航道工程密實粉砂挖掘關(guān)鍵技術(shù)分析

王東毫

摘 要：水運工程中在涉及到挖掘密實粉砂時，由于其開挖難度大、沉降速度慢、裝艙效果差，最佳的挖泥時間難以確定等特點，嚴(yán)重影響施工產(chǎn)能。而目前國內(nèi)外對挖掘密實粉砂的有效方法較少，多是僅針對挖掘濃度進行改進，并未改善粉砂的裝艙效果，船舶產(chǎn)能嚴(yán)重受限。本文結(jié)合具體工程實例，提出了利用重新篩選施工區(qū)、確定最佳裝艙時間、改進耙齒型式等措施提高挖掘密實粉砂的同時，改善裝艙效果。對今后類似的疏浚工程施工具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：航道工程 密實粉砂 挖掘工藝 關(guān)鍵技術(shù)

1.前言

隨著港口的大型化發(fā)展，所要求的通航水深越來越深，由于該地區(qū)工程量大、土質(zhì)復(fù)雜、施工干擾大等，疏浚施工進度受到影響，阻礙港口的建設(shè)速度。密實粉砂是航道工程施工中經(jīng)常遇到的地質(zhì)難題，但是耙吸船在挖掘密實粉砂時，由于其開挖難度大、沉降速度慢、裝艙效果差，最佳的挖泥時間難以確定等特點，嚴(yán)重影響施工產(chǎn)能。本文結(jié)合具體工程實例，對航道工程中的密實粉砂挖掘關(guān)鍵技術(shù)進行介紹。

2.概述

自航耙吸式挖泥船是以挖泥裝艙、航行、拋泥（吹填）為基本挖泥循環(huán)周期的一種疏浚用工程船舶。其針對不同的土質(zhì)與施工環(huán)境需要采用不同的施工方法以提高施工效率。但耙吸船在挖掘密實粉砂時，由于其開挖難度大、沉降速度慢、裝艙效果差，最佳的挖泥時間難以確定等特點，嚴(yán)重影響施工產(chǎn)能。特別是在深槽區(qū)域或封閉港區(qū)內(nèi)施工時，由于船舶采取環(huán)保型艙底溢流系統(tǒng)，溢流出艙的泥漿僅部分漂移出施工區(qū)，溢流效果較小，而其余粉砂再次沉降于施工區(qū)內(nèi)，重新沉積后體積膨脹，嚴(yán)重影響測量結(jié)果，甚至可能出現(xiàn)負(fù)方的現(xiàn)象，船舶施工效率極低。

3.影響密實粉砂施工效率的因素

3.1土質(zhì)變化

項目承建方一般通過鉆孔資料分析疏浚土質(zhì)性質(zhì)。但由于疏浚區(qū)域多屬于運營航道，鉆孔取樣不便或鉆孔間隔較長，使施工單位很難全面準(zhǔn)確地掌握施工區(qū)的土質(zhì)詳細(xì)分布，無法判斷土質(zhì)發(fā)生變化的分界線。因此，在人為給船舶劃分施工區(qū)時通常僅考慮了船舶艙容大小與施工里程的經(jīng)濟性，而忽略了土質(zhì)變化。經(jīng)常出現(xiàn)一個施工區(qū)土質(zhì)分布變化較大的現(xiàn)象，而耙吸船一個周期內(nèi)通常沿用一種挖掘工藝進行施工，很可能出現(xiàn)浚挖土質(zhì)與施工工藝不匹配的情況。而對于密實粉砂而言，其密實程度嚴(yán)重影響挖掘效果，而針對浚挖密實粉砂的工藝改進又不適用于其他土質(zhì)。且如與其他土質(zhì)混合進艙，將對顆粒較細(xì)的密實性粉砂的裝艙效果造成巨大的影響，不利于工程的開展。

3.2挖掘困難

在《巖土工程勘察規(guī)范》中規(guī)定粒徑大于0.075mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量50%的土，應(yīng)定名為粉砂，具有顆粒較小、顆粒少部分分散大部分膠結(jié)（稍加壓即能分散）、沒有塑性等性質(zhì)。

其密實度可以從物理指標(biāo)方面通過標(biāo)貫擊數(shù)、天然容重等判定，我們通常所說的密實粉砂，天然密度大于1.96t/m3，標(biāo)貫擊數(shù)大于30的粉砂（部分工程曾出現(xiàn)過標(biāo)貫擊數(shù)超過50的極密實粉砂）。

3.3粉砂裝艙效果極差

由于粉砂的顆粒很細(xì)小，通常在在0.075mm左右，沉降速度慢，且泥艙內(nèi)擾動較大，溢流損失嚴(yán)重，通常一個施工周期內(nèi)艙內(nèi)土方量僅為過泵量的20%-25%。耙吸船在沒有溢流效果的環(huán)境下施工，溢流出艙的土質(zhì)將再次沉積回施工槽內(nèi)，形成落淤，土質(zhì)膨脹造成廢方，土質(zhì)重復(fù)挖掘，效率低下。

4.新工藝方案的研究與確定

4.1重新劃分施工區(qū)

為改變施工區(qū)土質(zhì)變化較難判斷，多種土質(zhì)混合施工，嚴(yán)重影響密實粉砂裝艙效果的局面，我們決定重新劃分施工區(qū)，把密實粉砂劃入一個施工區(qū)內(nèi)，單獨施工。

方法是通過把前期船舶試挖數(shù)據(jù)導(dǎo)入自主設(shè)計的挖泥船分段參數(shù)統(tǒng)計程序，統(tǒng)計出不同區(qū)域在相同施工工藝下的平均施工參數(shù)，如密度、真空、流速、主機功率等，把數(shù)值相類似的區(qū)域進行合并，間接判斷出施工土質(zhì)的變化情況，總結(jié)歸納出土質(zhì)發(fā)生變化的里程位置。在其中篩選出密實粉砂區(qū)域，對施工段和挖掘航線進行合理分配，制定出針對性施工方案集中施工密實性粉砂，從而避免了不同土質(zhì)采用統(tǒng)一工藝的弊端，還減少了其他土質(zhì)對于密實性粉砂在艙內(nèi)沉降的影響，提高了施工效率。

4.2增加破土效果

針對密實性的粉砂浚挖，由于其密實度大、硬度高，存在破土困難、挖掘密度低、主機功率大的特點。曾出現(xiàn)過慣基數(shù)達(dá)到了50擊的情況，耙齒入土極其困難，即使入土后耙齒斷裂現(xiàn)象也相對嚴(yán)重，且由于需要的推進力較大油耗成本也相對較高。

在對密實粉砂區(qū)域耙齒磨損情況進行對比后發(fā)現(xiàn)，扁齒僅齒尖磨損，兩側(cè)基本完好，可見耙齒基本無法入土，所以磨損的僅為齒尖接觸處，而更換了尖齒后，同樣出現(xiàn)無法入土現(xiàn)象。之后采取尖齒隔一跳一的方式重新安裝，入土效果有所改善，但出現(xiàn)明顯的斷齒現(xiàn)象，單船挖掘1.5小時耙齒斷裂近三分之一，頻繁的補焊、修復(fù)嚴(yán)重影響了船舶的有效作業(yè)時間。

為此可以通過加設(shè)破土刃的方法改進耙齒入土困難及主機功率較大的問題：在常規(guī)耙齒的基礎(chǔ)上加裝了三角形破土刀刃，該破土刀刃先于耙齒入土，減小耙齒入土點的面積可以有效提高破土效果，降低了破土阻力，油耗和耙齒消耗數(shù)量也相對減少。

4.3耙齒監(jiān)控與優(yōu)化

利用船舶監(jiān)控系統(tǒng)，記錄施工航速、活動罩角度及主機推進功率三個參數(shù)，計算對應(yīng)的切削量，通過主機推進功率值的大小，判斷不同活動罩角度的切削力大小，進而尋求到耙齒較大入泥深度，較小推進功率的齒床最佳受力角度。

如主機儲備功率較大，仍有足夠功率供給推進裝置，則在耙頭本體位置加入公司自主設(shè)計的雙面犁齒（拆卸掉部分耐磨塊），提高挖掘濃度。

普通耙齒安裝在耙頭罩上，主要利用耙頭罩重量及液壓缸提供的壓力入土，而雙面犁齒安裝在耙頭本體原耐磨塊位置上，可利用耙頭本體的重量入土，增加了耙頭的破土能力。

4.4施工工藝的優(yōu)化

進行多參數(shù)分析，確定出各參數(shù)的最佳值，綜合確定施工工藝。在分析某個施工參數(shù)前，都要固化其它的施工參數(shù)，也就是邊界條件在相同的情況下，找出最優(yōu)的參數(shù)組合。比如：確定對地航速和密度、流速的關(guān)系，需要固化泥泵轉(zhuǎn)速、高壓沖水壓力、波補壓力等相關(guān)參數(shù)，這樣在認(rèn)為土質(zhì)變化不大的前提下確定出較好的對地 航速能產(chǎn)生較高的產(chǎn)量；同樣，如果接下來確定先前固化的泥泵轉(zhuǎn)速與密度、流速的關(guān)系，需要固化對地航速、高壓沖水壓力、波補壓力等相關(guān)參數(shù)。

4.5提高裝艙效果

由相關(guān)理論可知，密實性粉土在艙內(nèi)沉降效果較差，且極不穩(wěn)定，即使沉降后也極易被高流速泥漿所影響，所以在挖掘時應(yīng)盡量提高泥漿濃度，減少流速，并降低高流速泥漿對艙內(nèi)土質(zhì)的擾動，從而減少溢流損失。通過確定最佳裝艙時間，達(dá)到最大周期生產(chǎn)率。

5.結(jié)語

航道工程密實粉砂挖掘技術(shù)是當(dāng)前水運工程施工中的難點問題。為了能確保工程高質(zhì)、高效進行，采用了耙平器對淺區(qū)進行掃淺施工，利用其切削原理將淺區(qū)耙平，隨后利用耙吸船進行裝艙吹填作業(yè)，由于耙平器操作靈活，占用區(qū)域小等特點，取得了較好的掃淺效果，同時耙吸船的生產(chǎn)效率也有了明顯提高，對類似工程提供一定借鑒經(jīng)驗。

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