絞吸式挖泥船施工黏土混塊石防石設備的應用

孫芳淳

(中交天航濱海環(huán)保浚航工程有限公司，天津 300450)

隨著疏浚市場的發(fā)展，疏浚船舶特別是挖泥機具有了較大的改進。由于施工地域或深度不同，施工土質錯綜復雜，采用相應的船型或施工方法才能使疏浚船舶最大程度地發(fā)揮其產能。例如，對絞吸式挖泥船從絞刀形狀、材質以及絞刀齒等諸多方面進行了改進，使疏浚船舶生產率有了大幅度提高。近年來，天航局對在絞吸船的挖泥絞刀上加裝防石環(huán)[1]以及在刀臂焊接撥石板等碎石裝置[2]的研究和應用較多，并在實際應用過程中收到較好的效果。

黏土、塊石混合土作為一種特殊的疏浚土質，在我國疏浚工程中比較常見，特別是在渤海灣的東北地區(qū)。黏土混塊石土質因其黏性及塊石體積較大造成開挖及輸送困難，絞吸船在開挖該土質時，極易出現堵塞絞刀、吸口或泥泵等現象，致使絞刀設備磨損嚴重而且總排壓較大，濃度不穩(wěn)定，輸送困難，綜合生產率降低。因此，在參照現有方法的同時，對絞刀結構或吸口格柵間距進行調整和改造，取得很好的效果。

1 土質分析

1.1 土質分類

按照巖土分類規(guī)范和疏浚技術規(guī)范，巖土主要分為6大類。

0級土：有機質及泥漿；1～2級土：淤泥；3～6級土：黏土類,由軟到堅硬；7～10級土：砂土類，由松散到密實；11～13級土：碎石類，由松散到密實；14～15級土：巖石類，由弱到強。

其中第3類土中6級黏土，土質又黏又硬，若夾雜塊石將是較難疏浚的土質之一。黏土球見圖1。

1.2 土體物理力學指標

根據鲅魚圈港區(qū)《巖土工程勘察報告》中的室內試驗成果，得到淤泥黏土判定參數(表1)。

圖1 黏土球

表1 黏土判定指標

1.3 土質建模分析

根據土質鉆孔資料，將鉆孔點導入三維建模軟件，建立地形建模、土層建模和土層分析，見圖2。根據施工深度上的不同土質，將吹填區(qū)取得的實際土質與殘留在絞刀上的原狀土質進行核對，建立較為準確的土質檔案資料，便于進行施工分析。

圖2 土質三維模型

2 施工難點

“津航浚217”船在營口鲅魚圈港A港池施工黏土混塊石土質時，有以下技術難點：

1)挖掘困難，施工濃度較低；

2)絞刀、絞刀齒、齒座、絞刀錐體磨損嚴重；

3)堵塞絞刀，憋爆絞刀液壓油管現象時有發(fā)生；

4)堵塞絞刀吸口、泥泵頻繁，停車掏吸口、掏泥泵。

由圖3可以看出，絞刀、吸泥口、泥泵堵塞是影響絞吸船施工效率的主要因素，而防石裝置結構(吸入)、施工工藝是直接原因。

圖3 影響生產效率因素

2.1 絞刀堵塞

在施工黏土或絞刀吃泥量過大時，絞刀臂之間易被黏土堵塞(圖4)。在施工黏土混塊石等土質時，為提高疏浚船舶時間利用率和生產率，須加裝防石設備。黏土極易在防石設備之間產生“塞牙”的現象，特別是有塊石卡在絞刀防石環(huán)或格柵時，造成進泥間隙減小，黏土不能順利進入絞刀內腔吸口，逐漸產生堵塞絞刀的現象。隨著施工的繼續(xù)堵塞程度會逐漸增強，吸入真空逐漸增加，流速和產量降低，當真空加大到一定值時，產生“震車”現象，須停船掏絞刀、掏口掏泵，造成施工船舶停工，嚴重影響施工生產進度。

圖4 被黏土糊堵的絞刀

2.2 吸泥口及泥泵堵塞

絞刀吸口位于絞刀腔內部，在泥泵的作用下，絞刀吸口附近產生較大的吸入真空，形成一個以吸口為中心的吸入真空場，越靠近真空場中心吸力越大，促使進入絞刀腔內的黏土塊體順利進入吸口，不會在吸口處形成堵塞的現象。即使有塊石進入絞刀腔內，在吸口強大的吸力作用下，直徑小于格柵間隙的石塊將同黏土塊體一同進入吸管，較大的石塊仍將卡在格柵處，當格柵處石頭數量增多時也會造成吸泥口堵塞，見圖5a)，使船舶吸入真空加大，影響施工生產效率。此時，可采用停車、脫泵的簡易方法處理，使排泥管線內的部分泥漿回流，對格柵處的石塊進行沖刷，大部分石塊可脫離格柵，減少堵塞吸泥口頻次和掏口次數。賭塞嚴重時須人工掏口。

當吸口的格柵間距加大時，就會有較大直徑的塊石通過吸泥管進入泥泵，由于泥泵流道寬度有限，一般為300～350 mm，大于流道寬度的塊石就會卡在泥泵內，堵塞泥泵，須及時將塊石掏出，見圖5b)。否則，將影響泥泵正常運行和施工效率。

圖5 塊石堵塞吸泥口與堵泵

3 防石設備技術方案比選

根據格柵形狀焊接在吸泥口上的格柵防石裝置[3]可分為“川”字形防石格柵、“馬蹄”形防石格柵、“犬牙”形防石格柵以及“H”形格柵等。每種結構形式(圖6)的適用范圍及特點見表2。

表2 各種形式格柵優(yōu)、缺點對比

圖6 吸口格柵形式

4 吸口格柵設計與材料

格柵的設計形式須依情況而定：施工區(qū)石量不多時可以采用簡單的“川”字形和“H”形結構；反之，須考慮其他類型的格柵形式。格柵材料通常有2種，分別為φ50 mm圓鋼和30～35 mm厚的鋼板[4]。2種材料的格柵在實際施工中各有優(yōu)、缺點：

1)φ50 mm圓鋼所焊接的格柵[5]。優(yōu)點：牢固耐用，具有較強的抗沖擊性；可采用簡單的脫泵、泥漿回流等簡單手段處理，掏口簡單易行，影響施工時間短。缺點：迎面較寬，減小了吸口的有效面積，加大了泥漿進入吸口的阻力，影響施工生產率。

2)30～35 mm厚的鋼板格柵。優(yōu)點：迎面較小，對泥漿進入吸口的阻力影響較小，對黏土和塊石有一定的切削破碎作用；缺點：牢固性能較圓鋼略差，而且格柵卡上石塊不易被清除。

5 格柵間距對泥泵流道的影響

天航局“濱海3000”系列絞吸式挖泥船使用“川”字形格柵，施工時掏泵、掏口統(tǒng)計見表3。從表3可知，在流道寬度不變的情況下，格柵間距越小堵塞吸泥口的次數越多，堵泵的次數越少，反之亦然。

表3 “川”字形格柵性能指標

格柵間距設計的主要依據是泥泵的流道寬度，通過調整吸口隔柵的結構形式、間距和設置位置，使堵口及堵泵的清理時間基本保持平衡，以達到最佳的施工效果。由圖7可以看出，格柵間距約為泥泵流道寬度的96%時為最佳平衡點。在實際施工過程中，還要綜合考慮施工區(qū)域的塊石儲量及黏土特性等因素對平衡點的影響。

圖7 不同格柵間距掏口、掏泵情況

6 挖泥施工操作要點

6.1 石塊集聚區(qū)施工方法

在現場實際施工過程中，由于各種原因，造成施工區(qū)域散落大量塊石，有些是相對集中的，例如，原防波堤拆除后的殘留等都可能產生塊石集聚區(qū)。建議施工時通過上層施工將石塊集中區(qū)域探明，最后集中施工，以利于施工生產率的發(fā)揮。石塊集中區(qū)域施工通常采取以下方法。

1)石塊集聚區(qū)范圍不很大時可以在石塊區(qū)域旁邊挖坑將石塊填埋。此方法簡單易行，成本較低，適用于港池施工，適合沒有超深要求的工程。

2)當石塊集聚區(qū)范圍較大時，可以采用抓斗船進行清抓施工。此方法成本較高，但可行性強，無遺留問題。

6.2 分層施工

要盡量減少分層施工，特別是最后質量層施工時須考慮一定量的超深，確保一次成槽。因為絞吸船無法清除較大直徑的塊石，在每層施工時都將被挖到并影響施工，分層越多被堵口的頻率越大，影響施工的時間越長。

7 案例分析

7.1 營口港鲅魚圈A港池疏浚工程

“津航浚217”船在遼寧鲅魚圈港區(qū)A港池施工。挖泥深度從-18～-12 m，主要土質為6級粉質黏土，土質硬、黏性大且夾雜著石塊。起初施工時絞刀吸口是傳統(tǒng)的防石網結構，防石網網格之間空隙較小，當黏土被切入后，由于土體黏性極強、易成形，很難順利通過防石網，特別是當部分塊石卡在防石網上時，黏土將絞刀很快堵塞，導致吸泥量降低，絞刀負荷不均勻，電流起伏較大，絞刀挖掘能力下降，造成絞刀電機負荷增大，清理絞刀和維護電機的時間加長，大大影響船舶生產率和時利率的發(fā)揮。根據以往經驗，如果完全去掉防石網，不采取任何措施，泥土雖然會很容易進入吸口，但是由于施工區(qū)石塊較多，泥土較易進入的同時石塊也很輕易地進入吸口并將水下泵堵死，同樣要造成停工，進行掏泵作業(yè)。

為了減少堵口堵泵的現象，應去掉防石網在絞刀吸口處加焊隔柵，使泥土通過絞刀的切削，進入吸口的流通空間加大，便于水土混合，泥土和較小的石塊很容易進入吸口。該方法效果明顯，堵口現象明顯減少，大幅提高了時間利用率，使施工生產率由改造前的350 m3/h提高至改造后的460 m3/h，增幅24%。

7.2 天津臨港產業(yè)區(qū)北港池東側堤岸加固及港池整治海洋工程

2012年，“天吉”船施工臨港產業(yè)區(qū)北港池東側堤岸加固及港池整治海洋工程一標段進入下層施工階段，施工深度范圍為-15.5～-12.0 m，施工土質為6級粉黏土，內含砂土，硬度較大，夾雜塊石。在剛剛進入下層施工時，該船施工時吸入真空較大，施工濃度較低(10%～15%)，平均生產率為750～950 m3/h。天津地區(qū)絕大部分土質為淤泥質亞黏土，上層土質以2～3級土為主，但下層土質變化較大，特別是-15～-12 m之間為6級黏土，硬度較大，在原狀土情況下，破土較為困難。每次起升絞刀時均有堵絞刀的現象發(fā)生，特別是有塊石卡在防石環(huán)上時，堵塞更快。為此，及時將防石環(huán)割除，防止塊石進入泥泵影響施工，在絞刀吸口加格柵，結果平均生產率大幅提升至1 500 m3/h，扭轉了工程面臨虧損的形勢。

8 結語

1)該方法主要適用于絞吸式挖泥船施工黏土及亞黏土夾雜塊石的土質工況，特別適用于砂性亞黏土夾雜塊石的土質。

2)吸口及泥泵堵塞的程度取決于格柵形式及間距。根據工程土質特點和雜物類型，選擇和調整格柵形式和間距，使掏泵時長與掏口時長接近為最佳。

3)絞刀吸口堵口時要及時清理、以免影響施工效率、增加施工成本。

4)當黏土硬度較大時，絞刀切削厚度不宜過大。黏度較大時不宜使用防石網。