不同規(guī)格機制砂與泵砂船轉(zhuǎn)吹工藝適配性分析

張偉

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

機制砂是指礦山開采的巖石經(jīng)機械破碎、研磨及篩分等工藝流程制成的碎石和石粉砂的混合物，機制砂作為可替代海沙的材料資源，具有取材廣，數(shù)量大的優(yōu)點，且根據(jù)設(shè)計要求，通過嚴格的生產(chǎn)工藝流程得到的機制砂質(zhì)量可控且穩(wěn)定。在滿足填海材料缺口的同時，為了滿足施工進度的要求，必須結(jié)合機制砂特性，確定可與之適配的水力吹填設(shè)備。香港國際機場第三跑道填海工程（以下簡稱香港三跑工程）引入泵砂船作為水力吹填設(shè)備。泵砂船是指將絞吸船絞刀部位改造成儲砂漏斗的新型吹填設(shè)備，具有環(huán)保、操作簡單、效率高的優(yōu)點。機制砂和泵砂船轉(zhuǎn)吹工藝良好的適配性解決了香港三跑工程對于填海材料的需求數(shù)量大、質(zhì)量高的難題，同時也滿足了工程進度、環(huán)保的要求。

1 機制砂質(zhì)量規(guī)格

大型填海工程對于填海材料的需求量很大，天然砂作為優(yōu)質(zhì)的填海材料，但受限于不可再生，日益短缺[1]，國家對天然砂的開采限制愈加嚴格，因此，機制砂的應(yīng)用和推廣是滿足大型填海工程材料需求的突破口。機制砂生產(chǎn)工藝分為干法和濕法兩種[2]，它的質(zhì)量主要取決于制備工藝[3]不同，受破碎環(huán)節(jié)、篩分環(huán)節(jié)的影響[4]。在香港三跑工程，根據(jù)設(shè)計標準，通過試驗檢測，選定了機制砂的質(zhì)量規(guī)格，引進了滿足質(zhì)量規(guī)格的廣東、福建、山東機制砂進場，并開辟了潼湖、泰盛定制生產(chǎn)線，為填海工程所需的機制砂提供了可靠的來源。本工程將不同石場的機制砂根據(jù)質(zhì)量規(guī)格參數(shù)劃分為A—C 類型，質(zhì)量參數(shù)主要關(guān)注級配、石粉含量、中值粒徑、碳酸鹽含量等指標，具體質(zhì)量參數(shù)見表1。對于通過63 μm 篩網(wǎng)的機制砂，由于粒徑很小，俗稱此類機制砂所占的百分比為含泥量。

表1 機制砂的物理力學(xué)和化學(xué)特性參數(shù)Table 1 Physical mechanical and chemical properties parameters of manufactured sand

2 新型泵砂船吹填設(shè)備

傳統(tǒng)的填海工程多采用絞吸船進行吹填，絞吸船在進行海底直接開挖取砂或者蓄泥坑轉(zhuǎn)吹時，對海洋生物多樣性以及海洋生態(tài)環(huán)保帶來破壞。近年來，填海工程對環(huán)保的要求愈加嚴格，新型泵砂船[5]取代絞吸船的方案進一步得到推廣，實際應(yīng)用率逐步增大。本工程采用的新型泵砂船是在傳統(tǒng)絞吸船的基礎(chǔ)上進行升級改造，具體結(jié)構(gòu)見圖1，將絞吸船橋梁前端的絞刀結(jié)構(gòu)拆除，用環(huán)保漏斗取代絞刀，之后將環(huán)保漏斗與吸入管口相連。泵砂船基本參數(shù)見表2。

圖1 新型泵砂船結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of new type sand pump ship

新型泵砂船通過水力的方式，依靠橋梁內(nèi)部的水下泵和甲板增壓泵共同作用，在吸入管口形成真空，進而產(chǎn)生壓強差，使環(huán)保漏斗內(nèi)機制砂與水的混合物經(jīng)過吸入、提升，并經(jīng)泥泵作用，由排泥管輸送到指定的吹填區(qū)。泵砂船吹填設(shè)備具有廣泛的適應(yīng)性，且占用施工水域小；機制砂在環(huán)保漏斗和排泥管中運輸時擴散面小，環(huán)保；設(shè)備構(gòu)造簡單，操作性強；施工效率高，作業(yè)成本低。泵砂船結(jié)構(gòu)泵的參數(shù)見表3。

3 施工工藝分析

泵砂船轉(zhuǎn)吹機制砂的施工工藝前提條件是機制砂運輸至施工現(xiàn)場，采用皮帶船[6]作為輔助船舶承擔(dān)運輸任務(wù)。經(jīng)審核合格進場的港澳線皮帶船，手續(xù)齊全，全部符合兩岸相關(guān)法例的要求。供應(yīng)的機制砂經(jīng)由運輸車、散貨船運輸至相應(yīng)的碼頭，由碼頭設(shè)備裝載至皮帶船。裝船過程中，為保證皮帶船卸砂流暢，預(yù)先對皮帶船艙的底層進行鋪底，鋪設(shè)粒徑均勻的碎石。皮帶船裝載量在5000 t 左右，在裝駁滿載后，航行至施工現(xiàn)場。結(jié)合本工程限制條件，皮帶船航行至香港水域，進入龍鼓航道后，經(jīng)過航速限制區(qū)（航速＜10 kn）海洋公園保護區(qū)時需降速并避開保護區(qū)。皮帶船由工地東口進入施工區(qū)域附近，經(jīng)過機制砂驗收合格、量方、砂船現(xiàn)場調(diào)配后，依據(jù)船舶安裝的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，按照規(guī)劃好的航線前往泵砂船卸砂，由泵砂船轉(zhuǎn)吹至指定施工區(qū)域。

本工程對海洋環(huán)境保護要求高，皮帶船到達泵砂船之前，將優(yōu)先靠泊泵砂船附近的海堤、平板駁安裝環(huán)保套管。施工準備工作就緒后，皮帶船在泵砂船附近水域調(diào)整船位，將環(huán)保套管口的位置與泵砂船環(huán)保漏斗懸空對接，開始卸砂轉(zhuǎn)吹工作。施工過程中，為保證安全、高效的卸砂，皮帶船需嚴格控制卸砂速度，避免出現(xiàn)橋梁彎折[7]，堵管現(xiàn)象發(fā)生，同時泵砂船需打開沖水系統(tǒng)，促進機制砂形成水砂混合物，便于轉(zhuǎn)吹，提高施工效率。泵砂船轉(zhuǎn)吹機制砂工藝流程圖見圖2。

圖2 泵砂船轉(zhuǎn)吹工藝流程圖Fig.2 Flow chart of reclamation process of sand pump ship

泵砂船進行水力輸送時，主要考慮機制砂的特性對水平和垂直方向的水力輸送影響。結(jié)合本工程實際情況，影響水力輸送效率的主要因素是機制砂的粒徑以及不均勻系數(shù)。機制砂的特性根據(jù)設(shè)計標準確定，為滿足工程進度的要求，本工程引進的泵砂船規(guī)格，必須符合進度控制要求。

泵砂船轉(zhuǎn)吹機制砂施工工藝滿足本工程海洋環(huán)境保護要求高，施工水域狹窄，噪聲污染控制嚴格，海堤外水深淺，機場限高區(qū)密集，航速限制區(qū)多，海洋公園保護區(qū)面積大等多項限制條件。

4 結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本工程采用泵砂船轉(zhuǎn)吹機制砂施工工藝過程中，當(dāng)機制砂粒徑較小時，皮帶船卸載機制砂難度較大，速率較低，同時機制砂在泵砂船環(huán)保漏斗內(nèi)易形成黏稠狀聚合物不易轉(zhuǎn)吹，故對于粒徑小的機制砂，在裝船時應(yīng)對皮帶船進行碎石鋪底，并應(yīng)在泵砂船環(huán)保漏斗側(cè)壁加裝沖水裝置；當(dāng)機制砂粒徑較大時，皮帶船卸載速率較大，但由于泵砂船轉(zhuǎn)運能力受限，大量的機制砂極易在泵砂船吸入管口堵塞，故對于粒徑大的機制砂應(yīng)做好皮帶船與泵砂船效能的合理適配。通過對本工程采用的A—C 類型不同規(guī)格的機制砂[8]與泵砂船適配數(shù)據(jù)統(tǒng)計，選取具有代表性的數(shù)據(jù)進行列表，并對泵砂船轉(zhuǎn)吹工藝綜合施工效能進行分析。泵砂船轉(zhuǎn)吹工藝效能統(tǒng)計表見表4。

表4 泵砂船效能統(tǒng)計Table 4 Statistics of sand pump ship performance

根據(jù)機制砂試驗檢測報告顯示，所采用的機制砂最大粒徑在8～10 mm 范圍波動，故認為最大粒徑為定值，不作為效能影響因數(shù)分析。采用的泵砂船為“天獅”輪，在吹距為1000 m 的條件下進行轉(zhuǎn)吹，通過數(shù)理統(tǒng)計分析方法對列表數(shù)據(jù)進行處理，得出：泵砂船轉(zhuǎn)吹機制砂施工工藝在應(yīng)用過程中，泵砂船施工產(chǎn)能隨著機制砂中值粒徑的增大而降低；機制砂隨著含泥量的增大導(dǎo)致皮帶船卸砂效率降低，導(dǎo)致泵砂船施工產(chǎn)能降低。

5 結(jié)語

機制砂作為填海材料應(yīng)用于大型填海工程，在當(dāng)下具有很高的借鑒意義，該種材料解決了天然砂來源減少、開采審批難、進度慢的問題，滿足了香港三跑工程對于材料的需求。同時，泵砂船在本工程的應(yīng)用表明，相較于傳統(tǒng)的吹填設(shè)備，其具有環(huán)保、成本低、操作簡單安全等優(yōu)勢，特別適用于對環(huán)保有著高要求的填海工程。泵砂船轉(zhuǎn)吹機制砂工藝的應(yīng)用滿足了本工程各項限制條件，同時還保證了工程的進度和質(zhì)量。