砂巖磨蝕性在“天鯤號”絞吸挖泥船挖掘過程中的應(yīng)用

張更生，殷瑞林，曹 凱，李 能

(1.中交(天津)生態(tài)環(huán)保設(shè)計研究院有限公司，天津300202；2.中交天津航道局有限公司，天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津 300457)

廣西某港航道擴建工程疏浚土質(zhì)為風(fēng)化砂巖，此類土在我國東部和西南部沿海分布較為廣泛，主要為砂土顆粒在水力、壓力和溫度等作用下與鈣質(zhì)膠結(jié)沉積而成。砂巖具有不均勻性、軟硬交替、強度較大、可挖性相對較差，在挖掘過程中對接觸刀齒、水下泵和管線等磨蝕嚴重，刀齒更換增加非正常施工時間，降低了重型絞吸船挖掘效率、提高了疏浚施工成本、增大疏浚管理和運作風(fēng)險。針對此類典型風(fēng)化砂巖特性進行分析研究，基于磨蝕性理論找出廣西欽州砂巖特性指標、磨蝕性指數(shù)與絞刀刀齒消耗的內(nèi)在關(guān)系，預(yù)估絞刀刀齒消耗是某港航道擴建工程亟待解決的問題。

目前，國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)化巖石特性對施工機具磨蝕的研究取得了一系列成果。王昶皓等[1]通過室內(nèi)試驗，分析了巖石各種屬性對鉆探復(fù)合片磨蝕的影響規(guī)律，揭示了影響復(fù)合片磨蝕的順序為：彈性模量>石英含量>內(nèi)摩擦角>表面粗糙度>泊松比>內(nèi)聚力；將復(fù)合片磨蝕體積與巖石可鉆性級值相結(jié)合，建立了巖石的研磨性評價指標，然后將巖石研磨性重新劃分為7個等級，對制定巖石研磨性的分級標準具有一定的借鑒意義。世界水運基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)會組織編制了《海洋疏浚巖土分類》標準，指出疏浚巖石礦物成分、抗壓強度、抗拉強度等指標對機具磨蝕量影響較大，提出了采用相對維氏硬度(HVQeq)、改進的Schimazek值F和Cerchar劃痕試驗等方法來衡量疏浚巖石的磨蝕嚴重程度[2]。王旭等[3]進行巖石掘進機TBM破碎巖石機理研究，指出影響刀具磨蝕的因素有機械因素和地質(zhì)因素，機械因素包括施加在滾刀上的荷載和刀盤轉(zhuǎn)速；地質(zhì)因素主要包括巖石的物質(zhì)組成、巖石的強度或硬度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況以及巖石顆粒的形狀和尺寸等。屠曉利等[4]進行了沖擊鑿巖磨蝕性研究，指出沖擊鑿巖鉆頭的磨蝕是多種磨蝕機理共同起作用、影響巖石磨蝕性的主要因素是巖石的整體堅固程度和硬礦物含量、巖石磨蝕性系數(shù)是鑿碎比功和硬礦物含量的函數(shù)。綜上可以看出，國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)化巖對機具磨蝕性的研究，主要集中在石油開采、隧道挖掘等方向，分析巖石物理力學(xué)指標及礦物成分對施工機械的影響；而疏浚工程領(lǐng)域風(fēng)化巖石對疏浚機具磨蝕性研究鮮見報道。因此，結(jié)合國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)化巖磨蝕性研究成果，采用室內(nèi)試驗、理論推導(dǎo)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等方法衡量疏浚風(fēng)化巖石關(guān)鍵特性指標對疏浚機具磨蝕性的影響，從而帶動疏浚技術(shù)理論革新、促進疏浚行業(yè)整體水平提升具有重大意義。

本文借鑒國內(nèi)外風(fēng)化巖石物理力學(xué)指標與磨蝕性關(guān)系研究成果，依托廣西某港航道擴建工程，采用重型絞吸船疏浚典型風(fēng)化砂巖，在充分了解此類土質(zhì)特性的基礎(chǔ)上，探索影響刀齒、管線等疏浚機具關(guān)鍵巖石指標，基于風(fēng)化巖磨蝕性理論，采用改進的Schimazek值F，評估風(fēng)化砂巖磨蝕性能，創(chuàng)新性地建立風(fēng)化砂巖特性指標、改進的Schimazek值F和刀齒消耗量之間的相關(guān)關(guān)系，利用擬合經(jīng)驗公式預(yù)測絞刀刀齒消耗量，優(yōu)化疏浚施工工藝，提升該類土質(zhì)疏浚工程施工的時效性、經(jīng)濟性和可靠性，為典型土質(zhì)疏浚施工提供技術(shù)支撐，具有重要的實際應(yīng)用價值。

1 疏浚風(fēng)化砂巖磨蝕指標

為了充分了解疏浚風(fēng)化砂巖的磨蝕特性，基于疏浚工程勘察成果、現(xiàn)場施工刀齒磨蝕和更換情況，對應(yīng)采取施工過程中巖石樣品，進行了巖石單軸飽和抗壓強度、抗拉強度和礦物成分分析試驗。試驗結(jié)果見表1。

表1 疏浚風(fēng)化砂巖特性指標

由表1可知，廣西某港航道擴建工程疏浚土質(zhì)為風(fēng)化砂巖，風(fēng)化程度為強風(fēng)化和中風(fēng)化。強風(fēng)化砂巖裂隙發(fā)育強烈，巖體較為破碎，完整性很差，單軸飽和抗壓強度為2～8 MPa，飽和抗拉強度為0.16～0.6 MPa，疏浚巖土工程特性分級為11～12級，為極軟巖-軟巖，且遇水軟化，重型絞吸船“天鯤號”絞刀齒在外力作用下入巖順暢，挖掘較為容易；強風(fēng)化砂巖經(jīng)過絞刀破壞、水力作用和管線輸送撞擊，到達泥塘后呈角礫和卵石混合物。中風(fēng)化砂巖裂隙發(fā)育不強烈，巖體完整性較好，單軸飽和抗壓強度為9～41 MPa，飽和抗拉強度為0.6～4.6 MPa，疏浚巖土工程特性分級為12～13級[5]，重型絞吸船“天鯤號”挖掘不容易，施工時絞刀刀臂和刀齒磨蝕斷裂問題突出，是影響疏浚效率關(guān)鍵土質(zhì)；特別當單軸飽和抗壓強度大于25 MPa時，絞刀齒入巖深度減小，在萬方刀齒消耗量中斷齒比例增加，使得挖掘效率難以控制，給疏浚生產(chǎn)成本控制造成極大風(fēng)險。

經(jīng)過X衍射礦物頻譜分析和顯微鏡觀察，風(fēng)化砂巖骨架顆粒主要成分為石英、長石、云母和方解石等；顆粒之間鈣質(zhì)膠結(jié)，含有少量的黏粒基質(zhì)，元素以硅和鈣最多，其次為鐵、鈦、鋁、鉀等元素，石英是最主要的硅質(zhì)膠結(jié)物質(zhì)，莫氏硬度為7，石英含量大小和鈣質(zhì)膠結(jié)密實程度將決定風(fēng)化砂巖強度大小，是疏浚挖掘刀齒磨蝕主要微觀影響因素。強風(fēng)化砂巖石英的含量為30%～49%，平均值為38.6%；中風(fēng)化砂巖石英的含量為41%～80%，平均值為59%。可見石英含量中風(fēng)化砂巖是強風(fēng)化砂巖的1.53倍，因此隨著風(fēng)化砂巖石英含量增加，絞刀刀齒入巖深度逐漸減小、刀齒萬方磨耗逐漸增加，將導(dǎo)致疏浚挖掘生產(chǎn)率逐漸減小。

2 巖石磨蝕評價理論

影響重型絞吸船挖掘刀齒磨蝕的主要因素是疏浚巖土的磨蝕性，磨蝕性是疏浚巖土和挖掘設(shè)備材料硬度對比的函數(shù)，風(fēng)化巖石硬度取決于所含礦物種類、礦物成分含量、礦物相對硬度和巖石強度。通過風(fēng)化巖石的物理力學(xué)和礦物成分試驗，采用加權(quán)方法計算風(fēng)化巖石相對于石英的相對維氏硬度(HVQeq)：

(1)

式中：HVQeq為風(fēng)化巖石的相對于石英的相對維氏硬度；hi為礦物成分質(zhì)量百分比(%)；VHi為礦物相對于石英的相對維氏硬度，見表2。

表2 礦物硬度

疏浚機具等效石英維氏硬度為刀齒0.54、碳化鎢1.26、管道鋼材0.18。通過疏浚風(fēng)化巖石與挖掘刀齒的等效石英維氏硬度對比，可定量衡量疏浚風(fēng)化巖石對疏浚機具磨蝕程度評價。通常，當疏浚風(fēng)化巖石等效石英維氏硬度/挖掘刀齒的等效石英維氏硬度≤1，表明疏浚風(fēng)化巖石磨蝕性相對較低；當疏浚風(fēng)化巖石等效石英維氏硬度/挖掘刀齒的等效石英維氏硬度>1時，表明疏浚風(fēng)化巖石磨蝕性相對較高。

為了更全面衡量風(fēng)化巖石特性對挖掘機具磨蝕程度影響，綜合考慮礦物成分種類、礦物含量、礦物硬度、巖石粒度和巖石飽和抗拉強度因素，可通過采用改進的Schimazek值F理論來評估巖石材料的磨蝕性：

F=BTS·φ·HVQeq

(2)

式中：HVQeq為風(fēng)化巖石相對于石英的相對維氏硬度；BTS為巖石飽和抗拉強度(MPa)；φ為風(fēng)化巖石顆粒平均粒度(mm)，本工程風(fēng)化砂巖取值為0.2 mm。

基于風(fēng)化巖石特性指標，采用計算定量指標改進的Schimazek值F，將風(fēng)化巖石對疏浚刀齒的磨蝕由低磨蝕性-高磨蝕性，共分為5級，見表3。

表3 巖石磨蝕性程度分級

3 風(fēng)化砂巖磨蝕評價指標分析

依托廣西某港航道擴建工程，綜合考慮礦物成分種類、礦物含量、礦物硬度、巖石粒度和巖石飽和抗拉強度等因素，計算了強風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖改進的Schimazek值F，見表4。

從表4可以看出，強風(fēng)化砂巖改進的Schimazek值F平均值為0.046 N/mm，范圍值為0.014～0.081 N/mm，磨蝕性等級為低磨蝕性-中等磨蝕性，多為中等磨蝕性，萬方平均刀齒消耗21個；中風(fēng)化砂巖改進的Schimazek值F平均值為0.264 N/mm，范圍值為0.072～0.787 N/mm，磨蝕性等級為中等磨蝕性-較高磨蝕性，萬方平均刀齒消耗72個，中風(fēng)化砂巖萬方平均刀齒消耗是強風(fēng)化砂巖萬方平均刀齒消耗的3.43倍，因此重型絞吸船挖掘中風(fēng)化砂巖時，刀齒消耗量和換齒時間的增加，嚴重影響了疏浚船舶效率發(fā)揮。

重型絞吸船“天鯤號”采用兩泵(水下泵和艙內(nèi)泵)施工，管線總長度為2 700～4 000 m，流速為5.3～7.0 m/s，挖掘刀齒采用挖巖絞刀并配尖齒。基于現(xiàn)場施工日志、項目部報表和船舶存儲數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了挖掘不同強度和礦物含量風(fēng)化砂巖的刀齒消耗量；通過風(fēng)化砂巖力學(xué)指標和礦物成分測試結(jié)果，計算得出不同特性風(fēng)化砂巖改進的Schimazek值F，選取正常施工的86組數(shù)據(jù)鏈建立聯(lián)系，進行數(shù)據(jù)擬合，得出風(fēng)化砂巖改進Schimazek值F與萬方刀齒消耗量存在冪函數(shù)關(guān)系，見圖1。

挖掘風(fēng)化砂巖時，“天鯤號”萬方刀齒消耗量和改進Schimazek值F之間經(jīng)驗關(guān)系為：

N= 215.4F0.792

(3)

式中：F為改進Schimazek值(N/mm)，0.014 N/mm≤F≤0.787 N/mm；N為“天鯤號”萬方刀齒消耗量(個)。

從圖1可知，強風(fēng)化砂巖萬方刀齒消耗量為6～56個、中風(fēng)化砂巖刀齒消耗量為18～175個，隨著Schimazek值F增大萬方刀齒消耗呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。當Schimazek值F小于0.4 N/mm時，萬方刀齒消耗量離散程度??；當Schimazek值F大于0.4 N/mm時，此時風(fēng)化砂巖的石英含量在65%以上，單軸飽和抗壓強度在25 MPa以上，刀齒消耗離散程度逐漸變大；當Schimazek值F大于0.62 N/mm時，單軸飽和抗壓強度在32 MPa以上，絞刀刀齒入巖較淺，疏浚施工挖掘效率低，刀齒與風(fēng)化巖石接觸面減小，刀齒萬方磨蝕消耗量反而降低，主要以受力斷裂為主。

4 “天鯤號”挖掘風(fēng)化砂巖刀齒消耗估算

基于廣西某港航道擴建工程，選取5組不同強度的風(fēng)化砂巖進行巖石性能指標測試，得出風(fēng)化砂巖的單軸飽和抗壓強度、飽和抗拉強度和礦物含量，依據(jù)萬方刀齒消耗量和改進Schimazek值F之間經(jīng)驗關(guān)系，估算了“天鯤號”挖掘風(fēng)化砂巖刀齒消耗量。對應(yīng)“天鯤號”施工不同特性風(fēng)化砂巖，實測了刀齒消耗量，挖掘風(fēng)化砂巖刀齒消耗量預(yù)測值和實測值對比見表5。

表5 刀齒消耗量預(yù)測值和實測值對比

基于表5中的挖掘萬方風(fēng)化砂巖刀齒消耗量計算值和實測值，繪制對比圖，見圖2。

圖2 萬方刀齒消耗量計算值和實測值對比

從表5和圖2可以看出，“天鯤號”重型絞吸船在挖掘風(fēng)化砂巖時，利用推導(dǎo)公式計算萬方刀齒消耗量，與實際監(jiān)測萬方刀齒消耗量相對偏差值區(qū)間為-11.9%～17.3%。從曲線的形態(tài)可知，挖掘相同特征風(fēng)化砂巖，隨著改進Schimazek值F增大，萬方刀齒消耗量的實測值和預(yù)測值均在變大，兩者趨勢一致。改進Schimazek值F為0.25 N/mm時，為挖掘萬方風(fēng)化砂巖刀齒消耗量預(yù)測值與實測值相對偏差分界線。當改進Schimazek值F小于0.25 N/mm時，預(yù)測值小于實測值，相對偏差為-11.9%～-6.6%；當改進Schimazek值F大于0.25 N/mm時，預(yù)測值大于實測值，相對偏差為15.2%～17.3%。隨著風(fēng)化砂巖磨蝕性增加，重型絞吸船挖掘破巖的難度增加，萬方刀齒消耗量預(yù)測偏差增大。萬方刀齒消耗量計算值和實測值的相對偏差絕對值在17.3%以下，推導(dǎo)萬方刀齒消耗量和改進Schimazek值F關(guān)系公式，在指定工況條件下應(yīng)用于刀齒消耗量預(yù)測的可靠性好，并可在以后的施工生產(chǎn)中，利用挖掘巖石磨蝕性理論來預(yù)測絞刀齒消耗量，為疏浚施工投標決策、施工過程的管理控制提供技術(shù)支持，具有重要實際應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

1)基于廣西某港航道擴建工程，分析風(fēng)化砂巖磨蝕特性，指出中風(fēng)化砂巖裂隙發(fā)育不強烈、巖體完整性較好，單軸飽和抗壓強度為9～41 MPa，飽和抗拉強度為0.6～4.6 MPa；石英含量大小和鈣質(zhì)膠結(jié)密實程度將決定風(fēng)化砂巖強度大小，是疏浚挖掘刀齒磨蝕主要微觀影響因素，中風(fēng)化砂巖石英含量平均值為59%，是強風(fēng)化砂巖的1.53倍，疏浚巖土工程特性分級為12～13級，重型絞吸船“天鯤號”挖掘不容易，施工時絞刀刀臂和刀齒磨蝕斷裂問題突出，中風(fēng)化砂巖是影響疏浚效率關(guān)鍵土質(zhì)。

2)創(chuàng)新性引入改進的Schimazek值F理論，綜合考慮礦物成分種類、礦物含量、礦物硬度、巖石粒度和巖石飽和抗拉強度等因素，來評估巖石材料的磨蝕性。

3)基于疏浚巖石磨蝕性理論，推導(dǎo)出“天鯤號”萬方刀齒消耗量和改進Schimazek值F之間公式。

4)基于推導(dǎo)出的公式，預(yù)測“天鯤號”萬方刀齒消耗量計算值和實測值的相對偏差絕對值在17.3%以下，可靠性好，可為類似工程經(jīng)營生產(chǎn)提供借鑒。