航道工程中耙吸式挖泥船精挖施工工藝

◎ 丁亞楠 中交上海航道局有限公司

大型耙吸挖泥船在施工時，容易受到地質、潮位、工藝等因素的影響，因此會產生為了達到完工后的水深，而加大挖掘深度的現象，這就導致了兩個問題：一是降低了施工效率，二是浪費了大量的資源。事實證明，動力控制系統的運用能夠有效地解決以上問題，應該受到足夠的關注。這篇論文的研究，其實際意義是顯而易見的。

1.工程概況

溫州港核心港區的深水入港通道工程，包括三個方面：外海通道、狀元岙港區通道和大小門島通道，其中，外海通道可實現50000噸級的雙線、266000m3級的LNG船（控制吃水12.0m）單線全潮通航，10萬噸級的單線乘潮通航；狀元岙港區內的航道規模是：5萬噸級雙線、21500m3LNG船舶單線全潮、10萬噸級單線乘潮通航；大小門島通道可實現266000m3級的LNG船單線（控制吃水12.0m）全潮通航。工程的重點是在總體規劃的范圍內進行疏浚工程、導助航工程、錨地工程和清淤工程。

2.施工方案

（1）主要施工控制參數的試驗優化。根據挖泥船行駛到目的地速度、泥漿泵轉數、波浪補償壓力、耙頭高壓沖洗壓力、耙頭海水稀釋開口度等進行適量調整，當泥漿泵壓力、真空度、吸入流量、密度四項數據顯示最佳狀態時即為最佳施工狀態。

（2）分條、分段施工選擇。該項目是一項航道疏浚工程，由于航道長度的關系，應采取分段施工的方法。以施工區的土質特征和挖泥船的性能為基礎，耙吸船使用了全球衛星定位系統（DGPS）進行導航，并在其周圍均勻地分布著耙子。船上裝備的DGPS及海洋測量軟件具備電子海圖和航跡的指示、存儲功能。挖泥操作人員可以很容易地通過顯示器或繪圖機來判斷挖泥船的航跡，做到合理布線，以提高效率。在施工過程中，挖泥船會根據潮位及時地調整下耙深度，從而保證工程的質量[1]。

3.精挖施工工藝

3.1 船舶定位

該項目所使用的施工船為雙DGPS定位系統。將定位參數、背景文件、測深文件、工作線文件、斷面文件、色塊文件等輸入到計算機疏浚輔助決策系統中，在系統上就可以顯示出挖泥平面、斷面及實時船位，并將計劃挖泥區段、挖泥航線和已挖區段、挖泥耙跡線等信息進行顯示，從而使挖泥船能夠始終在預定的挖線上進行施工，更好地確保施工質量。在距離差分岸臺不足50km的情況下，其平面定位精度可達到±1.0m，距離300km的情況下，其定位精度可達到±5.0m，且在我國沿海地區均可接收到差分信號，還可全天候工作。

1）合理設置無驗潮技術。以控制點為基礎完成控制網的布設工作，將基站設置在臨近施工區域位置處，使得設備的兼容性得到顯著的提升，為后續的測量工作做好充分的準備。在駕駛臺外側中間位置設置移動站，將傳播擺動給數據準確性造成的影響控制到最小，顯著提升該布設理念的科學性。

2）潮位遙報儀。潮位遙報儀的主要組成部分為接收端和發送端。發射機的核心組成內容有電源、功放器、調制器和編碼器等，編碼器發揮的主要作用為將測量所得的水位數據信息轉變成為具有較強特殊形式的編碼，在調制器的作用下，達到整形的目的。在向空中發射調頻信號時，天線發揮著十分重要的作用。潮位信號被天線接收以后，經過高頻放大，使得混頻也隨之發生了巨大的變化，將其直接送入到相位鑒頻器中，實現了對信號的有效調制，分離水位編碼以后，將其輸送到消燥器中實現對噪音的有效降低，譯碼器完成水位數值還原工作以后，及時的向顯示器中傳輸，并完成顯示工作。

在對水位值進行獲取時，壓力傳感器探頭發揮出了重要的作用，標高值與傳入主機運算結束以后，將潮位值及時的傳輸出去，在向外發送數據信息時，主機端口上的發射機起到了重要的作用。在耙吸船中心控制器端口上安裝潮位遙報接收儀，在解析以后，以潮位值的形式向挖掘控制系統的中心處理器中傳輸，使得數據傳輸鏈路得以有效的構成。

3.2 耙頭控制方法

3.2.1耙齒的使用

采用水力作用力的舊式耙頭，在開挖粘土或略微有粘性的沙土時，其效率并不高，因此，還需要增加一種機械切割設備，即耙齒或刮刀，才能使開挖效率提高。雖然耙齒不太適合松軟的土壤，但是在有大量垃圾的地區，可以增加耙齒來清除淤泥層中的垃圾，這樣在后期的施工過程中就可以減少垃圾堵塞耙頭。

3.2.2耙頭著地壓力的選擇與調整（波浪補償器）方法

在海浪及淤泥表面不平的情況下，利用波浪補償裝置，保證耙齒在海浪及淤泥表面起伏時，不會脫離淤泥表面，同時保證耙頭的地壓與所疏浚的土壤相適應（最大化淤泥密度，減小耙齒阻力，防止淤泥過深）。在進行施工之前，要按照公司的耙吸挖泥船施工工藝的操作要求，按照疏浚土類、耙頭類型和挖深來調節波浪補償器的壓力。

3.2.3耙頭、耙管角度、水平位置控制方法

①耙頭與地面的角度。對于耙吸船來說，主動耙頭能夠對施工時的耙頭對地角度進行合理化的調整，耙頭對地角度要保持在3度左右。假如海底地形的深度存在著比較大的差別，需要對耙頭油缸進行高效的整合，使得保持在設計值的范圍之內。

②耙頭平面位置。該項目所裝備的雙DGPS，其精度在1m至3m之間，將其與耙臂水平位置傳感器相結合，使其定位精度達到1.0m。在定位系統的電腦上所呈現的軌道，就是耙的平面位置[2]。

③耙頭定深。耙頭的下落深度是通過耙臂深度指示器得到的。要時常檢查和糾正耙頭的深度。如果出現了偏差，則采用自動插入式校正方法，對每一個傳感器的初值、增益等參數進行自動校正。

隨著船舶吃水的改變，潮位的改變，耙頭所指示的深度也會隨之改變，這時需要對耙頭和耙中鋼索進行調節，以保證耙頭深度指示器所指示的深度與給定的深度一致。該項目所裝備的水深測量系統，其測量精度為0.3m。

④耙管的垂直位置。因為耙管下部與水平線之間的角度太小，會導致耙管首先與海床上的凸起相接觸，而這個角度太小或者太大，又會導致耙頭活動罩的動作受到限制，使得拖泥板無法與淤泥面緊密接觸，所以，耙管的垂向位置應該按照不同的挖深來調整。下部耙管與水平線的夾角優選為25°～35°（耙頭活動罩的可動范圍較為適宜）。上下耙管之間的夾角不應大于170°（橡膠管的容許彎曲角在±168°左右）。

⑤耙管的水平位置。在水平方向上，耙頭的定位是由上、下兩個耙筒的偏移角決定的。一般情況下，耙頭的側向位置是耙頭的中心線到舷邊的距離2m（盡量減少船的偏轉）。在挖泥的過程中，應該將耙管的側向傾斜角度控制在不大于左右15°（耙頭的水平偏移約為左右10m）。特別要注意的是，在挖掘深度比較淺的時候（大約7-10m)，如果橫向傾斜角度太大，就會導致上耙管與船體之間的相互擠壓，如果處理不好，很容易引起事故（耙管和船體受損）。在施工作業中，操耙手應密切關注耙頭的水平分布，對傾角過大的情況應及時進行調整，以保證耙頭在最佳狀態[3]。

3.3 挖泥航線的確定

在進行施工之前，要在定位系統中將工作線做好，通常情況下，兩條工作線之間的距離是船寬加上1個耙頭的寬度，耙頭第一挖溝與相鄰的第二挖溝的中心線間距，要視土壤性質而定。在鋪設線路時，要小心其他已經鋪設好的線路不能重復鋪設。可以通過定位水深系統來指示挖泥耙軌跡的位置。在施工時，應使耙跡線成一條直線，并盡可能使耙跡線的排列均勻，不留縫隙，以減小淤泥表面的不平整。當有了新的測繪圖時，應按測繪圖上的水深來安排耙跡線，在淺水區，結合每個耙的挖掘深度，安排得稍多些；在經過一定的施工后，可以依據前期耙跡線的分布狀況，結合實測圖，再結合耙跡的間隔來布線。

3.4 耙吸挖泥船挖泥操船方法

1）由于耙吸式挖泥船的上部結構大多位于船尾，因此，風力對操船的影響比較大。海浪與海流（潮）的作用更為顯著。正面來的風、浪、水流，只需要適當提高速度就可以了。對于側面（斜向或橫向）來的風、浪、水流，也要進行速度適當的調節，通常還須朝著風、浪、水流的來向調整船首，并使船保持穩定的風流偏航角，這時才能確保耙跡線為直線。

圖1 挖槽內調頭示意圖

2）當風流的偏航角度（右側為正）達到±10度至±15度時，操船將變得非常困難。如果超過了±15度，那就更難了。

3）在風、浪、水流等因素的影響下，操作挖泥船時，特別是挖泥船深度較小時，應特別注意防止挖泥船受到船舭部壓和耙管的影響。

3.5 耙吸挖泥船調頭方法

當挖泥船掉頭的時候，原則上，上調頭應該將船艏放在下風、下流的一側，向上風、上流的方向轉頭，這樣可以避免船被壓出挖槽。在使用雙車雙舵的情況下，在必要的時候，利用船艏的橫向沖水推進，可以使本船在1.3倍船長的范圍內掉頭。在施工過程中采用的基本掉頭方式，通常轉彎需要5-8分鐘左右，在適當的風速下，最快需要4分鐘左右。

在開闊的水面上且水下沒有障礙時也可以用耙頭觸地或挖泥調頭。但是，它的速度必須很慢，轉角要小，而且絕對不能向后航行。在狹小的水面上，不能使用耙式轉彎，以免發生意外。在調頭時，要密切關注耙頭的運行狀況，尤其是內側的耙頭，一旦耙頭的轉速接近靜止，應及時抬起。

3.6 卸泥方法

考慮到卸泥區的水域、水深、卸載要求、土質類型和卸載過程中的風、流等因素，采用開底卸泥方式，以提高施工效率。在開泥門之前，首先要測水深，以保證泥門的安全，在拋泥的時候，要增加卸泥標志，并對卸泥的順序進行安排，避免因為卸泥后深度變淺，從而對后面的卸泥造成影響。在卸泥的時候，只能慢速轉向和停車停船卸泥，使泥砂卸到規定的位置和規定的高度。此外，還可以用泥門半開法拋泥，等船吃水減小后，再全開泥門來拋清泥。

3.7 掃淺施工方法

1）進退挖泥法。如果遇挖槽比較短，或者只需要浚挖某一小段或局部淺點的時候，或者挖區終端的水域受到限制，很難實施回轉調頭，或者是考慮到調頭航行再調頭上線挖泥方式需要花費太多時間時，通常會以水域情況和本船操作條件為依據，采取進退挖泥法。也就是，在挖到終點或挖過淺點之后，起耙并將耙頭提高至離開床面以上的安全高度之后，再倒車使船退回，并越過起挖點以外，在確定船已不再存在對地后退慣性運動，轉而略微向前時，才能重新放耙著底挖泥。

2）采用“8”字形和“米”字形兩種挖掘方法。當疏浚的航道中有零星的淺點和散立淺點時，可采取“8”字形和“米”字形的方式進行淺層清理。

3）橫向挖掘法。當航槽淺埂土壤堅硬，壟溝深度相差懸殊時，常規縱向開挖將難以進行。在條件允許的情況下，可以采取橫挖的方法，逐步減小溝道中的壟溝深度，并逐步使溝道中的河床變得平坦。施工路線與進退挖泥法相似。

4.結語

總而言之，耙吸挖泥船要想達到精挖的目的，最重要的就是運用動態控制系統，事實證明，通過對該系統的合理運用，不但可以提升作業的自動化程度和精度，而且還可以提升作業的質量和效率，這樣，疏浚超標、深度不足等問題就可以很好地解決了。