抓絞聯(lián)合施工工藝在欽州港東航道擴(kuò)建工程中的應(yīng)用

張文強(qiáng)，李松濤

（中港疏浚有限公司，上海 200120）

0 引言

隨著疏浚與吹填工程施工向相關(guān)工程領(lǐng)域的延伸，由于工程目的、工況及泥土處理方式等方面的多樣性，導(dǎo)致了單一挖泥船型施工不能滿足具體工程的要求，需要采用多種船型聯(lián)合施工的方式進(jìn)行施工。如馬來(lái)西亞關(guān)丹新深水港工程采用耙駁聯(lián)合施工碼頭前沿浮泥[1]、廈門(mén)大小磴取砂工程采用耙駁聯(lián)合施工[2]及黃驊港航道疏浚工程中采用耙絞聯(lián)合施工，耙駁聯(lián)合、耙絞聯(lián)合已有諸多應(yīng)用，但對(duì)抓斗船和絞吸船聯(lián)合工藝（本文簡(jiǎn)稱抓絞聯(lián)合）卻少有文獻(xiàn)提及。本文通過(guò)抓絞聯(lián)合施工工藝在欽州港東航道擴(kuò)建工程中的實(shí)際應(yīng)用，闡述該工藝的工藝流程，關(guān)鍵技術(shù)及效益成果。

1 工程背景

欽州港東航道擴(kuò)建工程建成后將滿足世界最大集裝箱船通航，全面提升欽州港通航能力和國(guó)際核心競(jìng)爭(zhēng)力。該工程已完成一期建設(shè)，本標(biāo)段為擴(kuò)建10萬(wàn)噸級(jí)雙向航道二期工程Ⅱ標(biāo)段，施工內(nèi)容主要為現(xiàn)有航道拓寬增深，并將部分疏浚土吹填至指定納泥區(qū)。工程平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 工程平面布置圖Fig.1 Layout plan of the project

2 工藝選擇

本工程航道拓寬部分最淺水深4.0 m，前往蓄泥坑的臨時(shí)航道平均水深約4.5 m，蓄泥坑平均天然水深4.0 m，因船舶吃水限制，若采用耙吸挖泥船施工僅可選擇艙容較小的船型，單船施工效率低；如采用大型耙吸挖泥船超淺水施工工藝[3]，必然會(huì)造成施工效率的極大浪費(fèi)，不具備經(jīng)濟(jì)合理性；若采用絞吸船吹填施工工藝，由于吹距過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成船舶施工效率降低，管線維護(hù)難度加大，施工成本提高的問(wèn)題。其次，疏浚土質(zhì)分布復(fù)雜，上部為淤泥及淤泥質(zhì)土，中下部為黏土及砂，局部為中風(fēng)化巖層。耙吸挖泥船主要適用于淤泥及砂質(zhì)性土，黏土與風(fēng)化巖適應(yīng)性差，施工中易出現(xiàn)漏挖，形成淺埂，平整度難以控制。根據(jù)施工船機(jī)選擇要求[4]，抓斗船具有吃水小，黏土、砂等土質(zhì)施工效率高的特點(diǎn)，在充分考慮各施工船型的適應(yīng)性后，選擇采用抓斗船疏浚，絞吸船吹填聯(lián)合施工工藝。本工程疏浚巖土分級(jí)情況見(jiàn)表1。

表1 各疏浚巖土分級(jí)及可挖性定性評(píng)價(jià)表Table 1 Table for classification and qualitative evaluation of dredged rock and soil

抓絞聯(lián)合施工的核心工藝流程為“抓—運(yùn)—拋—吹”，即通過(guò)抓斗船下斗抓泥，并卸放至自航泥駁上，等待泥駁滿載后將疏浚土裝運(yùn)至指定的蓄泥坑開(kāi)艙拋卸，然后再由絞吸船通過(guò)輸泥管線二次吹填上岸。

抓絞聯(lián)合施工工藝流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 施工工藝流程圖Fig.2 Construction process flow diagram

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 半幅通航半幅施工

欽州港東航道屬于運(yùn)營(yíng)航道，為了減小抓斗船施工對(duì)通航環(huán)境的影響，采取半幅通航半幅施工技術(shù)，將航道擴(kuò)建劃分為2個(gè)施工階段：拓寬東航道西半幅階段和增深東航道東半幅階段。第一施工階段，施工船舶占用東航道東半幅水域約75~95 m，對(duì)航道西半幅進(jìn)行拓寬施工，剩余東半幅可通航水域?qū)挾燃s為115~135 m，可全潮單向通航2萬(wàn)噸級(jí)及以下船舶。第二施工階段，已施工完成的西半幅航道通航底寬約為190~210 m，底標(biāo)高-13.3 m，可滿足臨時(shí)通航，施工船舶可對(duì)東半幅進(jìn)行增深施工。具體布置見(jiàn)圖3。

圖3 半幅通航半幅施工布置圖Fig.3 Layout plan of half-width waterway construction and half-width waterway navigation

為了保證航行安全，根據(jù)海事部門(mén)要求發(fā)布航行通告。在施工現(xiàn)場(chǎng)安排3艘警戒船實(shí)時(shí)播放通航安全信息，特別是轉(zhuǎn)換半幅航道通航方案時(shí)，做好現(xiàn)場(chǎng)水域船舶警戒，提醒來(lái)往船舶安全航行。并設(shè)立作業(yè)船舶警示信號(hào)和定位錨標(biāo)，便于迅速識(shí)別作業(yè)船只，以供來(lái)往船舶判斷航行安全距離，提前采取避讓措施。

3.2 蓄泥坑作業(yè)管控

1）蓄泥坑分區(qū)管理

由于本工程投入的泥駁數(shù)量較多，為避免多條泥駁在蓄泥坑同時(shí)拋泥，造成蓄泥坑擁擠，影響絞吸船施工作業(yè)面。本文借鑒逯新星等[5]在連云港30萬(wàn)噸級(jí)航道二期工程中對(duì)傾倒區(qū)的使用優(yōu)化措施，對(duì)本蓄泥坑進(jìn)行分區(qū)管理。

蓄泥坑尺度為710 m×400 m，根據(jù)泥駁尺寸、回轉(zhuǎn)半徑、絞吸船錨位布設(shè)及管線布置情況，將其分為兩個(gè)區(qū)域（A區(qū)和B區(qū)），泥駁和絞吸船分別在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)作業(yè)，并對(duì)泥駁駛進(jìn)和駛離蓄泥坑的路線進(jìn)行合理規(guī)劃，避免出現(xiàn)擁擠現(xiàn)象和急迫局面，減少泥駁拋卸作業(yè)對(duì)絞吸船的施工干擾。蓄泥坑管控示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 蓄泥坑管控示意圖Fig.4 Schematic diagram of mud storage pit control

考慮蓄泥坑初期不滿足泥駁吃水要求，絞吸船先進(jìn)場(chǎng)施工B區(qū)，待水深滿足泥駁吹水后轉(zhuǎn)至A區(qū)施工，此時(shí)抓斗船組進(jìn)場(chǎng)，疏浚土裝駁拋卸至B區(qū)，待B區(qū)拋滿后，再調(diào)換絞吸船和泥駁的作業(yè)區(qū)域，如此循環(huán)作業(yè)。

2）拋卸質(zhì)量控制

拋泥時(shí)應(yīng)盡量保證均勻拋卸，疏浚土在蓄泥坑堆積后既不能過(guò)薄也不過(guò)厚，如果太薄將會(huì)導(dǎo)致絞吸船在施工過(guò)程中存在嚴(yán)重的超挖工程量，如果太厚將會(huì)在蓄泥坑形成淺點(diǎn)或者淺區(qū)，增加泥駁進(jìn)出難度和船舶擱淺風(fēng)險(xiǎn)，降低了蓄泥坑的利用率。為提高在狹窄水域的施工效率和安全，采用網(wǎng)格化拋卸施工技術(shù)[6]。將A、B區(qū)分別劃分為3個(gè)條形網(wǎng)格，泥駁拋卸時(shí)使用船載DGPS定位，在背景圖上打點(diǎn)標(biāo)記每次拋卸的具體位置，避免在相同點(diǎn)位重復(fù)拋泥，既能更好地指揮泥駁拋卸，又能保證泥堆形狀規(guī)則、厚度均勻，提高絞吸船施工效率。作業(yè)過(guò)程中，可通過(guò)DGPS精準(zhǔn)定位、分區(qū)拋卸、漂移距離分析及勤測(cè)水深[7]等措施控制拋泥質(zhì)量和作業(yè)水深。

3）拋卸安全控制

為保證泥駁與絞吸船之間的安全距離、避免鄰近施工時(shí)相互擾動(dòng)造成緊迫局面影響安全作業(yè)，在施工組織上進(jìn)行了合理安排，對(duì)各船舶班組進(jìn)行了安全交底，禁止泥駁和絞吸船同時(shí)分別在相鄰兩個(gè)條形網(wǎng)格中作業(yè)（即A3與B1網(wǎng)格），確保安全距離大于100 m。

3.3 效率匹配分析

疏浚土一部分內(nèi)拋至蓄泥坑吹填上岸，一部分外拋至欽州港B區(qū)拋泥區(qū)。抓斗船施工時(shí)疏浚土處理方式具有選擇性，內(nèi)拋施工能力具有可調(diào)節(jié)性。所以在實(shí)際施工過(guò)程中以絞吸船施工效率為主，再選擇與其匹配的抓斗船組的型號(hào)和數(shù)量。根據(jù)本工程實(shí)際情況，結(jié)合船機(jī)性能，取施工工況為三級(jí)，各類型施工船舶時(shí)間利用率見(jiàn)表2。

表2 施工船舶時(shí)間利用率表Table 2 Time utilization table for dredging vessels

3.3.1 絞吸船施工效率

絞吸船施工是利用絞刀頭橫移切割泥土，通過(guò)泥泵的抽吸作用從吸口吸泥，經(jīng)過(guò)泥泵和排泥管，輸送到吹填區(qū)。影響絞吸船施工效率的因素[8]有：絞刀功率、泥泵功率、排泥管徑、挖深、吹距、時(shí)間利用率、生產(chǎn)率、有無(wú)接力泵等，本文僅考慮時(shí)間利用率及生產(chǎn)率的影響。絞吸船的生產(chǎn)率有挖掘生產(chǎn)率和泥泵管路吸輸生產(chǎn)率兩種，由其中較小者代表其生產(chǎn)率。

挖掘生產(chǎn)率計(jì)算公式：

式中：W為絞刀挖掘生產(chǎn)率，m3/h；D為絞刀前移距，m，此處取1.5 m；T為絞刀切泥厚度，m，此處取2.0 m；v為絞刀橫移速度，m/min，此處取15 m/min；K為絞刀挖掘系數(shù)，與絞刀實(shí)際切泥斷面積等因素有關(guān)，可取0.8~0.9。計(jì)算3 500 m3/h絞吸船的挖掘生產(chǎn)率W=60×0.9×1.5×2.0×15=2 430 m3/h。

經(jīng)過(guò)效率測(cè)算，采用施工效率為3 500 m3/h的絞吸船實(shí)際生產(chǎn)率為1 458 m3/h（時(shí)間利用率取60%）。

3.3.2 抓斗船施工效率

抓斗船生產(chǎn)率計(jì)算公式：

式中：W為抓斗船挖泥小時(shí)生產(chǎn)率，m3/h；n為每小時(shí)抓取斗數(shù)；c為抓斗容積，m3；B為巖土的攪松系數(shù)；fm為抓斗充泥系數(shù)。

根據(jù)土質(zhì)情況及抓斗船性能，時(shí)間利用率取50%，測(cè)算各抓斗船施工效率：斗容50 m3抓斗船生產(chǎn)效率W=30×50×1.2×50%/1=900 m3/h；斗容18 m3抓斗船施工效率W=30×18×1.2×50%/1=324 m3/h。采用不同斗容抓斗船組合施工效率與絞吸船施工效率進(jìn)行匹配性分析，匹配曲線見(jiàn)圖5。

圖5 抓絞聯(lián)合施工效率匹配曲線圖Fig.5 Matching curve of efficiency of grab dredger and CSD combined construction

由于各船舶作業(yè)時(shí)對(duì)水體擾動(dòng)，蓄泥坑施工前后流場(chǎng)改變等引起的水動(dòng)力變化和泥沙擴(kuò)散效應(yīng)[9]，會(huì)造成少量泥漿懸浮和流失，抓斗船組施工效率應(yīng)取稍大于絞吸船的為宜。根據(jù)施工效率匹配曲線，選擇2組18 m3抓斗船組與1組50 m3抓斗船組進(jìn)行組合內(nèi)拋，施工效率為1 548 m3/h，與絞吸船進(jìn)行聯(lián)合施工，滿足效率匹配，保證施工效率最優(yōu)化，其余抓斗船組施工疏浚土均外拋。

3.4 效益分析

根據(jù)工程實(shí)際情況，測(cè)算相同條件下采用耙絞聯(lián)合施工工藝的所投入的成本及工期，完工后對(duì)抓絞聯(lián)合施工投入的實(shí)際成本和工期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)控制變量法和統(tǒng)計(jì)分析法比較不同施工工藝的效益，見(jiàn)表3。采用抓絞聯(lián)合施工較耙絞聯(lián)合節(jié)約成本約742.4萬(wàn)元，縮短工期約41 d。在保證施工覆蓋率的同時(shí)，節(jié)約工期并減少船機(jī)投入成本，加快欽州港東航道建設(shè)進(jìn)程，為后續(xù)工程如期啟動(dòng)提供了保障。

表3 不同施工工藝效益表Table 3 Benefit table of different construction techniques

4 結(jié)語(yǔ)

1）如何對(duì)抓斗船組與絞吸船的效率合理匹配，優(yōu)化組織管理，發(fā)揮抓絞聯(lián)合施工的最大效率，是該工藝的關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)投入的船機(jī)設(shè)備進(jìn)行效率匹配分析，與絞吸船效率最佳組合為2組18 m3抓斗船組與1組50 m3抓斗船組。

2）抓絞聯(lián)合施工工藝具有受水深、運(yùn)距限制小，施工效率高，成本低及土質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但抓斗船施工對(duì)通航影響較大，實(shí)際運(yùn)用時(shí)需采用合理的通航安全保證措施，減少對(duì)通航的影響，保證施工安全。