后， 水下泵封水管及絞刀軸軸承沖洗管等軟管長度不足， 需要加裝加長管與船體上對應管線連接。

2.1.6 艙內泵管路改線

使用下耳軸時， 需要將蝦節軟管移至下吸口，上吸口內、 外側封死， 下吸口連接泵艙內管線，上下吸口管線改造原理見圖3。

圖3 使用上、 下吸口時管線改造原理

因此在泵艙內， 需要拆卸艙內泵至上吸口的管線， 將艙內泵下吸口盲板插下， 將泥泵連接下吸口的管線安裝好， 打開泵前的下吸口閘閥。

2.1.7 調整絞刀平臺

調整絞刀維修平臺的高度， 至此， 耳軸更換過程結束。

2.2 橫移錨改開錨

2.2.1 浮筒設計

雙耳軸重型絞吸挖泥船額定橫移拉力1 400 kN，浮筒與橋架之間橫移纜與水平面設計最大夾角為60°， 橫移纜的豎向分力為1 210 kN， 浮筒與橫移錨之間纜繩的豎向分力可以忽略， 因此浮筒干舷需要提供最少1 210 kN 的浮力[4]。

選用10 m×10 m×2 m 的大型浮筒， 上部安裝護欄、 系船柱、 導纜孔、 橫移纜系纜裝置等， 浮筒質量約50 t， 浮筒吃水0.5 m， 干舷高度1.5 m，其干舷可提供接近1 500 kN 的浮力， 滿足要求，浮筒設計模型見圖4。

圖4 浮筒設計模型

2.2.2 橫移錨及浮筒拋設位置計算

絞刀擺至底邊線圖示見圖5。

圖5 絞刀擺至底邊線

圖5a)中， 假設當絞刀擺至底邊線時， 橋架耳軸吃水為e， 船體軸線與挖槽軸線夾角為α， 橋架上左右橫移滑輪距離為D； 沿橋架軸線方向， 絞刀頭至橫移滑輪距離為l1， 橫移滑輪至耳軸距離為l2。圖5b)中， 建立平面坐標系， 靠近邊線側的橫移滑輪位置表示為點B， 橫移纜在浮筒上的系纜點表示為點A， 坡頂邊緣表示為點C， 原始泥面至水面距離為h， 原始泥面至開挖泥面高程差為H， 邊坡坡度為n: 1， 浮筒干舷為d，B點坐標為(b，f)， 則有:

C點坐標為(-H∕n，H)、A點坐標為(-m，H+h+d)， 假設坡頂邊緣C點距離橫移纜AB的垂線距離為p， 則:

圖6 絞刀擺至底邊線俯視圖

p與m之間的函數關系表示為p=F(m)。 但在施工過程中， 絞吸船橫移錨位相對挖泥船位置一直在變化， 圖6 中， 假設橫移纜與軸線垂線方向夾角為β， 當β=0 時，m=m0， β 角度最大時(一般為需要移錨時)m=mmax， 橫移錨至浮筒內側系纜點A的距離為L， 則:

式中: β 為橫移纜與軸線垂線方向夾角；m為浮筒至底邊線距離。

綜上所述， 在拋設橫移錨及浮筒時， 橫移錨及浮筒的拋設位置要根據橫移錨至浮筒的纜繩長度、單次移錨的步進距離、 原始泥面深度、 挖深、 邊坡坡度、 浮筒及船舶結構尺寸等計算得出。 如果l1= 10 m、l2=34.5 m、D=10 m、 α=28°、h=9 m 、H=21 m、n=2、d=1.5 m、e=4.5 m 、L=160 m、β=23°、p=1 m， 計算得，m0=3.2， 則橫移錨拋設時， 橫移錨距離挖泥底邊線垂直距離為162.8 m。

2.2.3 橫移錨纜繩改造

錨艇綁帶浮筒靠近絞吸船， 絞吸船使用錨桿將橫移錨提升至水面以上， 用高壓水槍清洗錨身，解除橫移錨的橫移纜， 將解除的橫移纜一端用卡環固定在浮筒的一端， 將浮筒另一側固定的鋼絲纜一端用卡環固定在橫移錨錨身上。

解除錨頭纜卡環， 回收錨桿， 將錨桿上起錨鋼絲繩的下端固定在絞吸船船舷。 利用一個鋼絲繩， 一端與錨艇甲板絞車的鋼絲繩連接， 另一端與錨頭相連。

2.2.4 下開錨

用絞吸船吊機將橫移錨提升， 并掛在錨艇船頭的起錨滾輪上， 解開浮筒與錨艇的纜繩， 錨艇移船至預定下錨位置， 浮筒被拖拽至橫移錨與船體中間位置。 將錨漂纜繩與橫移錨頭纜相連， 慢慢下放橫移錨， 橫移錨著底后， 解開錨艇甲板絞車鋼絲纜與錨頭纜的連接卡環， 將錨漂吊至水面，開錨下放完畢。

3 結論

1)絞吸船使用上耳軸開挖上層， 下層開挖時快速更換為下耳軸， 僅用時12 h， 大幅縮短時間。

2)將錨桿錨改為開錨加浮橋， 船體單次倒錨進步距離由原來的27 m 提高到100 m， 最大橫移拉力由原來的1 000 kN 增大到1 400 kN， 移錨時間減少60%左右。

3)挖掘硬巖時， 同土級情況下生產效率平均提高約7%， 可保證順利、 高效地完成基槽開挖任務。