絞吸船施工要點(diǎn)及措施

高偉，韋東

（中交天津航道局有限公司，天津 300450）

1 概述

疏浚施工首先要進(jìn)行土質(zhì)勘察，并了解當(dāng)?shù)氐乃摹庀笄闆r，靈活應(yīng)用挖掘及泥漿輸送理論，主要包括絞刀挖掘參數(shù)的設(shè)定及離心泵的關(guān)鍵參數(shù)、泥泵、管線和柴油機(jī)等多種因素的匹配，其中應(yīng)重點(diǎn)分析疏浚土性質(zhì)對(duì)挖掘、輸送的影響，密度與產(chǎn)量的關(guān)系，顆粒形狀、沉降速率對(duì)于流速的影響等，還應(yīng)注意氣蝕產(chǎn)生的原因及預(yù)防。在充分分析疏浚施工的主要影響因素之后，設(shè)計(jì)施工總體布局，選擇疏浚施工方法，選配施工船，確定操作方式，配置挖泥設(shè)備、系統(tǒng)和部件，包括絞刀系統(tǒng)、泥泵系統(tǒng)，開(kāi)始架設(shè)管線等工前準(zhǔn)備工作，圖1為絞吸船施工現(xiàn)場(chǎng)。

絞吸船操作人員首先要非常熟悉本船的挖泥性能、機(jī)械狀態(tài)以及每個(gè)部位的結(jié)構(gòu)，如絞刀的直徑、吸口的隔柵形狀、泥泵流道大小、主機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)、負(fù)荷等，同時(shí)具備應(yīng)對(duì)突發(fā)事故的能力。絞吸船操作主要涉及到絞刀、泥泵、管線、鋼樁、臺(tái)車等挖泥設(shè)備以及定位系統(tǒng)、儀表及監(jiān)控軟件等。圖2為現(xiàn)代化絞吸船挖泥操控系統(tǒng)。

圖1 絞吸船施工現(xiàn)場(chǎng)

圖2 先進(jìn)的挖泥操控系統(tǒng)

2 疏浚土質(zhì)勘察及施工方案的確定

目前國(guó)內(nèi)疏浚企業(yè)普遍存在著對(duì)疏浚土質(zhì)不重視的情況，實(shí)際上確定土的性能指標(biāo)和進(jìn)行土質(zhì)分類是為了正確選擇挖泥船船型、合理安排施工工藝，這是確定船舶生產(chǎn)效率與核算施工成本的主要依據(jù)。所以疏浚工程開(kāi)始就要對(duì)土質(zhì)進(jìn)行深入的研究，土質(zhì)基礎(chǔ)資料的勘察、積累是長(zhǎng)期而有意義的工作，且要有明確的針對(duì)性。挖泥船施工時(shí)，必須要有詳細(xì)的工程地質(zhì)說(shuō)明書、鉆孔平面布置圖、工程地質(zhì)剖面圖、土壤實(shí)驗(yàn)報(bào)告等基礎(chǔ)資料。

土質(zhì)可分為有機(jī)質(zhì)土及泥炭、淤泥、黏性土、粉質(zhì)土、砂土和碎石土等類別[1-2]。

土質(zhì)的密實(shí)程度和可挖掘的性能影響疏浚施工效率和工程成本。土質(zhì)類別不同，其切削難易程度有相當(dāng)大的差別，即使是相同類別的土質(zhì)在不同的區(qū)域其抗剪強(qiáng)度也不盡相同。土質(zhì)決定船型、挖掘機(jī)具乃至整個(gè)開(kāi)挖手段的選取。依據(jù)土質(zhì)選擇正確的施工方案是獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益的前提[3]。

1）土質(zhì)較密實(shí)不易切削、絞刀挖掘量小于水力輸送的土方量時(shí)，則需要調(diào)整橫移速度，絞刀下放深度與進(jìn)樁前移距等參數(shù)，以改善絞刀切削效果。

2）當(dāng)挖掘斷面土層內(nèi)土質(zhì)過(guò)于密實(shí)時(shí)，絞刀難以切削土層，容易加劇挖泥機(jī)具磨損及使運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行工況失常，也應(yīng)及時(shí)調(diào)整施工方法和工藝。

3）如果開(kāi)挖土質(zhì)顆粒大，會(huì)造成泥泵及吸排管線磨損嚴(yán)重、輸送困難，除調(diào)整絞刀挖掘參數(shù)外，應(yīng)及時(shí)更換適合挖掘該類土質(zhì)的絞刀。

4）開(kāi)挖松軟土質(zhì)時(shí)，因土層支撐力不足，易造成漏樁現(xiàn)象。必須考慮定位樁下落方式和下落高度，對(duì)鋼樁入泥深度要合理控制，以避免溜樁。

5）錨橫移拉力與挖槽外土質(zhì)有關(guān)，土質(zhì)較松軟時(shí)可獲得較大的抓力，反之易發(fā)生走錨現(xiàn)象，加大施工輔助作業(yè)占用時(shí)間。

6）黏性土容易糊絞刀，且清理困難、利用率降低，對(duì)施工造成困難，因此應(yīng)選擇適宜挖掘黏性土的絞刀。

3 絞刀防石環(huán)及吸泥口格柵的形式

不同的工況條件，要選用不同的絞刀（見(jiàn)圖3、圖4），例如挖掘黏土、巖石的專用絞刀，以及適用開(kāi)挖松散砂土、淤泥的通用型絞刀。但是在有雜物、塊石的土質(zhì)條件下，應(yīng)選擇加設(shè)防石環(huán)、吸口格柵，不然將造成堵口、堵泵以及糊絞刀等情況，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

圖3 挖巖專用絞刀

圖4 挖黏土專用絞刀

1）吸泥口隔柵。在吸泥口中設(shè)置兩根豎向圓鋼（或鋼板條），在兩根圓鋼的中部橫向設(shè)置一根圓鋼（或鋼板條）作為吸口的格柵，另在吸口鋼管左側(cè)內(nèi)壁順管路方向焊兩塊鋼板，從使用效果看，鋼板的格柵防石效果較好。見(jiàn)圖5。

圖5 圓鋼或鋼板吸泥口格柵示意圖

2）防石網(wǎng)。絞刀的防石網(wǎng)形式多樣，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但它在實(shí)際施工中的作用很大。其中如圖6、圖7兩種形式的效果較好，可以參照使用。

圖6 鋼板形防石環(huán)

圖7 圓鋼防石網(wǎng)

4 挖泥操作要點(diǎn)

在實(shí)際操作中，一般用橫移速度來(lái)控制真空值，以免產(chǎn)生震車，同時(shí)預(yù)判濃度，保持持續(xù)較高的產(chǎn)量。根據(jù)流速情況調(diào)節(jié)泥泵轉(zhuǎn)速，必要時(shí)采取降低濃度的方法使其不低于臨界流速，保持以實(shí)用流速輸送。

采取調(diào)整橫移速度、前移距及挖厚等措施，必要時(shí)調(diào)節(jié)絞刀轉(zhuǎn)數(shù)，控制絞刀的功率不超過(guò)額定負(fù)荷。橫移操作過(guò)程中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

1）左右的橫移纜和錨頭纜的收放要適當(dāng)，避免錨頭纜放得過(guò)多被絞刀纏繞，也不可不放錨頭纜，以免走錨。

2）注意下完橫移錨后，要下放橋梁、施加一定的拉力，一般為額定拉力的1/3～2/3，與土質(zhì)有關(guān)，第一刀橫移稍慢，來(lái)固定橫移錨，防止施工中發(fā)生走錨現(xiàn)象。

3）正常施工時(shí)，注意不要超過(guò)額定的拉力值，液壓絞車注意壓力表，電動(dòng)絞車注意電流表。

4）推薦使用反張力來(lái)控制絞刀的橫移，可以保證挖泥施工的動(dòng)態(tài)平穩(wěn)性，到邊線時(shí)可以較快地回?cái)[，克服沒(méi)有反張力時(shí)的慣性力。操作的關(guān)鍵是以橫移速度來(lái)控制連續(xù)平穩(wěn)的挖泥濃度。

5）挖泥過(guò)程中，完成一個(gè)鋼樁臺(tái)車形成時(shí)要進(jìn)臺(tái)車，這時(shí)，以主樁為圓心的挖泥半徑減小了一個(gè)臺(tái)車的距離，在挖泥中心線表現(xiàn)不明顯，但是開(kāi)挖到邊線時(shí)，將與上一次的挖泥軌跡重合，會(huì)產(chǎn)生濃度降低的現(xiàn)象。所以，在第一刀挖泥時(shí)，要適當(dāng)加快橫移速度，或者增加步進(jìn)長(zhǎng)度，以提高產(chǎn)量。

5 絞吸船的操作常見(jiàn)問(wèn)題分析及處理措施

5.1 產(chǎn)生殘留層的原因及處理措施

施工中，如果挖掘量大于吸入量，泥層容易坍塌，產(chǎn)生殘留層。若遇有回淤較大的施工區(qū)域，較容易產(chǎn)生前挖后淤現(xiàn)象。產(chǎn)生殘留層的原因如下：

1）挖掘的土沒(méi)有全部吸入，主要是挖掘量大于吸入量，其中也有因絞刀旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流場(chǎng)造成；

2）泥面破散后留下的，水流沖涮或土體滑坡造成的。

為此，需增挖一定的深度，其備淤超深量應(yīng)根據(jù)施工期長(zhǎng)短及期內(nèi)回淤量大小而定。遇到殘留層的處理方式：

1）一般情況下，由于回淤量與施工期長(zhǎng)短成正比，故增挖備淤深度時(shí)，應(yīng)考慮在施工期內(nèi)采取“先深后淺”的控制措施為宜?；赜俨淮髸r(shí)，適當(dāng)超深，以保證質(zhì)量。

2）取砂施工時(shí)，當(dāng)取砂厚度數(shù)倍于絞刀直徑，且土質(zhì)為松散砂時(shí)，可以利用塌坡提高濃度。但操作要謹(jǐn)慎，小心塌方的土層壓住橋梁，避免抗脖子現(xiàn)象。

5.2 正刀挖泥與反刀挖泥的區(qū)別及避免跑刀的措施

正刀挖泥，刀齒向下開(kāi)挖（見(jiàn)圖8）。絞刀旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生額外的橫移力，一般情況下濃度低，在挖硬土質(zhì)時(shí)受力不好，容易跑刀。絞刀的齒有向下的力，橋梁容易向上翹。

圖8 正刀挖泥

反刀挖泥，刀齒向上開(kāi)挖（見(jiàn)圖9）。受力較好，不易跑刀，濃度相對(duì)較高。甩出去的土，容易掉到絞刀的腔里。

避免跑刀的方法：

圖9 反刀挖泥

1）設(shè)定反張力，使絞刀在有反作用力的狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)，處于一個(gè)動(dòng)平衡的狀態(tài)。

2）如果達(dá)到反張力設(shè)定極限時(shí)，還是跑刀，則減小挖泥的橫移速度，適當(dāng)降低絞刀轉(zhuǎn)速，或采取減小步進(jìn)長(zhǎng)度和挖泥厚度。

5.3 氣蝕產(chǎn)生的原因及避免措施

泥泵旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，在泥泵高流速區(qū)會(huì)形成負(fù)壓，離心泵轉(zhuǎn)的越快，負(fù)壓就越大，在超過(guò)一定的限度時(shí)，溶解在液體中的空氣會(huì)逸出，形成小氣泡；當(dāng)氣泡到達(dá)葉輪的外徑，即泥泵的高壓區(qū)時(shí)，氣泡破裂，當(dāng)氣泡在葉輪壁面的時(shí)候，水就會(huì)對(duì)葉輪進(jìn)行撞擊，產(chǎn)生較大的沖擊力，作用在葉輪上會(huì)刨出小坑出現(xiàn)麻面，產(chǎn)生坑坑洼洼的撞擊痕跡，這就是氣蝕（見(jiàn)圖10、圖11）。與磨損相互作用，破壞力較大。

圖10 泥泵新葉輪

避免泥泵氣蝕的有效措施是在橋架下方另安一只泥泵與之串聯(lián)，以提高挖泥濃度并減少氣蝕幾率，當(dāng)真空表顯示將要達(dá)到氣蝕時(shí)，及時(shí)降低泥泵的轉(zhuǎn)速，減小挖泥濃度，必要時(shí)打開(kāi)真空釋放閥。

圖11 氣蝕后的葉輪

5.4 堵管原因及避免措施

輸送泥漿管路的揚(yáng)程為變量，且為輸送介質(zhì)、路由變化及泥漿性質(zhì)的函數(shù)，即：Hf=F（d50，r，v，L，D）。在管道輸送過(guò)程中，當(dāng)泥泵產(chǎn)生的能量大于管路損失時(shí)，就能輸送泥漿，反之，就會(huì)降低流速來(lái)保持平衡。一旦小于臨界流速時(shí)，泥沙就會(huì)在管道內(nèi)沉積，產(chǎn)生堵管現(xiàn)象，施工中應(yīng)該盡量避免發(fā)生。

在發(fā)現(xiàn)有堵管跡象時(shí)，即輸送流低于經(jīng)濟(jì)流速（即在實(shí)際施工中，高于臨界流速，磨損適當(dāng)、主機(jī)不超負(fù)荷，不會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象的流速）、接近臨界流速（即在一定的管徑、濃度、土質(zhì)等條件下，使混合物處于懸浮狀態(tài)的最低流速）時(shí)，要適當(dāng)增加泥泵的轉(zhuǎn)速，主要靠降低橫移速度來(lái)逐漸降低挖泥濃度，濃度減低不明顯時(shí)，要回?cái)[或抬起絞刀，或后退臺(tái)車。禁止習(xí)慣上采取的吹清水的做法。原因如下：

1）泥泵在由濃度較高變?yōu)闈舛容^低時(shí)，水功率會(huì)降低，揚(yáng)程減小，造成泥泵輸出功率大幅度減低，泥漿在管線中的流態(tài)會(huì)進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致堵管；

2）管線較長(zhǎng)時(shí)，降低的流速會(huì)加速管線中的高濃度區(qū)的沉淀，加快堵管的進(jìn)程。

要研究泥漿的輸送，就需要研究泥漿濃度、流態(tài)、管路阻力及粒徑、密度和管徑對(duì)泥漿臨界流速的影響。管線中的流態(tài)、分層對(duì)于泥漿的輸送影響較大，而泥土的顆粒對(duì)于輸送又起著決定作用。因?yàn)轭w粒的大小、濃度，影響其沉降速度，而沉降速度與臨界速度直接相關(guān)；黏土形成的泥球，加大了輸送的難度，從經(jīng)濟(jì)流速下降到臨界速度的時(shí)間非常短，此時(shí)泥泵的工況是不穩(wěn)定的，也容易出現(xiàn)管路堵塞現(xiàn)象，因此應(yīng)采用盡可能高的流速施工。

5.5 堵塞的判斷及解決方法

在施工過(guò)程中，要盡量避免發(fā)生堵塞現(xiàn)象，一旦發(fā)生故障要及時(shí)、準(zhǔn)確地判斷堵塞的位置，可參照表1和以下經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。

表1 絞吸船堵塞位置判斷表

1）絞刀有雜物可以通過(guò)絞刀負(fù)荷有規(guī)律的變化來(lái)判斷，一般其變化的頻率與絞刀的轉(zhuǎn)速相等。

2）吸口堵塞時(shí)即使吸清水，真空也居高不下?？梢酝１米屌拍喙苤械乃沽鳑_刷障礙物，不奏效時(shí)，只能人工清理。

3）泥泵堵塞時(shí)，壓力、真空度降低，伴隨有震動(dòng)聲音。

4）排泥管堵塞時(shí)，壓力升高，即使吸清水，壓力也居高不下。應(yīng)判斷堵塞的位置，以便清理。

5.6 漲落潮及波浪對(duì)施工的影響及避免措施

施工中，為確保設(shè)計(jì)挖深，漲潮時(shí)，可將絞刀提前“下一點(diǎn)”以進(jìn)行深度控制；將絞刀“多擺一點(diǎn)”以進(jìn)行寬度控制。落潮時(shí)，應(yīng)將絞刀提前“起一點(diǎn)”，或“少擺一點(diǎn)”，以此適應(yīng)潮位變化對(duì)施工的影響。

為消除波浪對(duì)工程質(zhì)量的影響，一般情況下，波浪大時(shí)挖上層，波浪小時(shí)挖下層。當(dāng)波浪超過(guò)船舶設(shè)計(jì)的抗浪等級(jí)時(shí)應(yīng)停工，待波浪減弱后再繼續(xù)施工。

6 結(jié)語(yǔ)及建議

對(duì)于絞吸船而言，在有效運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi)，達(dá)到持續(xù)穩(wěn)定的產(chǎn)量是追求的目標(biāo)。近幾年絞吸船的挖泥操作技術(shù)和工藝取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，建議在今后的施工中加強(qiáng)絞吸船挖泥操作的系統(tǒng)培訓(xùn)，按級(jí)別、有針對(duì)性地培訓(xùn)，相比“師傅帶徒弟”的傳統(tǒng)模式具有明顯的優(yōu)勢(shì)；加快絞吸船模擬器的研發(fā)及使用，為操作人員提供優(yōu)越的疏浚技術(shù)培訓(xùn)，提高培訓(xùn)效率。絞吸船施工中遇到的問(wèn)題很多，進(jìn)一步的分析和解決需要對(duì)疏浚有較深刻理解和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1] JTJ319—99，疏浚工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2] JTJ/T320—96，疏浚巖土分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] RNBray，AD Bates，JM Lang.Dredging a Handbook for Engineering[M].A Butter worth Heinemann Title，1996.