大型耙吸式挖泥船精挖施工工藝在航道工程中的應用研究

龍真健

摘要：在對深水航道進行疏浚施工的過程中，挖泥船具有無法被替代的作用，如何使超挖廢方的問題得到有效解決，自然成為人們關注的重點。文章由三部分內(nèi)容構成，首先系統(tǒng)地介紹了廣州港深水航道拓寬工程概況，其次分析了耙吸挖泥船的常用工藝，最后根據(jù)工程特點和需求，圍繞動態(tài)控制系統(tǒng)的應用展開討論，內(nèi)容涉及施工布置、數(shù)據(jù)對比等方面，供有關人員參考。

Abstract： In the process of dredging the deep water channel， the dredger plays an irreplaceable role. How to effectively solve the problem of over-excavating waste has naturally become the focus of people's attention. The article is composed of three parts. First， it systematically introduces the general situation of the Guangzhou Port deepwater channel widening project. Second， it analyzes the common technology of the trailing suction dredger. Finally， it discusses the application of the dynamic control system according to the characteristics and needs of the project. The construction layout， data comparison and other aspects are discussed for the reference of relevant personnel.

關鍵詞：精挖;定深開挖;自航耙吸挖泥船;航道工程

Key words： precision excavation;fixed depth excavation;self-propelled trailing suction dredger;waterway engineering

中圖分類號：U616+.21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0171-02

0? 引言

大型耙吸挖泥船的施工過程，較易受到地質、潮位、工藝等因素的影響，從而出現(xiàn)為使竣工后水深與設計要求相符，增加開挖深度的情況，由此而引發(fā)的問題，主要表現(xiàn)在兩個方面：其一，施工效能降低，其二，資源被大量浪費。事實證明，對動態(tài)控制系統(tǒng)加以應用可以使上述問題得到有效解決，應當引起高度重視，本文所研究內(nèi)容的現(xiàn)實意義，自然不言而喻。

1? 工程概況

疏浚行業(yè)的服務對象，正由港口建設向其他領域進行拓展，這也給該行業(yè)帶來了全新的挑戰(zhàn)和機遇。本文所討論工程是珠江口伶仃洋開展的廣州港深水航道拓寬工程，施工內(nèi)容是以現(xiàn)有航道為基礎，對其進行拓寬，將航道寬度由243m變?yōu)?85m，挖槽寬度也由235m～239m變?yōu)?79.4m～381m，設計水深是-17m。其施工范圍如下：南起位于珠江口隘洲島西側的水深區(qū)，北至位于廣州港南沙港區(qū)的龍穴島作業(yè)區(qū)[1]。伶仃航道、口門航道、大濠航道均在施工范圍內(nèi)。地理坐標是在21°59′N～22°38′N、113°40′～113°54′E之間。另外，在研究施工工藝的應用時，需要有關人員引起重視的部分，還包括工程Ⅳ標段的施工內(nèi)容，即：廣州港深水航道拓寬工程為伶仃航道24#浮以北，約8.2km長航段的航標工程、疏浚工程。

2? 耙吸挖泥船的施工工藝

耙吸挖泥船是備用吸泥裝置、挖掘機具的自航挖泥船，在進行挖泥作業(yè)時，將耙吸管置于河底，借助真空作用對泥漿進行吸入，待吸泥倉滿，在航行到拋泥區(qū)，將泥漿卸下、排出。部分挖泥船還具備吸出、吹填吸泥倉泥漿的功能。其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下方面：第一，航行性能良好，滿足自航、自載以及自卸的要求;第二，在航行的狀態(tài)下工作，定位需求低。在開挖或維護狹長、無掩護航道的過程中，使用頻率和開挖效率普遍較高。

正常情況下，可供自航耙吸挖泥船使用的工藝有三種，分別是吹填施工、裝艙施工和邊拋施工。其中，使用頻率較高的工藝為裝艙施工，該施工工藝的特點如下：進入開挖區(qū)域后，挖泥船將耙管及耙頭置于水下，當耙臂與彎管吸口對接完畢，將泥泵機啟動，耙頭深度以疏浚系統(tǒng)參數(shù)及傳感器參數(shù)深度，當時潮位作為綜合依據(jù)，將耙頭下降至挖掘泥面深度，保證耙管內(nèi)泥漿、清水，均能向舷外直接排出。泥漿濃度達到正常水平后，將艙閘閥打開，進行裝艙，隨著泥漿被大量吸入，低濃度泥漿通過溢流口溢出。對該施工工藝加以使用的重點是控制溢流時間，盡量增加泥艙的裝載量，再停泵起耙，完成運送、拋卸泥沙的作業(yè)[2]。在對本文所討論工程進行施工的過程中，有關人員以挖泥航速、施工區(qū)段的長度為依據(jù)，對溢流時間加以確定，在保證船舶裝艙量最大的前提下，將挖泥船次增加，提高施工效率。

3? 大型耙吸挖船精挖施工工藝的應用

耙吸挖泥船的工作方式是邊航行、邊疏浚，疏浚裝置是船體尾部、兩舷處安裝的耙頭。船的大小用艙容積表示。在實際施工的過程中，為保證開挖精度，有關人員提出了對動態(tài)控制系統(tǒng)加以應用的設想，所取得效果也十分顯著。

3.1 所需機具

在拓寬航道開始前，有關人員應以工況為依據(jù)，對施工所需機具加以確定。珠江口伶仃洋的水文特征，可以歸納為以下幾個方面：首先，徑流。若以年為單位展開調(diào)查，所獲數(shù)據(jù)表明珠江徑流的變化較小，較易受季節(jié)影響，出現(xiàn)分配不均的情況，前灘的單寬流量、平均流速，均明顯小于深槽。其次，余流。下泄河川徑流是余流的主要構成，余流方向、大小和泥沙運移的關系十分密切，表層余流的流向，往往呈現(xiàn)出偏南的特點，表層流速最大，逐漸遞減。再次，潮汐與潮流。作為不正規(guī)的半日潮代表，伶仃洋的特點，主要是無潮涌、潮差小。流向近似南北向，流速差異明顯。最后，泥沙。以年為單位進行統(tǒng)計，伶仃洋所進入懸沙約為3064萬噸/年，較大的海域面積、復雜的動力條件，均加劇了泥沙淤積的情況。本文所討論工程的標段疏浚土以淤泥、細砂混貝殼為主。

以上文所討論水文特征為依據(jù)，確定施工所用耙頭——沖刷型耙頭，具有高壓沖水的功能。利用沖刷型耙頭對細砂、淤泥進行開挖，可以使破土能力得到顯著提升。不同階段所適用耙齒的形狀，往往存在顯著差異，現(xiàn)有耙齒的形狀以尖齒、平齒為主，交替使用往往可以獲得事半功倍的效果。工程進入收尾階段，有關人員應用平齒對尖齒進行替代，增加耙齒密度，調(diào)整耙齒的排列方法，由平行排列變?yōu)榻诲e排列[3]。事實證明，這樣做既可以避免出現(xiàn)壟溝現(xiàn)象，還能夠強化基槽表面的平整度，使淺點得到更好掃除。另外，疏浚區(qū)的泥層，應開挖1m～2m厚，開挖厚度的平均值以1.5m為最佳，泥層相對較薄。將下耙精度提高，可以使工程廢方開挖得到顯著減少，在保證施工質量的基礎上，縮短工期，提高效益。

3.2 動態(tài)控制系統(tǒng)

3.2.1 原理

作為常用測量方法，動態(tài)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢，主要是其更加適應野外的環(huán)境，所獲得測量結果的精度也更高，通?？梢赃_到厘米級。動態(tài)控制系統(tǒng)以載波相位的動態(tài)查分技術為核心，作業(yè)效率因此而得到提高。近幾年，趨于成熟的水深測量技術被應用在諸多領域，其中，最具代表性的領域就是實時潮位控制，基本原理如下：根據(jù)已知控制點提供的信息，將基站設置在岸上，再將移動站設置在船舶上，結合已知參數(shù)、高程數(shù)據(jù)，對實地高程和實時高程進行計算，確定設計高程和水面高程的差距，為下耙深度的計算提供參考。

3.2.2 施工布置

定位控制網(wǎng)和水深測量保持同步，二者共用基站。利用控制點，對施工控制網(wǎng)進行覆蓋，將基站架設在與施工區(qū)距離較近的區(qū)域，作為施工定位基站，這樣做可以使設備兼容的問題得到有效解決。在駕駛臺外部的中間區(qū)域對移動站進行布置，能夠將船舶擺動所帶來的影響降到最低，數(shù)據(jù)采集準確性，自然會得到提升。

3.2.3 數(shù)據(jù)對比

出于對計算所得高程差精確性加以驗證的考慮，對船上移動站、潮位觀察站進行設立，比對收集所得數(shù)據(jù)，得出最終結論。在開展此項工作時，有關人員應對現(xiàn)場條件、疏浚區(qū)的離岸距離進行綜合考慮，確定能夠為移動站數(shù)據(jù)提供對比的觀測站具體位置。

3.2.4 精挖動態(tài)管理

以疏浚水深的測量圖紙為依據(jù)，開展精挖動態(tài)管理工作，參考施工區(qū)寬度、泥層厚度，完成分條、分層施工的任務，對于起伏大、泥層厚度不均的區(qū)域，相關人員可以選擇對下耙深度進行動態(tài)控制，保證挖深效果符合預期。在此基礎上，綜合考慮設計斷面要求、船舶性能，對分層開挖的方案加以確定，加大對浚后平整度進行控制的力度。另外，在控制耙吸式挖泥船時，有關人員應重點提升控制的精細水平，保證工程與驗收標準符合，通過減少廢方開挖的方式，避免超寬、超深現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.3 多波速測量

多波速測量系統(tǒng)現(xiàn)已在水深測量、水底地形勘測領域得到了廣泛應用，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在三個方面，首先，具有良好的密度和精度，其次，覆蓋面積大，最后，可以對所測水底地形進行客觀反映。傳統(tǒng)的單波速測量，不僅方式固定，而且僅能對換能器下方水深進行測量，如果所測水底的地形較為特殊，測量精度也難以得到保證[4]。覆蓋面更寬的多波速測量，可以使測量效率得到顯著提高。本文所探究工程的特點，主要是風浪天氣多，施工區(qū)域大，質量要求嚴格。對測量效率進行提高，可以使疏浚開挖的質量得到保證。對傳統(tǒng)方法加以應用，雖然可以反復調(diào)整方案，卻仍然無法使施工需要得到最大程度的滿足，因此，應用可以對船舶精挖控制提供精準指導的多波速測量，具有突出的現(xiàn)實意義。

3.4 施工質量保障措施

3.4.1 準備階段

首先，全面了解現(xiàn)有工藝，結合珠江口伶仃洋的特點，比選所制定方案，在保證施工質量的基礎上，縮短工期;其次，前往施工現(xiàn)場展開調(diào)研，調(diào)整所制定方案，對圖紙會審、技術交底等工作引起重視;再次，由于精挖施工對挖泥船等設備的依賴性較強，因此，在施工正式開始前，有關人員應對設備進行檢查，避免由于設備存在問題，導致工期延長;最后，校準測量設備與系統(tǒng)，增強可靠性。

3.4.2 施工階段

其一，以行業(yè)、項目規(guī)程為依據(jù)，按部就班完成施工;其二，綜合自檢、專檢、互檢等檢測方式，在條件允許的范圍內(nèi)，盡量增加檢測頻率;其三，對于重點工序，應將施工方案的制定，交由總工程師完成，在專項交底的基礎上，通過全程監(jiān)控的方式，將出現(xiàn)問題的幾率降到最低;其四，選派專人對施工文件進行管理，保證文件內(nèi)容規(guī)范、真實且有效。

3.4.3 竣工階段

首先，制定驗收計劃，通過預驗收的方式，為遺留問題預留出充足的整改時間，使其所帶來影響被降到最低;其次，按照有關規(guī)定，整理并歸檔竣工資料;最后，履行所作出質量承諾，保證項目能夠帶來應有的經(jīng)濟效益與社會效益。

4? 結論

綜上所述，耙吸挖泥船的作業(yè)效果若需達到精挖，關鍵是對動態(tài)控制系統(tǒng)加以應用，事實證明，合理使用該系統(tǒng)不僅可以提高作業(yè)的自動化水平與精度，還能夠提高作業(yè)的質量及效率，疏浚超標、深度不足等問題自然也會得到有效解決。希望文中討論的內(nèi)容可以在某些方面給人以啟發(fā)，為相關作業(yè)的開展奠定基礎。

參考文獻：

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[3]逯新星，魏建峰，陳少軍.大型耙吸式挖泥船泥艙格柵設計與裝艙溢流損失探討[J].中國港灣建設，2018，38（10）：65-69.

[4]呂玉棋.港口航道疏浚工程中耙吸挖泥船駕駛技術對施工影響分析[J].航海，2020（01）：31-34.