抓斗挖泥船疏浚工藝研究與設(shè)計(jì)＊

鄒 晟 李竹森 肖漢斌 路世青

（武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063） （營(yíng)口港集團(tuán)股份有限公司固機(jī)分公司 營(yíng)口 115000）

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的挖泥船型式有絞吸式，斗輪式，鏈斗式，鏟斗式，抓斗式等.抓斗式挖泥船主要是用于挖取海底各種淤泥、泥砂、礫石、碎石、巨石等物料，也可以用于航道疏浚、碼頭施工和海床工程的挖掘［1］.

抓斗挖泥船運(yùn)用抓斗的自身重力作用，使抓斗能夠下降插入水下泥層，通過(guò)抓斗的閉合，來(lái)挖掘泥沙.相對(duì)于其他挖泥船而言，抓斗挖泥船具有挖深大、對(duì)泥沙適應(yīng)性強(qiáng)、挖掘量大的特點(diǎn).同時(shí)，鋼樁式抓斗挖泥船擯棄了靠拋纜定位的繁瑣做法，采用定位樁定位的方式，既提高了定位精度和生產(chǎn)效率，又降低了對(duì)航道其他船只的通航影響［2］.

但是，隨著鋼樁式抓斗挖泥船的技術(shù)不斷進(jìn)步，抓斗挖泥船的挖掘量逐漸增大，挖掘精度逐漸提高，疏浚抓斗平挖研究［3］的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的抓斗挖泥船的疏浚工藝已經(jīng)跟不上挖泥船技術(shù)的發(fā)展.

本文結(jié)合近年來(lái)有關(guān)抓斗挖泥船疏浚工藝的案例，總結(jié)出鋼樁式抓斗挖泥船的施工工藝.同時(shí)將其應(yīng)用于曹妃甸區(qū)航道施工中，設(shè)計(jì)出合理的施工工藝.最后，對(duì)于施工工藝中的優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行探討.

1 挖槽主要尺寸設(shè)計(jì)

底標(biāo)高指設(shè)計(jì)基準(zhǔn)與挖槽設(shè)計(jì)底平面之間的距離，底寬指挖槽設(shè)計(jì)底平面的寬度.如圖1所示，挖槽的底標(biāo)高和底寬為挖槽橫斷面梯形的高和底.它們的尺寸很大程度上決定了疏浚的工程量.

圖1 挖槽底寬和底標(biāo)高示意圖

為了提高挖槽的穩(wěn)定性，邊坡的設(shè)計(jì)是必不可少的.表1所列為各種土質(zhì)的設(shè)計(jì)邊坡坡比［4］.

表1 各類土質(zhì)設(shè)計(jì)的水下邊坡

由于抓斗形狀的限制，其所挖掘邊坡不能成為理想平面，所以只能采用分層開(kāi)挖的方法，依靠自然坍塌最終形成邊坡.圖2所示為開(kāi)挖斷面示意圖.

圖2 航道疏浚開(kāi)挖斷面示意圖

圖2中，Δd－超寬量，m；c－超挖面積，m2；q－欠挖面積，m2

通常情況下，為保持挖槽邊線能達(dá)到要求的深度，而挖泥船對(duì)邊線導(dǎo)標(biāo)和操作上又必然會(huì)出現(xiàn)偏差，也只能超過(guò)挖槽的邊線進(jìn)行施工，即超寬.竣工驗(yàn)收時(shí)在施工區(qū)域內(nèi)是不允許出現(xiàn)淺點(diǎn)的，由于船舶施工誤差引起，疏浚工程方量的計(jì)算都要計(jì)算一定的超深.達(dá)不到要求，質(zhì)量不合格；超出太多，疏浚成本增大.為了滿足這一點(diǎn)，抓斗挖泥船只能超過(guò)設(shè)計(jì)深度進(jìn)行施工.但是隨著定位技術(shù)的發(fā)展以及抓斗平挖技術(shù)的應(yīng)用，挖掘精度有了很大的提高，過(guò)去的一些超寬超深規(guī)范也需要做相應(yīng)調(diào)整.

2 常用挖掘方法介紹

2.1 一般挖泥法

抓斗挖泥船一般采取縱挖式（即沿航道方向）施工，根據(jù)不同施工條件可分為順流挖泥、逆流挖泥、分條挖泥、分段挖泥、分層挖泥等方法：（1）一般情況下，抓斗挖泥船宜采用順流開(kāi)挖，主要是防止抓斗與船體發(fā)生碰撞.流速不大或有往復(fù)潮流的地區(qū)采用逆流施工；（2）當(dāng)設(shè)計(jì)挖槽寬度大于挖泥船有效挖寬時(shí)采用分條挖泥法.其分條原則是中央向兩側(cè)分條，每相鄰2條有重疊從而防止漏挖，分條最大寬度不得大于挖泥機(jī)有效工作半徑；（3）泥層厚度大于挖泥船抓斗最大挖深時(shí)采用分層挖泥法.分層原則是上層宜厚、下層宜薄從而提高挖泥功效保證疏浚質(zhì)量；（4）挖槽長(zhǎng)度超過(guò)挖泥船一次拋設(shè)主錨所能開(kāi)挖長(zhǎng)度時(shí)進(jìn)行分段施工.分段長(zhǎng)度易取60～70m［5］.

2.2 梅花形挖泥法

對(duì)于土質(zhì)松軟，泥層厚度不大的情況，為了提高工作效率，又能保證工程質(zhì)量，多采用梅花形挖泥方法，即斗與斗之間留有一定的間隔，使所挖的泥面呈梅花形的土坑，如圖3所示.在實(shí)際施工中，根據(jù)水流的大小及圖紙松軟情況，合理確定斗與斗之間的間距，并控制好開(kāi)挖深度［6］.

圖3 梅花挖泥法示意圖

2.3 頂灘挖泥法

淺灘短挖槽上、下游都受施工吃水限制，無(wú)法順岸線展布施工，都要采用頂灘挖泥法.利用高潮位分層向前搶挖出1條泥駁不致擱淺的挖槽落潮時(shí)，挖泥船移到起點(diǎn)開(kāi)挖，挖泥船與泥駁相互調(diào)檔，到高潮位時(shí)，繼續(xù)分層開(kāi)挖，待到再落潮，如不影響泥駁吃水，可繼續(xù)挖或挖下1層.如繼續(xù)挖泥會(huì)影響泥駁吃水，到挖泥船與泥駁互相調(diào)檔，循此法挖完為止.

2.4 留埂挖泥法

在水深條件許可時(shí)，挖泥進(jìn)關(guān)采取跳一關(guān)退一關(guān)依次前進(jìn)的方法，稱謂留埂挖泥法.即挖完第一關(guān)進(jìn)到第三關(guān)，挖完第三關(guān)，退到第二關(guān)，挖完第二關(guān)跳到第五關(guān).這種挖法，當(dāng)挖去第一、三、五關(guān)后留下的二、四關(guān)即為土埂，容易抓挖，如圖4所示.

圖4 留埂挖泥法示意圖

2.5 邊坡挖掘

抓斗挖泥船不能像絞吸式挖泥船一樣，通過(guò)司機(jī)的操作挖掘出較為平整的邊坡，所以只能采取分層開(kāi)挖的方法，依靠水流影響自然坍塌最終形成邊坡.臺(tái)階的開(kāi)挖高度宜在1.0～2.5m.邊坡的挖掘既要考慮超寬值，又要考慮抓斗對(duì)于疏浚土巖的適應(yīng)，所以越往下挖掘深度越小，并且超挖的高度應(yīng)該大于欠挖高度；為了挖掘方便，臺(tái)階的分層最好與主體疏浚分層大致相同.具體數(shù)據(jù)需要計(jì)算得到.

3 曹妃甸區(qū)航道施工工藝設(shè)計(jì)

3.1 曹妃甸區(qū)海床介紹

曹妃甸區(qū)海床如圖5所示，其最大水深為16m，原始邊坡比約為1∶3，海床較為平整.

圖5 曹妃甸區(qū)海床圖

3.2 挖槽尺寸及施工設(shè)備介紹

設(shè)計(jì)挖掘深度為20m，設(shè)計(jì)挖槽底寬為1 200m，邊坡比為1∶5，疏浚長(zhǎng)度為3 000m.選海床一典型橫截面與設(shè)計(jì)挖槽橫斷面比較，如圖6所示.

圖6 設(shè)計(jì)挖槽截面圖

挖泥船采用上海航道局的“新海蚌”號(hào)鋼樁式挖泥船，其性能參數(shù)如下：寬24m，總長(zhǎng)65.8m，型深4.8m，配備18m3抓斗，斗寬2 732mm，最大開(kāi)度7 533mm，沉挖最大深度1.7m，定深挖最大深度1.5m，平挖最大深度1.5m.挖泥機(jī)臂架一般以固定幅度22m施工.

3.3 疏浚工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)航道土質(zhì)情況，上層土質(zhì)較為松軟，下層土質(zhì)較為密實(shí)，故采用分層開(kāi)挖法.總共分為5層，自上而下厚度為5，5，4，3，3m.邊坡采用階梯挖掘，臺(tái)階的開(kāi)挖高度宜在1.0～2.5m，為了使邊坡階梯盡量與分層保持一致，所采用階梯高度分別為2.5，2，1.5m，如圖7所示.

圖7 邊坡階梯挖掘示意圖（單位：m）

3.3.1 第一層挖掘 采用分層開(kāi)挖法，上層泥土較為松散，可以進(jìn)行大深度的挖掘.開(kāi)始進(jìn)行深度為5m的挖掘.挖掘方向?yàn)轫樍鞣较?為了保證抓斗一定的重斗率，分條寬度定為30m，如圖8所示.將分段長(zhǎng)度定為60m.確定航道的中心線，根據(jù)海圖在離航道中心線260m處布置挖泥船.

1）第一段挖掘 航道兩岸水深過(guò)小，挖泥船、泥駁不能正常工作，需要挖掘出挖泥船、泥駁工作的起始位置.

圖8 挖泥船分條寬度示意圖

進(jìn)行橫向（垂直于水流方向）挖掘，挖出1條縱向長(zhǎng)度為100m，橫向離設(shè)計(jì)邊線17.5m（考慮到階梯開(kāi)挖，如圖9所示，高度h為3.5m，乘以邊坡系數(shù)m為5，d＝h·m＝17.5m）的水槽，如圖10所示，陰影部分為所要挖掘區(qū)域.挖掘深度為5m的區(qū)域，可供挖泥船、泥駁航行.

圖9 邊坡分層挖掘

圖10 第一段挖掘示意圖

該操作可以采用吃水量小的挖泥船，分層進(jìn)行操作.或者采用自航抓斗挖泥船，可以將抓取的泥沙裝入自身的泥艙中.也可以利用該挖泥船橫向挖掘，首先挖出1條可供泥駁航行的區(qū)域，將所挖起的泥土放到挖泥船外側(cè)，在第二條挖掘時(shí)，將多余疏浚巖土重新抓起，裝入泥駁中.

2）后續(xù)挖掘 完成操作1）后，挖泥船有了挖掘的起始位置，可以按照正常情況進(jìn)行分段分條挖掘.

挖掘深度為5m，分3層挖掘.第一、二層采用沉挖，第三層采用定深挖.每段內(nèi)，采用分條挖掘法.排斗順序?yàn)閺睦锵蛲馀哦?，每相?斗間距為2m，抓斗單位轉(zhuǎn)動(dòng)角為5°（遵從重合為0.2，兩斗間距Δx＝mD·（1－S），其中mD為斗寬，S為重合度）.每次縱向移船距離為6m（依據(jù)挖泥船前移距一般取抓斗張開(kāi)寬度的0.7～0.8倍，在此取0.8）.第一層的挖掘主要是為了能夠挖出一條供挖泥船、泥駁自由通航，方便以后挖掘的航道.所以精度要求不高.但是挖到離邊線30m處時(shí)要注意挖掘的精度，這里挖掘會(huì)影響邊坡質(zhì)量.

邊坡挖掘質(zhì)量需要保證，先采用沉挖再采用定深挖.挖到離邊線5m處，挖深為2.5m，欠挖和超挖高度分別為1，1.5m.考慮到挖泥機(jī)的挖掘范圍有限，橫向最大挖掘長(zhǎng)度只有6m，可以考慮在岸上利用挖掘機(jī)進(jìn)行挖掘.

3.3.2 第二層挖掘 該層挖掘深度依然定為5 m，其挖掘方法與第一層挖掘方法不同，將采用嚴(yán)格地分段分條挖掘.第一、二層采用沉挖，第三層采用定深挖.排斗順序?yàn)閺睦锵蛲馀哦?，每相鄰兩斗間距為2m，抓斗單位轉(zhuǎn)動(dòng)角為5°；每次縱向移船距離為6m.挖掘下1條時(shí)，保持挖泥船內(nèi)側(cè)在分條邊線上，防止漏挖.第二層最終挖到離設(shè)計(jì)邊線42.5m處.

邊坡挖掘仍然先沉挖，后定深挖，挖掘深度為2.5m，欠挖和超挖高度分別為1，1.5m.

3.3.3 第三層挖掘 該層的深度定為4m.前兩層的挖掘主要是挖掘航道兩側(cè)，第三層的挖掘涉及到航道中央的挖掘，采用由中央向兩邊挖掘的分條方法.其挖掘方法與第二層挖掘方法相似，一直挖到設(shè)計(jì)邊線64m處.

邊坡挖掘先采用沉挖后采用定深挖，挖掘深度為2m，欠挖和超挖高度分別為0.8，1.2m.

3.3.4 第四層挖掘 該層的深度定為3m.其挖掘方法與第三層挖掘方法相似，分為兩層挖掘，第一層采用沉挖，第二層采用定深挖.一直挖掘到設(shè)計(jì)邊線80.5m處.

邊坡挖掘可直接采用定深挖，挖掘深度為1.5m，欠挖和超挖高度分別為0.6，0.9m.

3.3.5 第五層挖掘 這是最后一層.在一般的航道疏浚以及港口修建中，抓斗挖泥船以其靈活方便、對(duì)密實(shí)巖土具有很好的挖掘效果等特別得到廣泛應(yīng)用.但是在對(duì)平整度要求較高的場(chǎng)合，往往需要利用絞吸式挖泥船進(jìn)行最后的精挖，或者在抓斗上固定鋼板對(duì)海底進(jìn)行掃平作業(yè).這些操作延誤了疏浚工期、帶來(lái)了疏浚成本的增加.課題組設(shè)計(jì)的挖泥船具有自動(dòng)平挖功能，具有較高的平挖精度，既可以保證縮短疏浚工期又可以保證工程質(zhì)量.

該層的深度定為3m.先采用定深挖，再采用平挖.一直挖掘到設(shè)計(jì)邊線95.5m處.

邊坡挖掘可直接采用定深挖，挖掘深度為1.5m，欠挖和超挖高度分別為0.6，0.9m.

3.4 疏浚工程量計(jì)算

選取任意橫斷面進(jìn)行計(jì)算.

第x層挖掘所需要的斗數(shù)nx，其表達(dá)式為

式中：N為一次定位挖泥機(jī)的挖掘斗數(shù)，在本次設(shè)計(jì)中N＝19；d為設(shè)計(jì)分條寬度值，m；ax為第x層主平面開(kāi)始挖掘點(diǎn)與設(shè)計(jì)邊線之間距離，m；ax′為第x層主體挖掘終點(diǎn)與設(shè)計(jì)邊線之間的距離，m；mx1為第x層主平面挖掘時(shí)的分層數(shù)量；Δb為第x層邊坡階梯長(zhǎng)度，m；mx2為第x層挖掘時(shí)邊坡階梯分層數(shù)量.

結(jié)合本次工藝設(shè)計(jì)，可以計(jì)算出一個(gè)橫斷面內(nèi)，各層挖掘所需抓斗數(shù)為

則整個(gè)挖掘過(guò)程中所需要斗數(shù)nall為

式中：L為疏浚工程總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，m；l0為一次移船的縱向長(zhǎng)度，m.

本次設(shè)計(jì)中L＝3 000m，l0＝6m，故nall＝（3 000／6）×7 677＝3 838 500.

4 疏浚工藝中的優(yōu)化問(wèn)題

疏浚工程中存在很多需要優(yōu)化的地方，這里主要探討一次定位情況下，抓斗排斗數(shù)與分條寬度的關(guān)系，見(jiàn)圖11.

由圖11可見(jiàn)，臂架旋轉(zhuǎn)角度越大，抓斗挖掘的寬度越大，分條寬度既而增大.

圖11 排斗數(shù)與分條寬度示意圖

比較旋轉(zhuǎn)角度與分條寬度之間的關(guān)系，如圖12所示.

圖12 排斗幾何關(guān)系圖

圖中：α為臂架的旋轉(zhuǎn)角度（α＝n·α0，其中n為排斗數(shù)，α0為斗間夾角）；R為抓斗外延圓周軌跡的半徑；d為挖泥船縱向移船距離，它們均為已知量；x為抓斗交點(diǎn)與移船后圓心之間的距離；b為抓斗交點(diǎn)與原圓心連線的偏轉(zhuǎn)角.根據(jù)幾何關(guān)系可以得出以下方程組.

最后可以得出挖掘?qū)挾菳.

式中：B0為挖泥船中心至挖泥里側(cè)的距離.即確定排斗數(shù)與分條寬度的關(guān)系.

可以根據(jù)抓斗挖掘耗能和橫向移船能耗，進(jìn)行計(jì)算，得出最優(yōu)的排斗數(shù).已知B＝f（n），對(duì)于一個(gè)特定的挖掘?qū)挾萣，挖掘斗數(shù)為·（n＋n0），n0為挖泥船里側(cè)挖掘的斗數(shù)，移船數(shù)為－1.每斗挖掘耗能為w1，每次橫向移船耗能為w2，則總的耗能W 的表達(dá)式為

可求出相應(yīng)n值，使總耗能取最小值Wmin.

5 結(jié)束語(yǔ)

在總結(jié)目前挖泥船疏浚工藝的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析研究了鋼樁式抓斗挖泥船的疏浚工藝，針對(duì)曹妃甸區(qū)航道設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出了基于定深挖與平挖技術(shù)的疏浚方案，并且對(duì)抓斗排斗數(shù)與分條寬度的關(guān)系進(jìn)行探討.

本文研究結(jié)果可為新型鋼樁式抓斗挖泥船疏浚工藝設(shè)計(jì)提供一定參考.

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［3］肖漢斌，張永濤，路世青，等.疏浚抓斗平挖運(yùn)動(dòng)研究與仿真［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，37（3）：482－485.

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［5］王谷謙，于蘊(yùn)山，沈庚余.疏浚工程手冊(cè)［M］.上海：交通部上海航道局，1994.

［6］陳少鵬.抓斗挖泥船在沿海航道維護(hù)性疏浚中的質(zhì)量控制［J］.中國(guó)水運(yùn)，2011（6）：18