“新海鷗”輪在大連船舶重工碼頭前沿水域及港池疏浚工程中的施工技術要點

劉延濤

摘 要：本文基于大連船舶重工集團船務工程有限公司修船建設項目碼頭前沿水域及港池疏浚工程，著重討論了新海鷗輪在工程建設中的施工技術要點，且探討總結(jié)了施工管線和縮口布置、分條分層施工、邊坡質(zhì)量控制和工程經(jīng)驗措施等，從而為絞吸船在類似質(zhì)量工程中的施工提供一定的理論依據(jù)和實踐參考。

關鍵詞：“新海鷗”輪;絞吸挖泥船;疏浚;施工技術;施工效率

中圖分類號：U616 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）08-0125-04

1工程概況

本工程的施工內(nèi)容包括內(nèi)灣南岸西中島東側(cè)標段的疏浚挖泥工程，以及疏浚吹填，將疏浚土方吹填至指定的納泥區(qū)，總面積約177萬m2，吹填頂標高+5m。

疏浚區(qū)的土質(zhì)是塑性粘土夾一定量碎石，天然土的平均密度約1.85g/cm3。疏浚區(qū)域為500m×200m和1000m×200m（長×寬），疏浚前平均水深約-6.0m，疏浚至設計水深-9.2m，疏浚區(qū)北側(cè)寬度28.4m區(qū)域，設計浚深至-4.0m。疏浚管線情況：總長2806～3518.54m，船上管60m，水上浮管560～800m，岸管126～1210m，沉江管1628～2840m，排泥管直徑850mm。排泥口直徑600～850mm，隨著管線的延長，排泥口直徑不斷擴大;區(qū)域北側(cè)、東側(cè)和南側(cè)按設計邊坡開挖，分別按1：2、1：2.5和1：5的坡比向外放坡，西邊線按垂直邊坡施工，不計超深。

2 施工技術難點

本工程是質(zhì)量工程[1]，對浚后水深和邊坡質(zhì)量要求較高，因此，“新海鷗”輪在實際施工中主要遇到了以下3個問題：

（1）如圖1所示，施工區(qū)上下土層土質(zhì)變化較大，且含石量較大，對管線磨損較嚴重。施工土質(zhì)多為塑性粘土，為五類土，3500方絞吸船挖掘和輸送該類土難度較大，泥土在輸送過程中易在管道內(nèi)粘結(jié)成團，且土中含有大量碎石，導致管道泥漿輸送流態(tài)不穩(wěn)定且無法預測。

（2）土質(zhì)較粘、水下石頭等垃圾雜物較多，導致開泵、清吸口時間較長。

（3）由于本工程對邊坡、水深要求較高，尤其是基槽北、南側(cè)邊坡，施工區(qū)原始水深多為零上水位，塌方現(xiàn)象嚴重，邊坡不易形成，因此需合理控制絞刀深度和放坡距離。

3 施工技術要點

絞吸挖泥船排泥管線和縮口大小的布置，對整個工程施工效率的有效發(fā)揮、機器設備的安全運行以及降本增效起著決定性的作用。

3.1合理鋪設管線防止堵管現(xiàn)象發(fā)生

浮管與灘地管、沉江管的連接應根據(jù)地形和水位變化來選擇適當?shù)倪B接方式，管線鋪設應避免出現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)彎，浮管與沉江管之間的端點站現(xiàn)固定牢固，防止因水流影響而出現(xiàn)移動，否則管路泥漿經(jīng)過彎折區(qū)段時會引起額外的阻力消耗。同時，當體積較大的固體物質(zhì)難以經(jīng)過時，即使平均施工泥漿濃度不高，也會直接造成管道堵塞。局部管徑的突然變小，會加劇泥漿在管路流動時與管壁相互作用而產(chǎn)生的漩渦程度和紊動強度，阻力損失因此而增加。此外，管路也不能出現(xiàn)泄漏，否則泄漏點前后的流量會發(fā)生改變，引起管路內(nèi)流速的局部改變，若沒有及時發(fā)現(xiàn)并采取措施，在泄漏點之后的泥漿會因流速的減小而沉降，引起管路阻力的逐步增大，進一步發(fā)展會發(fā)生堵管現(xiàn)象。因此，在日常施工過程中，應根據(jù)船舶施工參數(shù)變化情況，及時跟蹤和檢查排泥管線的密封性。

3.2合理計算沉江管長度

由于沉江管線修理麻煩，出現(xiàn)泄漏時也較難發(fā)現(xiàn)，且存在上下兩個爬坡產(chǎn)生較大水流磨損阻力，一般盡量減少使用，所以合理準確計算沉江管長度以減少多余管線阻力，也是日后施工過程中提高施工效率和時間利用率的關鍵。如圖2所示，為簡化計算，管線視為圓弧，且一般取值60°（α=60°），假設沉江管AB的設計圓弧長度為L1，在平面上的投影長度，即沉江管的長度，為AB的直線長度（即主、副端點垂直距離）L。沉江管長度S的計算公式如下：

“新海鷗”輪在大船重工碼頭前沿水域及港池疏浚工程的施工中，需跨越最大水域?qū)挾葹?340m，由此可計算得S≈2830m，即所需管線長度為2830m。而實際施工根據(jù)水下地形情況，鋼質(zhì)管線（每節(jié)12m）及橡膠軟管（每節(jié)2m）布設的長度約為2840m。

3.3合理確定排泥管線縮口大小

本工程施工排距在2806～3518.54m，上層表面有一定量的淤泥，對粘土管道輸送起到潤滑作用，施工流速較高，泥泵機組柴油機負荷也較大;下層是純粹的塑性粘土，施工流速隨濃度的提高下降很大。如果在施工中不加以合理控制，很容易造成堵管現(xiàn)象發(fā)生。合理確定排泥管線縮口大小并通過合理調(diào)整泥泵機組轉(zhuǎn)速，既能適合上層施工又能滿足下層施工要求，并達到較高的施工效率。

排泥管線縮口大小應滿足以下條件：

（1）在管徑、排距一定范圍下，排泥管線出口所安裝的縮口必須滿足泥泵機組柴油機最低轉(zhuǎn)速安全運行要求;

（2）針對施工區(qū)上下泥層土質(zhì)變化，所安裝的縮口必須滿足上下泥層施工時，土質(zhì)在泥管中能得到合理有效輸送，即滿足在高濃度狀態(tài)下，上層較松軟土質(zhì)在輸送過程中泥泵機組不超負荷，在下層硬塑性粘土輸送時又要確保不堵管;

（3）在滿足設備安全運行條件下，施工效率能達到最大化，萬方油耗指標達到最低，真正達到節(jié)能降耗的目的。如表1所示，根據(jù)《新海燕 新海鷗輪施工工藝》[2]，“新海鷗”輪管徑850mm的排泥管縮口直徑折算成同管徑直管的長度。

3.4合理分條、分層是提高船舶施工效率的關鍵環(huán)節(jié)

為了確保工程優(yōu)質(zhì)完成，在船舶施工期間，減少換樁、泵送清水、移船等無效施工時間，以最大程度上提高船舶施工效率。在絞刀挖掘能力的容許范圍下，通過不斷優(yōu)化分層厚度，并利用表層所含的淤泥起到管道輸送“潤滑”的作用，上層施工效率得到最大發(fā)揮。合理確定施工分條寬度，有效發(fā)揮整體施工效率。

“新海鷗”輪由港池南側(cè)進點施工臨時通道，待通道施工完畢，調(diào)整排泥管線后進點指定區(qū)域，從邊線進點，首先開挖北側(cè)第一絲，從西向東施工，然后再施工南側(cè)第二絲，每絲寬度100m。如表2所示， 如果不進行分層開挖，按驗收標高-9.2m進行測算，“新海鷗”輪的平均施工效率約在916.8 m3 h-1左右，施工效率較低。這一方面是因為泥質(zhì)粘性較大且含有大量的碎石，難輸送、易成團、流動性較差;另一方面是因為施工工藝不合理，未分層、進關量2.0m，使得泥層切得太多太厚。施工區(qū)域泥層平均厚度為3m，如果“新海鷗”輪每條分兩層開挖，即上層為-7.5m+水位，下層為-9.3+水位，再適當減小進關量在1.2～1.5m，使浚后水深達到-9.2m。對比發(fā)現(xiàn)，分層開挖使得施工效率明顯有所提高。

3.5邊坡施工質(zhì)量控制

絞吸船在開挖邊坡時，一般采用階梯形開挖法和矩形開挖法。當進行泥層較薄、臺階少的邊坡施工時，采用矩形開挖法;當進行泥層較厚、臺階多的邊坡施工時，采用階梯形開挖法。其原則是：上欠下超，超欠平衡，開挖后的邊坡臺階土體在自重和動水的作用下，自然坍塌后形成的邊坡可滿足設計要求。根據(jù)本工程開挖邊坡施工質(zhì)量要求，不宜一次開挖形成邊坡，因此“新海鷗”輪在施工過程中采取階梯形開挖法。同時，本工程在開挖邊坡時，由于離碼頭較近，采用與碼頭平行開挖，從而有效避免因垂直碼頭開挖形成開挖死角，提高時間利用率。

如表3所示，必須根據(jù)土質(zhì)情況，選取適宜的設計邊坡比，以確保邊坡的穩(wěn)定性。邊坡比是邊坡的主要參數(shù)，其定義是邊坡高度與寬度的比值。由于受土質(zhì)特性和水利條件影響，不同土質(zhì)的邊坡穩(wěn)定性各不相同。

實際施工中，臺階深度確定后，需合理分層進行開挖，如果分層厚度過大，易導致邊坡大規(guī)模塌方，致使邊坡無法滿足設計要求;如果分層厚度過小，邊坡坡度無法形成，施工效率也較低。在采用階梯形開挖法開挖臺階時，臺階分層厚度一般選取為1.0m～2.5m之間進行選擇。臺階寬度即不同臺階絞刀深度下的放坡距離，其值可根據(jù)上下臺階深度差值與邊坡比求得，同時結(jié)合絞刀實際切泥深度值，從而可得不同絞刀深度應做至邊線何處。

如圖3所示，本工程邊坡主要以基槽北、南側(cè)邊坡為施工難點，基槽底設計深度為-9.2m，基槽邊線深度即邊坡底設計深度為-6.2m，上下層的高度差為1.5m，邊坡各臺階設計深度分別為-6.2m、-7.7m和-9.2m，北側(cè)基槽底以上的土質(zhì)主要是塑性粘土，且整個工程離碼頭較近，坡度需較緩，因此邊坡比選取為1：2，基槽底至基槽邊線距離為6m，放坡距離為3m;南側(cè)基槽底以上的土質(zhì)主要是軟粘土和淤泥，施工區(qū)泥層較厚，極易坍塌，因此邊坡比選取為1：5，基槽底至基槽邊線距離為15m，放坡距離為7.5m。

如圖4所示，絞刀頭與橋架并不完全成一直線，存在約15°的角度，但通過換算發(fā)現(xiàn)這15°的角度對不同絞刀深度下所對應的理論最佳挖寬值基本不會產(chǎn)生誤差，因此在絞刀實際切泥深度值的計算公式中忽略不計。此外，由于在計算絞刀深度時，以施工基準面至吸口假定線的垂直距離，并未將吸口前絞刀的垂直投影距離計算在內(nèi)，但是真正接觸并切削泥面的是絞刀，因此在實際施工中，為保證邊坡質(zhì)量，絞刀深度不能直接采用臺階設計深度值進行開挖，必須根據(jù)絞刀實際切泥深度值（h+s）進行計算。

根據(jù)求得的邊坡底設計深度（-9.2m）和絞刀實際切泥深度計算方法，同時考慮到泥質(zhì)為粘土，塌方、流動性較大，可適當抬升橋架，則實際施工中絞刀深度可確定為-8.8m;臺階分層厚度為1.5m，則各斷面施工絞刀深度分別為-8.8m和-7.3m，由此可確保邊坡各臺階斷面標高滿足設計標高，形成邊坡。根據(jù)本工程工后水深測量情況，邊坡坡度、臺階斷面標高等參數(shù)完全符合設計要求。

4 工程經(jīng)驗措施

在實際質(zhì)量工程施工中，對水深要求較為嚴格，為避免出現(xiàn)淺點、漏挖、超深等不利影響而造成經(jīng)濟損失和確保工程質(zhì)量，應做好以下幾點：

（1）制定并及時調(diào)整施工方案。施工前，應根據(jù)工程概況，尤其是施工區(qū)域的浚前水深、土質(zhì)及管線的布置，制定好工程初期的施工方案;在施工中，對所發(fā)現(xiàn)的問題及時分析處理，調(diào)整施工方案。

（2）勤測水深。施工中，調(diào)整施工方案后，及時測量水深，并根據(jù)水深測量結(jié)果再次調(diào)整施工方案，從而避免水深測量不及時而造成淺點或超深。

（3）核對潮位及水砣繩。施工中潮位經(jīng)常處于漲潮或落潮狀態(tài)，尤其是在潮位變化較大的地區(qū)施工，潮位每幾分鐘就會變化一次，應根據(jù)潮位的變化，及時調(diào)整絞刀下放深度，當潮位變化異常時，根據(jù)潮汐表進行判斷解決。此外，水砣繩由于長時間使用，可能會因膨脹收縮而使測量精度產(chǎn)生偏差，應每隔一段時間對水砣繩進行校核，使精度偏差在可控范圍之內(nèi)，確保工程質(zhì)量。同時，水砣繩可以選擇細鋼絲、電線等材質(zhì)來代替棉麻繩，因為這些材質(zhì)即使在使用一段時間之后也不容易縮水，對水深測量誤差影響較小，從而保證測量精度。

（4）校對絞刀深度。在實際施工中，絞刀深度對水深的影響較大，不能忽略了絞刀深度的校對。絞刀深度是由船舶疏浚輔助系統(tǒng)（SCADA），根據(jù)上下起點位置（即上下零點）之差，上起點位置為工程施工基準面，下起點位置一般采用假定位置，以絞刀的吸口中心為假定線及潮位變化計算得出。但絞刀深度值會受船舶前傾后仰、耳軸偏向、系統(tǒng)誤差累計等因素影響，造成誤差。當發(fā)現(xiàn)誤差時必須及時校對，消除誤差，防止水深不夠再進行掃淺施工，耗費人力物力，從而達到降本增效的目的。

5結(jié)語

“新海鷗”輪在大連船舶重工集團船務工程有限公司修船建設項目碼頭前沿水域及港池疏浚工程施工中，通過及時采取措施調(diào)整施工方案，克服了排距較長施工效率低、水下石頭多對管線磨損嚴重、土質(zhì)較粘難輸送、塌方嚴重邊坡不易形成等諸多不利影響，不斷提高船舶的時間利用率、施工效率，逐步降低萬方油耗。

參考文獻：

[1]中交上海航道局有限公司.疏浚技術培訓教材[Z].

[2]中交上海航道局有限公司東方疏浚工程分公司.“新海燕”“新海鷗”輪施工工藝[Z].