大型絞吸船吹填淺薄砂層施工技術研究

吳松華，孫安

（1.中交水利水電建設有限公司，浙江寧波 315200；2.中交上航（福建）交通建設工程有限公司，福建廈門 361028）

0 引言

隨著船舶技術的發展，絞吸挖泥船的生產能力得到大幅度提升，主流絞吸船的生產能力已達到3 500 m3/h及以上，管線直徑達到850 mm以上，泥漿流速可達6.5 m/s，在吹填工程中效用顯著。楊關信[1]首次將大功率絞吸船應用于防波堤砂墊層吹填施工。曾群等[2]采用小型絞吸船，用于吹填砂筑堤。高偉等[3]總結了絞吸船施工存在的普遍問題，并提出了解決措施。劉美榮等[4]從減小泥泵汽蝕的角度，提出絞吸船吹填細粉砂時，應采用低流速、高濃度施工方法。徐玉華等[5]分析了絞吸船施工與柴油機和泥泵工況、管路特性及操作措施的關系。蘇文廣[6]通過改造排泥管線，將大型絞吸船應用于袋裝砂圍堤吹填施工。錢柚鋼等[7]利用絞吸挖泥船吹砂分層修筑圍區子堰，主要為吹填3 m以上厚度的殘積砂質粉質黏土和中粗砂。竇碩等[8]選取小型絞吸式挖泥船，使用無圍堰開敞式吹填珊瑚砂施工。

某回填工程采取先筑堤，再進行場地吹泥及軟基處理等后續施工，施工工藝為“吹泥+軟基處理+砂墊層”，圍堤斷面寬度為60 m左右，吹填砂厚度只有1 m。采用3 500 m3/h絞吸船+850 mm大口徑管線進行圍堤及陸域形成吹填砂施工時，存在以下問題：吹砂管出砂口擴散半徑達90 m，圍堤吹砂斷面無法有效控制，吹填砂流失大；場地內吹填砂厚度較薄，接管頻繁，絞吸船功效降低；接管、移位容易在吹填區形成沙坑或沙堆，吹填面平整度、標高控制差，機械整平費用高。研究改用3 500 m3/h絞吸船+大口徑主管線（850 mm鐵管）+轉換裝置（五通）+多個分支的小口徑管線（450 mmPE管）進行淺薄砂層及圍堤吹砂的可行性。

1 轉換裝置——五通的設計及選用

轉換裝置的設計及選用主要考慮以下方面：1）要能夠把大口徑主管和小口徑支管進行密切連接；2）在主管、支管管徑一定的條件下，選擇合理的分支個數；3）為了達到減少絞吸船吹砂過程中停工拆接管線的時間，提高吹砂效率的目的，要在轉換裝置每個支管連接處設置一個獨立閘閥；4）要盡量減少水頭損失。

工程前期在對較厚砂層施工過程中一直采用850 mm鐵管，因此本研究仍采用該管線做為主管線。通過對市場的調查，結合以往的施工經驗，決定選用市面上使用較多的450 mmPE管（聚乙烯）作為支管線。由此計算得出：直徑850 mm的主管線截面面積S1=0.567 m2，直徑450 mm的支管線截面面積S2=0.159 m2，S1衣S2=3.56。

因此在暫不考慮水頭損失的情況下，轉換裝置應至少保證3根支管線同時施工才能確保絞吸船的施工效率和船舶各類設備工作狀態不產生較大改變。為了達到增加轉換裝置后，減少絞吸船停工拆接管線時間，提高船舶吹砂效率的目的，還需配備更多的支管線進行交替施工。綜合以上考慮決定將轉換裝置設置為五通，見圖1。

圖1 五通場地內吹砂Fig.1 Sand blowing in five way pipe

2 支管開啟數量和鋪設長度

根據現場吹砂施工記錄，在主管線長1 760 m、吹填細砂工況下，得到主管內流速在支管線延長和開啟不同數量支管情況下的變化規律，見圖2。

圖2 支管線長度與主管流速變化規律曲線Fig.2 Curve of branch pipe length and main pipe velocity

由圖2可看出，當采用1或者2根支管吹砂時，支管延伸長度超過100 m后流速降到4 m/s以下，根據施工經驗極易發生堵管現象。當開啟4或者5根支管線時，為了維持主管流速，絞吸船泥泵需超負荷運轉，對絞吸船各類設備產生很大的損害。

為保持最優施工狀態，以開啟3根支管線同時施工為宜，且支管線最大延伸長度可達150 m。

3 應用效果分析

3.1 在狹長圍堤吹砂施工中的應用

對各種方案的實測斷面和設計斷面進行數據分析，見表1。

表1 各方案吹砂圍堤斷面數據分析表Table 1 Analysis of section data of sand blowing cofferdam in each scheme

采用絞吸船+850 mm鐵管的施工工藝進行吹砂，該施工方案由于采用絞吸船功率大，吹砂管徑粗，出砂口能量大，導致大量砂流失到設計斷面外，造成極大損失。吹砂厚度3 m的情況下，吹砂范圍達到180 m，遠超過設計圍堤斷面寬度60 m，導致回填砂損失率達到33.12%，從經濟效益上來說是完全不可接受的。此外，該方案后期整平過程中需要投入大量整平、修坡機械，對經濟效益和施工進度都造成極為不利的影響。

采用絞吸船+五通裝置+450 mm的PE管進行吹砂施工后，砂的流失量大幅減少，需回挖工程量也大幅減少，整平、修坡機械臺班費用明顯降低，但損失率仍較高。

對絞吸船+五通裝置+450 mm的PE管施工工藝進一步改進，將出砂口布置在圍堤軸線上，同時在出砂口位置布置挖機，在出砂口兩側與吹填砂進度同步修筑臨時子埝起圍擋作用，抬高出砂管口位置回填砂的標高，確保實際吹填工程量達到設計工程量。通過對吹砂口施工工藝改進后，流失到設計斷面外的砂量極大減少。后期整平過程中，僅需要通過裝載機對超高部分轉運推平，無需采用效率較低的挖機先進行回挖，整平效率得到極大提高。雖然前期增加挖機的投入，但是減少了回填砂的損失和后期回挖過程中挖機的投入，經濟效益仍得到很大提高。

3.2 在場地淺薄砂層吹砂施工中的應用

同時開啟3根支管線進行吹砂施工，當支管線接長達到150 m后進行主管線延伸接長。本研究所采用的支管線單根管長14 m，在軟基處理砂墊層吹填1.5 m厚度的情況下，每3 h需要對支管線接管1次，經過2~3 d支管線接長度達到150 m左右，理論上絞吸船可以連續施工2~3 d，只有當主管線需要拆卸、接長時，絞吸船才需要停工接管，這就極大地延長了絞吸船作業時間，提高吹砂施工效率。

根據絞吸船船舶報表，五通吹砂和單管吹砂生產率相差約200 m3/h。考慮拆接管線對絞吸船停工產生的影響，采用五通吹砂每天理論吹砂時間可以達到21 h，而采用單管吹砂每天理論吹砂時間只有14 h。采用五通吹砂產量比單管吹砂產量多1萬m3/d左右。

4 操作要點

吹砂工藝流程為：運砂船向儲砂坑拋砂寅絞吸船從儲砂坑吸砂寅850 mm主管線輸砂寅五通分流寅450 mm支管線輸砂寅吹填到指定位置和標高。與傳統絞吸船吹砂的主要區別就在于增加了1個五通裝置和支管線。

1）為保證絞吸船在有效施工排距范圍內，在穩定的施工狀態和額定功率下，能夠維持足夠的流速不發生堵管現象，根據理論計算和現場實際施工情況，在正常施工條件下應保持3根支管線同時進行吹砂施工，其余2根支管線處于關閉狀態備用。當3根正在施工的管線中某1根管線吹填標高到位后將該支管線的閥門關閉，進行拆接支管線作業，同時將1根備用支管線的閥門打開，繼續保持3根支管線同時施工作業。

2）受水頭損失的影響，當支管線接伸長度達到一定長度后，如果繼續延長會導致水頭損失增大、主管流速降低，容易發生堵管現象。因此在這個時候需要絞吸船暫時停工，對主管線進行接伸延長，此后再連接五通和支管線繼續下一個循環的施工作業。

3）采用五通吹砂后，由于多個支管線要輪流拆接，管線班組的工作強度會明顯增大，管線作業施工機械和施工人員都要相應的增加才能滿足頻繁接管的要求。但是采用五通吹砂可以極大地減少整平施工工程量，加快工程進度。

5 結語

1）通過應用五通轉換裝置，可有效降低出砂口流量，在直接吹砂成堤施工中可將砂的損失率從33%降至17%，而在淺薄砂層施工中可以擴大出砂口作業面，有效控制砂層的厚度和平整度，解決了傳統大型絞吸船不適用于狹長圍堤和淺薄砂層吹砂施工問題。

2）根據現場施工條件，通過管線沿程阻力損失計算結合實際施工流速變化規律，可以確定五通轉換裝置的支管線最佳開啟數和最大延伸長度，且五通中的任一通道進行拆接不影響其余通道施工，可減少絞吸船停工接管次數。