航道工程中耙吸式挖泥船精挖施工工藝

◎ 丁亞楠 中交上海航道局有限公司

大型耙吸挖泥船在施工時(shí)，容易受到地質(zhì)、潮位、工藝等因素的影響，因此會(huì)產(chǎn)生為了達(dá)到完工后的水深，而加大挖掘深度的現(xiàn)象，這就導(dǎo)致了兩個(gè)問(wèn)題：一是降低了施工效率，二是浪費(fèi)了大量的資源。事實(shí)證明，動(dòng)力控制系統(tǒng)的運(yùn)用能夠有效地解決以上問(wèn)題，應(yīng)該受到足夠的關(guān)注。這篇論文的研究，其實(shí)際意義是顯而易見的。

1.工程概況

溫州港核心港區(qū)的深水入港通道工程，包括三個(gè)方面：外海通道、狀元岙港區(qū)通道和大小門島通道，其中，外海通道可實(shí)現(xiàn)50000噸級(jí)的雙線、266000m3級(jí)的LNG船（控制吃水12.0m）單線全潮通航，10萬(wàn)噸級(jí)的單線乘潮通航；狀元岙港區(qū)內(nèi)的航道規(guī)模是：5萬(wàn)噸級(jí)雙線、21500m3LNG船舶單線全潮、10萬(wàn)噸級(jí)單線乘潮通航；大小門島通道可實(shí)現(xiàn)266000m3級(jí)的LNG船單線（控制吃水12.0m）全潮通航。工程的重點(diǎn)是在總體規(guī)劃的范圍內(nèi)進(jìn)行疏浚工程、導(dǎo)助航工程、錨地工程和清淤工程。

2.施工方案

（1）主要施工控制參數(shù)的試驗(yàn)優(yōu)化。根據(jù)挖泥船行駛到目的地速度、泥漿泵轉(zhuǎn)數(shù)、波浪補(bǔ)償壓力、耙頭高壓沖洗壓力、耙頭海水稀釋開口度等進(jìn)行適量調(diào)整，當(dāng)泥漿泵壓力、真空度、吸入流量、密度四項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示最佳狀態(tài)時(shí)即為最佳施工狀態(tài)。

（2）分條、分段施工選擇。該項(xiàng)目是一項(xiàng)航道疏浚工程，由于航道長(zhǎng)度的關(guān)系，應(yīng)采取分段施工的方法。以施工區(qū)的土質(zhì)特征和挖泥船的性能為基礎(chǔ)，耙吸船使用了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（DGPS）進(jìn)行導(dǎo)航，并在其周圍均勻地分布著耙子。船上裝備的DGPS及海洋測(cè)量軟件具備電子海圖和航跡的指示、存儲(chǔ)功能。挖泥操作人員可以很容易地通過(guò)顯示器或繪圖機(jī)來(lái)判斷挖泥船的航跡，做到合理布線，以提高效率。在施工過(guò)程中，挖泥船會(huì)根據(jù)潮位及時(shí)地調(diào)整下耙深度，從而保證工程的質(zhì)量[1]。

3.精挖施工工藝

3.1 船舶定位

該項(xiàng)目所使用的施工船為雙DGPS定位系統(tǒng)。將定位參數(shù)、背景文件、測(cè)深文件、工作線文件、斷面文件、色塊文件等輸入到計(jì)算機(jī)疏浚輔助決策系統(tǒng)中，在系統(tǒng)上就可以顯示出挖泥平面、斷面及實(shí)時(shí)船位，并將計(jì)劃挖泥區(qū)段、挖泥航線和已挖區(qū)段、挖泥耙跡線等信息進(jìn)行顯示，從而使挖泥船能夠始終在預(yù)定的挖線上進(jìn)行施工，更好地確保施工質(zhì)量。在距離差分岸臺(tái)不足50km的情況下，其平面定位精度可達(dá)到±1.0m，距離300km的情況下，其定位精度可達(dá)到±5.0m，且在我國(guó)沿海地區(qū)均可接收到差分信號(hào)，還可全天候工作。

1）合理設(shè)置無(wú)驗(yàn)潮技術(shù)。以控制點(diǎn)為基礎(chǔ)完成控制網(wǎng)的布設(shè)工作，將基站設(shè)置在臨近施工區(qū)域位置處，使得設(shè)備的兼容性得到顯著的提升，為后續(xù)的測(cè)量工作做好充分的準(zhǔn)備。在駕駛臺(tái)外側(cè)中間位置設(shè)置移動(dòng)站，將傳播擺動(dòng)給數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性造成的影響控制到最小，顯著提升該布設(shè)理念的科學(xué)性。

2）潮位遙報(bào)儀。潮位遙報(bào)儀的主要組成部分為接收端和發(fā)送端。發(fā)射機(jī)的核心組成內(nèi)容有電源、功放器、調(diào)制器和編碼器等，編碼器發(fā)揮的主要作用為將測(cè)量所得的水位數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變成為具有較強(qiáng)特殊形式的編碼，在調(diào)制器的作用下，達(dá)到整形的目的。在向空中發(fā)射調(diào)頻信號(hào)時(shí)，天線發(fā)揮著十分重要的作用。潮位信號(hào)被天線接收以后，經(jīng)過(guò)高頻放大，使得混頻也隨之發(fā)生了巨大的變化，將其直接送入到相位鑒頻器中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的有效調(diào)制，分離水位編碼以后，將其輸送到消燥器中實(shí)現(xiàn)對(duì)噪音的有效降低，譯碼器完成水位數(shù)值還原工作以后，及時(shí)的向顯示器中傳輸，并完成顯示工作。

在對(duì)水位值進(jìn)行獲取時(shí)，壓力傳感器探頭發(fā)揮出了重要的作用，標(biāo)高值與傳入主機(jī)運(yùn)算結(jié)束以后，將潮位值及時(shí)的傳輸出去，在向外發(fā)送數(shù)據(jù)信息時(shí)，主機(jī)端口上的發(fā)射機(jī)起到了重要的作用。在耙吸船中心控制器端口上安裝潮位遙報(bào)接收儀，在解析以后，以潮位值的形式向挖掘控制系統(tǒng)的中心處理器中傳輸，使得數(shù)據(jù)傳輸鏈路得以有效的構(gòu)成。

3.2 耙頭控制方法

3.2.1耙齒的使用

采用水力作用力的舊式耙頭，在開挖粘土或略微有粘性的沙土?xí)r，其效率并不高，因此，還需要增加一種機(jī)械切割設(shè)備，即耙齒或刮刀，才能使開挖效率提高。雖然耙齒不太適合松軟的土壤，但是在有大量垃圾的地區(qū)，可以增加耙齒來(lái)清除淤泥層中的垃圾，這樣在后期的施工過(guò)程中就可以減少垃圾堵塞耙頭。

3.2.2耙頭著地壓力的選擇與調(diào)整（波浪補(bǔ)償器）方法

在海浪及淤泥表面不平的情況下，利用波浪補(bǔ)償裝置，保證耙齒在海浪及淤泥表面起伏時(shí)，不會(huì)脫離淤泥表面，同時(shí)保證耙頭的地壓與所疏浚的土壤相適應(yīng)（最大化淤泥密度，減小耙齒阻力，防止淤泥過(guò)深）。在進(jìn)行施工之前，要按照公司的耙吸挖泥船施工工藝的操作要求，按照疏浚土類、耙頭類型和挖深來(lái)調(diào)節(jié)波浪補(bǔ)償器的壓力。

3.2.3耙頭、耙管角度、水平位置控制方法

①耙頭與地面的角度。對(duì)于耙吸船來(lái)說(shuō)，主動(dòng)耙頭能夠?qū)κ┕r(shí)的耙頭對(duì)地角度進(jìn)行合理化的調(diào)整，耙頭對(duì)地角度要保持在3度左右。假如海底地形的深度存在著比較大的差別，需要對(duì)耙頭油缸進(jìn)行高效的整合，使得保持在設(shè)計(jì)值的范圍之內(nèi)。

②耙頭平面位置。該項(xiàng)目所裝備的雙DGPS，其精度在1m至3m之間，將其與耙臂水平位置傳感器相結(jié)合，使其定位精度達(dá)到1.0m。在定位系統(tǒng)的電腦上所呈現(xiàn)的軌道，就是耙的平面位置[2]。

③耙頭定深。耙頭的下落深度是通過(guò)耙臂深度指示器得到的。要時(shí)常檢查和糾正耙頭的深度。如果出現(xiàn)了偏差，則采用自動(dòng)插入式校正方法，對(duì)每一個(gè)傳感器的初值、增益等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)校正。

隨著船舶吃水的改變，潮位的改變，耙頭所指示的深度也會(huì)隨之改變，這時(shí)需要對(duì)耙頭和耙中鋼索進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證耙頭深度指示器所指示的深度與給定的深度一致。該項(xiàng)目所裝備的水深測(cè)量系統(tǒng)，其測(cè)量精度為0.3m。

④耙管的垂直位置。因?yàn)榘夜芟虏颗c水平線之間的角度太小，會(huì)導(dǎo)致耙管首先與海床上的凸起相接觸，而這個(gè)角度太小或者太大，又會(huì)導(dǎo)致耙頭活動(dòng)罩的動(dòng)作受到限制，使得拖泥板無(wú)法與淤泥面緊密接觸，所以，耙管的垂向位置應(yīng)該按照不同的挖深來(lái)調(diào)整。下部耙管與水平線的夾角優(yōu)選為25°～35°（耙頭活動(dòng)罩的可動(dòng)范圍較為適宜）。上下耙管之間的夾角不應(yīng)大于170°（橡膠管的容許彎曲角在±168°左右）。

⑤耙管的水平位置。在水平方向上，耙頭的定位是由上、下兩個(gè)耙筒的偏移角決定的。一般情況下，耙頭的側(cè)向位置是耙頭的中心線到舷邊的距離2m（盡量減少船的偏轉(zhuǎn)）。在挖泥的過(guò)程中，應(yīng)該將耙管的側(cè)向傾斜角度控制在不大于左右15°（耙頭的水平偏移約為左右10m）。特別要注意的是，在挖掘深度比較淺的時(shí)候（大約7-10m)，如果橫向傾斜角度太大，就會(huì)導(dǎo)致上耙管與船體之間的相互擠壓，如果處理不好，很容易引起事故（耙管和船體受損）。在施工作業(yè)中，操耙手應(yīng)密切關(guān)注耙頭的水平分布，對(duì)傾角過(guò)大的情況應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以保證耙頭在最佳狀態(tài)[3]。

3.3 挖泥航線的確定

在進(jìn)行施工之前，要在定位系統(tǒng)中將工作線做好，通常情況下，兩條工作線之間的距離是船寬加上1個(gè)耙頭的寬度，耙頭第一挖溝與相鄰的第二挖溝的中心線間距，要視土壤性質(zhì)而定。在鋪設(shè)線路時(shí)，要小心其他已經(jīng)鋪設(shè)好的線路不能重復(fù)鋪設(shè)?？梢酝ㄟ^(guò)定位水深系統(tǒng)來(lái)指示挖泥耙軌跡的位置。在施工時(shí)，應(yīng)使耙跡線成一條直線，并盡可能使耙跡線的排列均勻，不留縫隙，以減小淤泥表面的不平整。當(dāng)有了新的測(cè)繪圖時(shí)，應(yīng)按測(cè)繪圖上的水深來(lái)安排耙跡線，在淺水區(qū)，結(jié)合每個(gè)耙的挖掘深度，安排得稍多些；在經(jīng)過(guò)一定的施工后，可以依據(jù)前期耙跡線的分布狀況，結(jié)合實(shí)測(cè)圖，再結(jié)合耙跡的間隔來(lái)布線。

3.4 耙吸挖泥船挖泥操船方法

1）由于耙吸式挖泥船的上部結(jié)構(gòu)大多位于船尾，因此，風(fēng)力對(duì)操船的影響比較大。海浪與海流（潮）的作用更為顯著。正面來(lái)的風(fēng)、浪、水流，只需要適當(dāng)提高速度就可以了。對(duì)于側(cè)面（斜向或橫向）來(lái)的風(fēng)、浪、水流，也要進(jìn)行速度適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，通常還須朝著風(fēng)、浪、水流的來(lái)向調(diào)整船首，并使船保持穩(wěn)定的風(fēng)流偏航角，這時(shí)才能確保耙跡線為直線。

圖1 挖槽內(nèi)調(diào)頭示意圖

2）當(dāng)風(fēng)流的偏航角度（右側(cè)為正）達(dá)到±10度至±15度時(shí)，操船將變得非常困難。如果超過(guò)了±15度，那就更難了。

3）在風(fēng)、浪、水流等因素的影響下，操作挖泥船時(shí)，特別是挖泥船深度較小時(shí)，應(yīng)特別注意防止挖泥船受到船舭部壓和耙管的影響。

3.5 耙吸挖泥船調(diào)頭方法

當(dāng)挖泥船掉頭的時(shí)候，原則上，上調(diào)頭應(yīng)該將船艏放在下風(fēng)、下流的一側(cè)，向上風(fēng)、上流的方向轉(zhuǎn)頭，這樣可以避免船被壓出挖槽。在使用雙車雙舵的情況下，在必要的時(shí)候，利用船艏的橫向沖水推進(jìn)，可以使本船在1.3倍船長(zhǎng)的范圍內(nèi)掉頭。在施工過(guò)程中采用的基本掉頭方式，通常轉(zhuǎn)彎需要5-8分鐘左右，在適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速下，最快需要4分鐘左右。

在開闊的水面上且水下沒(méi)有障礙時(shí)也可以用耙頭觸地或挖泥調(diào)頭。但是，它的速度必須很慢，轉(zhuǎn)角要小，而且絕對(duì)不能向后航行。在狹小的水面上，不能使用耙式轉(zhuǎn)彎，以免發(fā)生意外。在調(diào)頭時(shí)，要密切關(guān)注耙頭的運(yùn)行狀況，尤其是內(nèi)側(cè)的耙頭，一旦耙頭的轉(zhuǎn)速接近靜止，應(yīng)及時(shí)抬起。

3.6 卸泥方法

考慮到卸泥區(qū)的水域、水深、卸載要求、土質(zhì)類型和卸載過(guò)程中的風(fēng)、流等因素，采用開底卸泥方式，以提高施工效率。在開泥門之前，首先要測(cè)水深，以保證泥門的安全，在拋泥的時(shí)候，要增加卸泥標(biāo)志，并對(duì)卸泥的順序進(jìn)行安排，避免因?yàn)樾赌嗪笊疃茸儨\，從而對(duì)后面的卸泥造成影響。在卸泥的時(shí)候，只能慢速轉(zhuǎn)向和停車停船卸泥，使泥砂卸到規(guī)定的位置和規(guī)定的高度。此外，還可以用泥門半開法拋泥，等船吃水減小后，再全開泥門來(lái)拋清泥。

3.7 掃淺施工方法

1）進(jìn)退挖泥法。如果遇挖槽比較短，或者只需要浚挖某一小段或局部淺點(diǎn)的時(shí)候，或者挖區(qū)終端的水域受到限制，很難實(shí)施回轉(zhuǎn)調(diào)頭，或者是考慮到調(diào)頭航行再調(diào)頭上線挖泥方式需要花費(fèi)太多時(shí)間時(shí)，通常會(huì)以水域情況和本船操作條件為依據(jù)，采取進(jìn)退挖泥法。也就是，在挖到終點(diǎn)或挖過(guò)淺點(diǎn)之后，起耙并將耙頭提高至離開床面以上的安全高度之后，再倒車使船退回，并越過(guò)起挖點(diǎn)以外，在確定船已不再存在對(duì)地后退慣性運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)而略微向前時(shí)，才能重新放耙著底挖泥。

2）采用“8”字形和“米”字形兩種挖掘方法。當(dāng)疏浚的航道中有零星的淺點(diǎn)和散立淺點(diǎn)時(shí)，可采取“8”字形和“米”字形的方式進(jìn)行淺層清理。

3）橫向挖掘法。當(dāng)航槽淺埂土壤堅(jiān)硬，壟溝深度相差懸殊時(shí)，常規(guī)縱向開挖將難以進(jìn)行。在條件允許的情況下，可以采取橫挖的方法，逐步減小溝道中的壟溝深度，并逐步使溝道中的河床變得平坦。施工路線與進(jìn)退挖泥法相似。

4.結(jié)語(yǔ)

總而言之，耙吸挖泥船要想達(dá)到精挖的目的，最重要的就是運(yùn)用動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，事實(shí)證明，通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的合理運(yùn)用，不但可以提升作業(yè)的自動(dòng)化程度和精度，而且還可以提升作業(yè)的質(zhì)量和效率，這樣，疏浚超標(biāo)、深度不足等問(wèn)題就可以很好地解決了。