絞吸船分層施工技術質量控制研究

劉濤，呂俊峰，劉曉慧

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510000）

1 前言

隨著疏浚業的不斷發展，工程工況日趨復雜，競爭也日益激烈，精細化施工與對土質輸挖特性的深入分析越發顯得重要。對于挖泥層厚較大的工程，絞吸船施工一般采用每一進步都挖到底層的施工工藝。實際上判斷工藝是否合理的原則應是總施工期生產率最高，并非幾個倒樁或倒錨周期內最高，定性分析顯然忽略了橫移速度、起落橋速度、進尺等挖掘參數及流速、真空等輸送參數的影響。同時，快速加深開挖忽略了巖土變化的時效性特點，譬如軟化系數，孔隙水負壓導致開挖力矩增大和絞刀汽蝕等影響疏浚生產的深層次原因的影響。

通過對上述問題的分析，在工程實踐中逐漸出現了改進的施工工藝，基于土質輸挖特性的絞吸船分層施工工藝，在我國多個港口航道工程中采用過該新工藝進行施工，根據施工過程分析和最終效果統計，證明該工藝較好地滿足工程進度要求和質量要求，取得了良好的效益。

2 分層施工工藝施工特點及適用范圍

2.1 工藝特點

通過合理分層施工，該工藝主要有以下特點：

（1）由于不同土質有不同輸送特性，針對這一特點，在每層的施工過程中，采取了差異性的輸送參數或者對管線進行適當調整，充分發揮船機泵的負荷，提供輸送生產率。

（2）對土質的特性的分析，合理安排施工時段及針對性的工藝方法， 根據土質的不同采取不同厚度的分層施工，使得船舶運行參數更加平穩，有利于船舶操縱與減少船機故障。

（3）改變了一刀到底的傳統施工方式，可以降低瞬時塌方埋壓的可能性；也可減少塌方總量。減少開挖斷面滿足后土體繼續塌坡對質量及進度的影響。

2.2 適用范圍

新工藝適用范圍廣，基本適用工程條件如下：

（1）絞吸船開挖泥面厚度較大，可以在橋梁下方不同深度進行多層施工；下層土軟化系數較高，軟化較快，或上覆層去掉后，經過浸泡有效應力降低較快的土層。

（2）由于新工藝輸送管線較短，不同層土混挖后輸送狀態變化較快，變幅較大；不同土層土質不同，其輸送挖掘特性存在區別，混合后級配特性沒有良好改變。

3 .工藝原理

3.1 挖掘生產率的分析

現行規范對絞吸船挖掘生產率的定義如下：

式中：W—絞刀挖掘生產率（m3/h）；D—絞刀前移距（m）；t—絞刀切泥厚度（m）；—絞刀橫移速度（m/min）；K—絞刀挖掘系數，與絞刀實際切泥斷面積等因素有關，可取0.8 ～0.9。

上述規范還指出：“絞吸挖泥船生產率分為挖掘生產率和泥泵管路吸輸生產率兩種，兩者之中，取其較小者代表其生產率”。

現行規范中只考慮了橫移、進尺、切厚及絞刀形狀的影響，忽略了挖掘過程中的倒樁、移錨等常規過程的影響，因此其生產率只是一個擺動過程的生產率，而非總的挖掘生產率，按照規范公式無法對總生產率進行分析。船舶挖泥過程中有多個挖掘動作協調完成，主要包括橫移、換向、進尺、船舶倒樁、船舶倒錨、退收臺車、起落橋梁等幾個環節。因此挖掘時間的計算公式如下所示：

通過公式可知，在施工區域相同的情況下，絞吸挖泥船挖掘生產率的大小與不同施工方法的施工總時間的快慢有關。挖掘過程有直接到底、來回進退臺車的拉抽屜施工、大分層施工等三種方法。

3.1.1 對于每一進步直接到底的挖掘總時間進行分析

假定每個倒樁、收臺車過程時間相同，進尺與橫移過程同步進行，不計回淤、殘留等因素，則總施工時間

式中：L—施工區長度；W—施工區寬度；H—挖掘深度；T1—總施工時間；ld—倒錨距離；vi—不同層橫移速度；lt—倒樁距離；tz—倒樁時間；tt—收臺車時間；tq—橋梁時間；ni—挖掘層數。

3.1.2 對于小分層拉抽屜的挖掘總時間進行分析

實際上挖深較大的時候，很難采取每一進步橋梁到底的挖掘方式，更多的是采用小分層，或來回進退臺車的施工方式，施工總時間為：

式中：ts-收臺車時間。C-大分層挖掘時間

式中：n —大分層數，ty—移船時間。

從上面理論分析可以看出，除移錨時間、倒樁時間、移船可能有所增加外，橫移時間，退臺車時間，橋梁起落時間都有可能減少。實際施工過程中也是如此，一般大分層施工，分層數僅為兩層，并且還可以采用倒錨距離內連續退船的方式，完成大分層。以上時間中，占比量最大的實際上還是橫移時間，采用大分層施工挖掘橫移時間可以縮短的機理。

3.2 土質時效性機理及絞刀汽蝕機理

巖土卸載后有效應力變化的時效性機理及絞刀汽蝕機理，由土力學原理可知，飽和土體總應力計算的太沙基公式為：

根據（6）式可見飽和土總應力由有效應力與孔隙水應力共同承擔形成，在水下定深的飽和土中總應力變化后，由靜水力原理孔隙水壓力最終將不變，有效應力隨之變化。但在應力作用下，土體具有較顯著的流變性質。比較典型的流變現象還有，土體固結過程的e ～p時效性曲線。

因此，疏浚挖掘過程如果過快達到一定深度，有效應力來不及調整，吸水固結過程來不及完成，則土體破壞所需的荷載較大。如果經過一段時間再進行挖掘，則土體有效應力有明顯減小后，所需荷載也將減小。此外，所開挖基槽周邊的土體對基槽底土體的擠壓作用也與時間有關。

4 新工藝操作要點

4.1 工藝流程

泥漿分層開挖施工工藝需要考慮不同土體的各自穩定性及輸送特性，還要考慮土體力學性能與時間的變化規律。要對輸送、挖掘進行綜合分析，確定限制因素，選定合理大分層厚度；要根據管線與土的流變性質、軟化性質選擇大分層開挖條長度；在每層的具體施工過程中還要選定不同的施工工藝參數。

4.2 操作要點

（1）施工每一層土質時，要及時調整參數，確保船舶設備性能在每一層的施工中都能最大限度地發揮，提高生產率。施工過程中密切聯系管線隊，在不同層施工時如需要縮口或多條管線倒換等調整，應及時準備好相關材料與移船等時間重疊進行，以最大限度節約時間，提高生產率。

（2）同一類土質在不同層深時，力學性質會有差異。根據絞刀負荷及輸送效果，可以結合不同土質分布深度和厚度進行有針對性地調整。

（3）除水平方向的土質變化外，還要注意土層的坡度變化，如連續兩個臺車同一層絞刀負荷及輸送效果變化較大時，應有針對性地調整修正層厚等相關參數，以免影響生產。

4.3 分層輸送增大產量原理

當挖泥船施工時，泥泵提供的能量能幫助泥漿克服管道中的阻力。輸泥管路特性曲線和泥泵特性曲線的交點就是泥泵的實際工作點。泥泵流量Q ～揚程H 特性曲線與排泥管路流量Q ～水頭損失H 特性曲線之交點A 即為系統的運行工況點，也即泥泵工況點。輸送系統的狀態由泥泵工況決定。新工藝考慮了不同土質輸送時泥泵工況所產生的變化。

設泥泵輸送清水時流量Qw，揚程為Hw，則輸送泥漿時：

1）流量計算公式：

式中：Qr—泥漿的流量（m3/h）；Qw—清水的流量（m3/h）。

2）揚程計算公式：

式中：Hr—泥泵的泥漿水頭（m）；Hw—泥泵的清水水頭（m）；Ym—泥漿密度（t/m3）；KH—系數，取值見表1。

3）功率計算公式

式中：Nr—泥泵泥漿的軸功率（kW）；Nw—泥泵清水的軸功率（kW）；Ym—泥漿密度（t/m3）；KN—系數，取值見表1。

表1 不同土質的KH、KN 表

從以上分析可以看出泥泵的揚程、功率均與土質有關，相關系數的取值易輸送土質較大，難輸送土質取值較小。同樣，管道內泥漿總水頭、臨界流速也均與土類甚至顆粒粒徑等參數有關。

從整個絞吸船輸送系統考慮，在設備已定條件下輸送系統所能達到的流量與濃度即產量受泵機負荷、輸送流速、系統承壓、真空限制等四個方面限制。

5 質量控制

（1）項目建設過程嚴格執行國家、行業標準規范，確保工程質量符合要求。

（2）制定施工質量管理體系，并嚴格執行，積極開展質量管理工作、制定質量計劃。開工前分析質量控制關鍵點及主要影響因素，確保工程全過程受控。按照PDCA 管理要求，將發現的問題及時進行總結分析，不斷改進質量，提高質量管理水平。

（3）在工程施工階段，會同設計單位、監理單位制定詳細的施工組織設計方案，并嚴格技術交底制定，明確各關鍵節點的質量控制內容。進行三級教育，落實質量責任制，在操作過程中嚴格執行規程的規定。定期保養施工機具、設備，確保機具的精度符合工程質量要求。嚴格圖紙交底制度，嚴格按照圖紙施工，發現圖紙不清楚的地方，及時通過監理單位與設計單位溝通解決，認真做好施工過程資料，留檔備查。

6 結語

通過對絞吸船分層開挖工藝的改進，充分利用了自然力，減小了瞬間的施工難度，使得船舶設備運轉更加良好，施工參數得到了優化。有效解決了絞吸船復雜土質施工中存在的施工進度較慢、質量控制較難、輸送效果較差及船舶設備負荷較大，易損壞等現象。不同分層采用不同的施工參數（如絞刀轉速、泵機轉速、泥泵組合等），可以最大限度地降低生產成本。經過工程實踐檢驗，該工藝提高了疏浚生產效率，具有較好的經濟效益，可為類似施工項目提供借鑒。