大型絞吸船吹填淺薄砂層施工技術(shù)研究

吳松華，孫安

（1.中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江寧波 315200；2.中交上航（福建）交通建設(shè)工程有限公司，福建廈門 361028）

0 引言

隨著船舶技術(shù)的發(fā)展，絞吸挖泥船的生產(chǎn)能力得到大幅度提升，主流絞吸船的生產(chǎn)能力已達(dá)到3 500 m3/h及以上，管線直徑達(dá)到850 mm以上，泥漿流速可達(dá)6.5 m/s，在吹填工程中效用顯著。楊關(guān)信[1]首次將大功率絞吸船應(yīng)用于防波堤砂墊層吹填施工。曾群等[2]采用小型絞吸船，用于吹填砂筑堤。高偉等[3]總結(jié)了絞吸船施工存在的普遍問(wèn)題，并提出了解決措施。劉美榮等[4]從減小泥泵汽蝕的角度，提出絞吸船吹填細(xì)粉砂時(shí)，應(yīng)采用低流速、高濃度施工方法。徐玉華等[5]分析了絞吸船施工與柴油機(jī)和泥泵工況、管路特性及操作措施的關(guān)系。蘇文廣[6]通過(guò)改造排泥管線，將大型絞吸船應(yīng)用于袋裝砂圍堤吹填施工。錢柚鋼等[7]利用絞吸挖泥船吹砂分層修筑圍區(qū)子堰，主要為吹填3 m以上厚度的殘積砂質(zhì)粉質(zhì)黏土和中粗砂。竇碩等[8]選取小型絞吸式挖泥船，使用無(wú)圍堰開敞式吹填珊瑚砂施工。

某回填工程采取先筑堤，再進(jìn)行場(chǎng)地吹泥及軟基處理等后續(xù)施工，施工工藝為“吹泥+軟基處理+砂墊層”，圍堤斷面寬度為60 m左右，吹填砂厚度只有1 m。采用3 500 m3/h絞吸船+850 mm大口徑管線進(jìn)行圍堤及陸域形成吹填砂施工時(shí)，存在以下問(wèn)題：吹砂管出砂口擴(kuò)散半徑達(dá)90 m，圍堤吹砂斷面無(wú)法有效控制，吹填砂流失大；場(chǎng)地內(nèi)吹填砂厚度較薄，接管頻繁，絞吸船功效降低；接管、移位容易在吹填區(qū)形成沙坑或沙堆，吹填面平整度、標(biāo)高控制差，機(jī)械整平費(fèi)用高。研究改用3 500 m3/h絞吸船+大口徑主管線（850 mm鐵管）+轉(zhuǎn)換裝置（五通）+多個(gè)分支的小口徑管線（450 mmPE管）進(jìn)行淺薄砂層及圍堤吹砂的可行性。

1 轉(zhuǎn)換裝置——五通的設(shè)計(jì)及選用

轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)及選用主要考慮以下方面：1）要能夠把大口徑主管和小口徑支管進(jìn)行密切連接；2）在主管、支管管徑一定的條件下，選擇合理的分支個(gè)數(shù)；3）為了達(dá)到減少絞吸船吹砂過(guò)程中停工拆接管線的時(shí)間，提高吹砂效率的目的，要在轉(zhuǎn)換裝置每個(gè)支管連接處設(shè)置一個(gè)獨(dú)立閘閥；4）要盡量減少水頭損失。

工程前期在對(duì)較厚砂層施工過(guò)程中一直采用850 mm鐵管，因此本研究仍采用該管線做為主管線。通過(guò)對(duì)市場(chǎng)的調(diào)查，結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，決定選用市面上使用較多的450 mmPE管（聚乙烯）作為支管線。由此計(jì)算得出：直徑850 mm的主管線截面面積S1=0.567 m2，直徑450 mm的支管線截面面積S2=0.159 m2，S1衣S2=3.56。

因此在暫不考慮水頭損失的情況下，轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)至少保證3根支管線同時(shí)施工才能確保絞吸船的施工效率和船舶各類設(shè)備工作狀態(tài)不產(chǎn)生較大改變。為了達(dá)到增加轉(zhuǎn)換裝置后，減少絞吸船停工拆接管線時(shí)間，提高船舶吹砂效率的目的，還需配備更多的支管線進(jìn)行交替施工。綜合以上考慮決定將轉(zhuǎn)換裝置設(shè)置為五通，見(jiàn)圖1。

圖1 五通場(chǎng)地內(nèi)吹砂Fig.1 Sand blowing in five way pipe

2 支管開啟數(shù)量和鋪設(shè)長(zhǎng)度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)吹砂施工記錄，在主管線長(zhǎng)1 760 m、吹填細(xì)砂工況下，得到主管內(nèi)流速在支管線延長(zhǎng)和開啟不同數(shù)量支管情況下的變化規(guī)律，見(jiàn)圖2。

圖2 支管線長(zhǎng)度與主管流速變化規(guī)律曲線Fig.2 Curve of branch pipe length and main pipe velocity

由圖2可看出，當(dāng)采用1或者2根支管吹砂時(shí)，支管延伸長(zhǎng)度超過(guò)100 m后流速降到4 m/s以下，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)極易發(fā)生堵管現(xiàn)象。當(dāng)開啟4或者5根支管線時(shí)，為了維持主管流速，絞吸船泥泵需超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)絞吸船各類設(shè)備產(chǎn)生很大的損害。

為保持最優(yōu)施工狀態(tài)，以開啟3根支管線同時(shí)施工為宜，且支管線最大延伸長(zhǎng)度可達(dá)150 m。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 在狹長(zhǎng)圍堤吹砂施工中的應(yīng)用

對(duì)各種方案的實(shí)測(cè)斷面和設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，見(jiàn)表1。

表1 各方案吹砂圍堤斷面數(shù)據(jù)分析表Table 1 Analysis of section data of sand blowing cofferdam in each scheme

采用絞吸船+850 mm鐵管的施工工藝進(jìn)行吹砂，該施工方案由于采用絞吸船功率大，吹砂管徑粗，出砂口能量大，導(dǎo)致大量砂流失到設(shè)計(jì)斷面外，造成極大損失。吹砂厚度3 m的情況下，吹砂范圍達(dá)到180 m，遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)圍堤斷面寬度60 m，導(dǎo)致回填砂損失率達(dá)到33.12%，從經(jīng)濟(jì)效益上來(lái)說(shuō)是完全不可接受的。此外，該方案后期整平過(guò)程中需要投入大量整平、修坡機(jī)械，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和施工進(jìn)度都造成極為不利的影響。

采用絞吸船+五通裝置+450 mm的PE管進(jìn)行吹砂施工后，砂的流失量大幅減少，需回挖工程量也大幅減少，整平、修坡機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用明顯降低，但損失率仍較高。

對(duì)絞吸船+五通裝置+450 mm的PE管施工工藝進(jìn)一步改進(jìn)，將出砂口布置在圍堤軸線上，同時(shí)在出砂口位置布置挖機(jī)，在出砂口兩側(cè)與吹填砂進(jìn)度同步修筑臨時(shí)子埝起圍擋作用，抬高出砂管口位置回填砂的標(biāo)高，確保實(shí)際吹填工程量達(dá)到設(shè)計(jì)工程量。通過(guò)對(duì)吹砂口施工工藝改進(jìn)后，流失到設(shè)計(jì)斷面外的砂量極大減少。后期整平過(guò)程中，僅需要通過(guò)裝載機(jī)對(duì)超高部分轉(zhuǎn)運(yùn)推平，無(wú)需采用效率較低的挖機(jī)先進(jìn)行回挖，整平效率得到極大提高。雖然前期增加挖機(jī)的投入，但是減少了回填砂的損失和后期回挖過(guò)程中挖機(jī)的投入，經(jīng)濟(jì)效益仍得到很大提高。

3.2 在場(chǎng)地淺薄砂層吹砂施工中的應(yīng)用

同時(shí)開啟3根支管線進(jìn)行吹砂施工，當(dāng)支管線接長(zhǎng)達(dá)到150 m后進(jìn)行主管線延伸接長(zhǎng)。本研究所采用的支管線單根管長(zhǎng)14 m，在軟基處理砂墊層吹填1.5 m厚度的情況下，每3 h需要對(duì)支管線接管1次，經(jīng)過(guò)2~3 d支管線接長(zhǎng)度達(dá)到150 m左右，理論上絞吸船可以連續(xù)施工2~3 d，只有當(dāng)主管線需要拆卸、接長(zhǎng)時(shí)，絞吸船才需要停工接管，這就極大地延長(zhǎng)了絞吸船作業(yè)時(shí)間，提高吹砂施工效率。

根據(jù)絞吸船船舶報(bào)表，五通吹砂和單管吹砂生產(chǎn)率相差約200 m3/h?？紤]拆接管線對(duì)絞吸船停工產(chǎn)生的影響，采用五通吹砂每天理論吹砂時(shí)間可以達(dá)到21 h，而采用單管吹砂每天理論吹砂時(shí)間只有14 h。采用五通吹砂產(chǎn)量比單管吹砂產(chǎn)量多1萬(wàn)m3/d左右。

4 操作要點(diǎn)

吹砂工藝流程為：運(yùn)砂船向儲(chǔ)砂坑拋砂寅絞吸船從儲(chǔ)砂坑吸砂寅850 mm主管線輸砂寅五通分流寅450 mm支管線輸砂寅吹填到指定位置和標(biāo)高。與傳統(tǒng)絞吸船吹砂的主要區(qū)別就在于增加了1個(gè)五通裝置和支管線。

1）為保證絞吸船在有效施工排距范圍內(nèi)，在穩(wěn)定的施工狀態(tài)和額定功率下，能夠維持足夠的流速不發(fā)生堵管現(xiàn)象，根據(jù)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，在正常施工條件下應(yīng)保持3根支管線同時(shí)進(jìn)行吹砂施工，其余2根支管線處于關(guān)閉狀態(tài)備用。當(dāng)3根正在施工的管線中某1根管線吹填標(biāo)高到位后將該支管線的閥門關(guān)閉，進(jìn)行拆接支管線作業(yè)，同時(shí)將1根備用支管線的閥門打開，繼續(xù)保持3根支管線同時(shí)施工作業(yè)。

2）受水頭損失的影響，當(dāng)支管線接伸長(zhǎng)度達(dá)到一定長(zhǎng)度后，如果繼續(xù)延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致水頭損失增大、主管流速降低，容易發(fā)生堵管現(xiàn)象。因此在這個(gè)時(shí)候需要絞吸船暫時(shí)停工，對(duì)主管線進(jìn)行接伸延長(zhǎng)，此后再連接五通和支管線繼續(xù)下一個(gè)循環(huán)的施工作業(yè)。

3）采用五通吹砂后，由于多個(gè)支管線要輪流拆接，管線班組的工作強(qiáng)度會(huì)明顯增大，管線作業(yè)施工機(jī)械和施工人員都要相應(yīng)的增加才能滿足頻繁接管的要求。但是采用五通吹砂可以極大地減少整平施工工程量，加快工程進(jìn)度。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)應(yīng)用五通轉(zhuǎn)換裝置，可有效降低出砂口流量，在直接吹砂成堤施工中可將砂的損失率從33%降至17%，而在淺薄砂層施工中可以擴(kuò)大出砂口作業(yè)面，有效控制砂層的厚度和平整度，解決了傳統(tǒng)大型絞吸船不適用于狹長(zhǎng)圍堤和淺薄砂層吹砂施工問(wèn)題。

2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，通過(guò)管線沿程阻力損失計(jì)算結(jié)合實(shí)際施工流速變化規(guī)律，可以確定五通轉(zhuǎn)換裝置的支管線最佳開啟數(shù)和最大延伸長(zhǎng)度，且五通中的任一通道進(jìn)行拆接不影響其余通道施工，可減少絞吸船停工接管次數(shù)。