重型絞吸船挖巖施工中裝駁工藝

張志軍，董喧

（1.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

在改、擴(kuò)建港口時(shí)由于深度的增加，往往遇到過(guò)去不曾觸及的下臥很深的巖石層，而有些新建港口由于空間位置原因，必須建設(shè)在巖層海岸帶或珊瑚礁地區(qū)。海底硬質(zhì)巖石和珊瑚礁屬于一種特殊的疏浚物質(zhì)，傳統(tǒng)的水下巖石爆破技術(shù)不但生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低，而且對(duì)海底環(huán)境污染極大，而基于疏浚泥土理論所設(shè)計(jì)的挖泥船并不適用于疏浚強(qiáng)度很大的巖石[1]。因此，近幾年來(lái)，一些為挖巖進(jìn)行了特殊優(yōu)化的疏浚設(shè)備陸續(xù)建造，“天鯨號(hào)”就是其中之一。

“天鯨號(hào)”是中交天津航道局有限公司新近建造的大型自航絞吸式挖泥船，是中國(guó)當(dāng)前功率最大的絞吸挖泥船?！疤祧L號(hào)”長(zhǎng)127.5m，寬23.0m，吃水5.5m，最大挖深30m，最大排泥距離6000m，配備多種當(dāng)前國(guó)際最先進(jìn)的疏浚設(shè)備，絞刀功率達(dá)到4200 kW，生產(chǎn)能力4500m3/h，具有無(wú)限航區(qū)的航行能力和裝駁功能，靈活機(jī)動(dòng)，適用于各種海況的疏浚工程[2]。

“天鯨號(hào)”不僅可以疏浚黏土、密實(shí)砂和碎石，還可以開(kāi)挖抗壓強(qiáng)度為40 MPa的巖石[2]。“天鯨號(hào)”的建造改變了人們清除海底巖石的方式，可大大減少海底爆破工程的數(shù)量，增大工程安全系數(shù)，也可減少對(duì)海洋的污染。

1 項(xiàng)目概況

防城港位于廣西壯族自治區(qū)防城港市，是全國(guó)25個(gè)沿海主要港口之一。

依據(jù)設(shè)計(jì)文件，防城港航道拓寬工程為在原有15萬(wàn)噸級(jí)航道基礎(chǔ)上向東側(cè)拓寬35m，設(shè)計(jì)挖深-17.9m。工程采用疏浚外拋施工，拋泥距離約13 km。因?yàn)槭窃谠降郎线M(jìn)行拓寬，疏浚施工過(guò)程中會(huì)有一定程度的干擾。根據(jù)工程區(qū)域的地質(zhì)資料，疏浚物主要為巖石，單軸抗壓強(qiáng)度平均為42MPa，最高為49.3MPa。

2 “天鯨號(hào)”裝駁系統(tǒng)與系泊系統(tǒng)

“天鯨號(hào)”在船體兩舷各配置了2套裝駁裝置，裝駁裝置由鋼質(zhì)裝駁架、裝駁管、起升絞車、旋轉(zhuǎn)接頭等組成。

“天鯨號(hào)”裝駁管路由設(shè)置在絞刀橋架上的水下泵吸泥管、水下泵排出管、設(shè)置在泵艙內(nèi)的排泥總管以及設(shè)置在甲板上的裝駁管路和裝駁架上的管路組成。

“天鯨號(hào)”在船體兩側(cè)各配有一個(gè)獨(dú)立的駁船系泊系統(tǒng)。

3 直接裝駁工藝

礁石類土質(zhì)具有硬度大、密度大、棱角突出的特點(diǎn)，若利用管線輸送，對(duì)管線磨損嚴(yán)重，所需要的輸送壓力大，輸送距離短，所以利用絞吸船疏挖礁石類土質(zhì)時(shí)，一般采用裝駁作業(yè)。

“天鯨號(hào)”配有裝駁裝置，可以直接對(duì)駁船進(jìn)行裝駁作業(yè)。課題組和項(xiàng)目部通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)工況和“天鯨號(hào)”設(shè)備配置情況，決定采用直接裝駁方式拋泥。

3.1 直接裝駁工藝流程

“天鯨號(hào)”直接裝駁工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 直接裝駁工藝流程圖Fig.1 Direct barge loading process flow diagram

1）駁船靠泊

由于駁船在?？窟^(guò)程中“天鯨號(hào)”存在施工擺動(dòng)情況，因此對(duì)靠泊過(guò)程應(yīng)予以高度重視。

2）裝駁前的準(zhǔn)備工作

駁船靠泊完成后，“天鯨號(hào)”應(yīng)派專人登上駁船，確認(rèn)前后裝駁管與駁船的相對(duì)位置滿足裝駁穩(wěn)定要求。

3）裝駁排泥管下放

駁船?？考巴瓿上鄳?yīng)的裝駁準(zhǔn)備后，即可進(jìn)行裝駁排泥管的下放工作。

4）疏浚裝駁

在挖巖裝駁過(guò)程中，應(yīng)明確各崗位職責(zé)，“天鯨號(hào)”及駁船均應(yīng)有專人負(fù)責(zé)監(jiān)控裝駁的進(jìn)度情況，并與控制臺(tái)保持聯(lián)系，當(dāng)駁船達(dá)到預(yù)期的裝駁量時(shí)應(yīng)及時(shí)通知駕駛臺(tái)停止裝駁。

在裝駁的過(guò)程中應(yīng)將另一側(cè)駁船靠泊完成，等待換駁連續(xù)施工，靠駁前須確認(rèn)裝駁管位于不影響靠泊作業(yè)的位置。當(dāng)靠泊完成后，在駁船裝載完成前將裝駁管下放至合適位置，以保持裝駁操作的連續(xù)性。

5）駁滿吹水、倒駁

當(dāng)一側(cè)駁船裝載完成后，應(yīng)進(jìn)行倒駁作業(yè)，在絞刀停轉(zhuǎn)、吹清水的狀況下，打開(kāi)空駁一側(cè)裝駁管的疏浚閘閥，關(guān)閉滿駁一側(cè)疏浚閘閥，待管路調(diào)整完成后，即可繼續(xù)進(jìn)行挖巖作業(yè)。

6）裝駁完成后排泥管的提升

每次裝駁完成后，應(yīng)先將裝駁管提升，再進(jìn)行駁船的離駁作業(yè)，以保證離駁過(guò)程中的安全操作，避免裝駁管對(duì)駁船的離駁造成安全隱患。

7）駁船的離泊

駁船在裝載完成后，待裝駁管提升完成，即可進(jìn)行離泊作業(yè)。

8）駁船拋泥后返航

駁船駛至拋泥區(qū)進(jìn)行拋泥，然后返航。

3.2 直接裝駁施工工藝

1）用重型挖巖絞刀進(jìn)行巖層開(kāi)挖，船舶開(kāi)啟水下泥泵施工，通過(guò)裝駁管路裝駁，配置最為適合的自航駁船拋泥，駁船數(shù)量應(yīng)根據(jù)船舶生產(chǎn)率、駁船實(shí)際裝艙量、拋泥距離和駁船航速估算，最低不能少于兩艘。

2）兩條自航駁船分別靠泊于“天鯨號(hào)”左右兩舷，可采用先裝一側(cè)駁船而后裝另1艘駁船的方式（即圖1的流程圖方式），也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用對(duì)兩條駁船同時(shí)進(jìn)行裝駁的方式。

3.3 駁船匹配

3.3.1 挖泥船的生產(chǎn)能力

“天鯨號(hào)”的生產(chǎn)能力可以通過(guò)以下兩種方式測(cè)算。

1）“天鯨號(hào)”船舶駕駛艙內(nèi)有挖泥控制系統(tǒng)，可以從中讀取施工過(guò)程中的泥漿流量和泥漿濃度，然后根據(jù)公式“生產(chǎn)能力=泥漿流量×泥漿濃度”計(jì)算得到“天鯨號(hào)”的生產(chǎn)能力[3]。

2）在試挖前后對(duì)試挖區(qū)域分別進(jìn)行浚前及浚后測(cè)量，使用兩次的測(cè)圖計(jì)算試挖工程量，再除以“天鯨號(hào)”的挖泥時(shí)間得到生產(chǎn)能力。

3.3.2 確定運(yùn)距

對(duì)于疏挖區(qū)和拋泥區(qū)都只有1個(gè)區(qū)的情況，運(yùn)距指疏挖區(qū)和拋泥區(qū)之間的直線距離。

當(dāng)疏挖區(qū)或拋泥區(qū)數(shù)量不止1個(gè)時(shí)，應(yīng)首先確定各疏挖區(qū)所對(duì)應(yīng)的拋泥區(qū)，并計(jì)算疏挖區(qū)和其所對(duì)應(yīng)的拋泥區(qū)之間的距離，然后結(jié)合施工方案確定駁船匹配時(shí)的運(yùn)距取值。對(duì)于分階段進(jìn)行施工的項(xiàng)目，需要分階段進(jìn)行配駁，各階段運(yùn)距確定方法同上。

3.3.3 計(jì)算配駁數(shù)量

計(jì)算配駁數(shù)量的主要步驟：

1）依據(jù)項(xiàng)目情況，確定運(yùn)距S；

2）通過(guò)測(cè)算，確定船舶疏挖巖石的生產(chǎn)能力Q；

3）根據(jù)駁船信息，確定駁船的實(shí)際裝載量q；

4）依據(jù)航區(qū)相關(guān)規(guī)定和駁船情況，確定運(yùn)輸過(guò)程中駁船的實(shí)際航速v；

3.4 直接裝駁存在的問(wèn)題

“天鯨號(hào)”在防城港施工初期，采用直接裝駁施工工藝，在施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題。

1）施工質(zhì)量難以保證

泥艙裝滿后，主要依靠艙頂漫流，流出的泥漿在駁船周圍擴(kuò)散，大部分沉淀于航道內(nèi)或已浚深至設(shè)計(jì)深度的邊坡上，對(duì)后期質(zhì)量驗(yàn)收帶來(lái)較大的影響，而且增加了重復(fù)清淤的成本。

2）對(duì)航道及周邊的水體污染大

采用直接裝駁，裝滿1艘2000m3駁船需要時(shí)間約3 h，而裝艙在8min后，即開(kāi)始艙頂漫流，泥漿的擴(kuò)散時(shí)間長(zhǎng)，擴(kuò)散的范圍大，并順著漲落潮流到其他施工區(qū)域，對(duì)海域水質(zhì)影響大。

3）安全風(fēng)險(xiǎn)大

防城港航道拓寬工程位于無(wú)掩護(hù)的外海，海況條件較差，由于駁船抗風(fēng)浪能力較弱，增加了安全風(fēng)險(xiǎn)，而且容易因駁船無(wú)法施工而導(dǎo)致挖泥船被迫停工。由于駁船靠船體一側(cè)，增加了“天鯨號(hào)”的寬度，對(duì)航道內(nèi)避讓也帶來(lái)一定的安全隱患。

為避免上述問(wèn)題，決定采用艉吹裝駁工藝施工。

4 艉吹裝駁工藝

“天鯨號(hào)”配備了艉吹裝置，可以通過(guò)排泥管線將疏浚物輸送到指定位置?？紤]到礁石類疏浚物輸送距離短，經(jīng)過(guò)分析研究，決定在工程區(qū)域附近海況較好的地點(diǎn)設(shè)置抓斗裝駁平臺(tái)，將疏浚物通過(guò)排泥管線輸送到抓斗裝駁平臺(tái)，并在裝駁平臺(tái)上設(shè)置裝駁架，駁船?？垦b駁平臺(tái)進(jìn)行裝駁作業(yè)。

4.1 艉吹裝駁布置

防城港航道東側(cè)艉吹施工平面布置見(jiàn)圖2。

圖2 航道東側(cè)艉吹施工平面布置圖Fig.2 layout of the stern discharge in the east side of channel

4.2 艉吹裝駁工藝流程

經(jīng)不斷改進(jìn)，形成“天鯨號(hào)”艉吹裝駁工藝，其工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 艉吹裝駁工藝流程圖Fig.3 Barge loading process flow diagram of stern discharge

4.3 艉吹裝駁施工工藝

1）駁船靠泊前，先通過(guò)抓斗的吊機(jī)將排泥鋼管上端起吊一定的高度，待駁船靠穩(wěn)后，吊機(jī)松纜，將排泥鋼管下放至裝駁架。

2）裝駁開(kāi)始后，可根據(jù)駁船吃水變化情況，通過(guò)抓斗吊機(jī)來(lái)調(diào)整管口距離駁船中已裝入泥漿液面的高度。

3）定位抓斗船和駁船采用前后端纜繩、系纜柱相對(duì)固定，為保證疏浚物在駁船泥艙內(nèi)分布較均勻，駁船通過(guò)松纜或緊纜改變與定位抓斗船的相對(duì)位置。

4）抓斗船通過(guò)絞錨改變與“天鯨號(hào)”的相對(duì)位置，調(diào)整位置時(shí)應(yīng)考慮前方水域水深、管線長(zhǎng)度、管線錨位置、管線方向與“天鯨號(hào)”施工中線的夾角等。

5）在完成1次裝駁作業(yè)循環(huán)后，按照1）～4）步驟進(jìn)入下一個(gè)裝駁循環(huán)。

4.4 艉吹裝駁工藝優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.4.1 優(yōu)點(diǎn)分析

1）施工質(zhì)量有保障

管口位置距離航道底邊線較遠(yuǎn)，減少了疏浚物對(duì)航道內(nèi)二次淤淺的可能，施工質(zhì)量有保證。

2）提高了“天鯨號(hào)”的時(shí)利率

裝駁作業(yè)移到了海況條件較好的區(qū)域，降低了因駁船無(wú)法施工造成的停工風(fēng)險(xiǎn)，提高了“天鯨號(hào)”的時(shí)利率。

3）降低安全風(fēng)險(xiǎn)

駁船靠離駁及裝駁作業(yè)移到了海況條件較好的區(qū)域，降低了駁船作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)；“天鯨號(hào)”兩側(cè)無(wú)靠泊駁船，在航道內(nèi)施工避讓風(fēng)險(xiǎn)減小。

4.4.2 缺點(diǎn)分析

1）管線占用水域較大

由于水上管線在航道內(nèi)處于漂浮狀態(tài)，占用水域范圍較大，并隨漲、落潮流擺動(dòng)，對(duì)于過(guò)往船舶存在礙航風(fēng)險(xiǎn)，施工時(shí)要做好警戒標(biāo)識(shí)，特別是夜間施工要設(shè)警示燈等。

2）對(duì)航道外側(cè)水深較淺區(qū)域適應(yīng)性差

部分區(qū)域因水深過(guò)淺，不滿足抓斗船及配套駁船吃水要求，采用艉吹裝駁方式適用性較差。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)“天鯨號(hào)”在防城港航道拓寬工程進(jìn)行挖巖施工的調(diào)研分析，得出以下結(jié)論。

1）重型絞吸船在進(jìn)行挖巖施工時(shí)依據(jù)不同工況可選擇直接裝駁工藝或艉吹裝駁工藝。

2）直接裝駁工藝適用于風(fēng)浪條件好、環(huán)保要求低、疏挖區(qū)底高程要求不高的工況條件。

3）當(dāng)風(fēng)浪大駁船難以停靠時(shí)，采用直接裝駁將影響施工的正常進(jìn)行，適合選擇艉吹裝駁工藝。而溢流大會(huì)造成疏挖區(qū)回淤時(shí)，采用艉吹裝駁工藝為宜。

4）當(dāng)工程區(qū)為正在使用的航道時(shí)，采用直接裝駁工藝會(huì)增大施工避讓風(fēng)險(xiǎn)，建議采用艉吹裝駁工藝。

[1] 姚建偉，楊啟.基于巖石切削理論的超大型絞吸挖泥船絞刀動(dòng)載荷分析[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2011（1）：5-10.YAO Jian-wei，YANG Qi.Dynamic load analysis of the super cutter suction dredger cutter based on rock cutting theory[J].China Harbour Engineering，2011（1）：5-10.

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