大型耙吸船航道掃淺施工工藝

弓寶江，張大偉，楊正軍

(1.中交(天津)疏浚工程有限公司，天津 300450；2.天津市疏浚工程技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457)

1 工程概況

日照港石臼港南區(qū)深水航道一期工程施工任務(wù)為航道疏浚，總長(zhǎng)約27 km，整體工程量約1 850 萬m3。作為山東省日照市2019 年重點(diǎn)港口建設(shè)工程，日照港“東煤南移” 工程將污染較重的大宗散貨和煤炭作業(yè)從該港口石臼港區(qū)東作業(yè)區(qū)搬遷至離城區(qū)較遠(yuǎn)的南作業(yè)區(qū)，港口環(huán)保措施更加完善，集疏運(yùn)更加智能、暢通、便捷，逐步實(shí)現(xiàn)港口的生態(tài)轉(zhuǎn)型。

該工程疏浚施工的設(shè)計(jì)挖深21 m，設(shè)計(jì)邊坡1∶5，主要施工船舶為“通程” “通旭” “通遠(yuǎn)”輪等大型耙吸船。

2 工藝研究過程

2.1 工程實(shí)施情況

本工程的泥層厚度為1～2 m，在施工初期，相繼制定了工程的《質(zhì)量控制體系》，明確耙吸船施工的質(zhì)量控制點(diǎn)，并制定有針對(duì)性的施工工藝書。雖然采取了一系列質(zhì)量控制措施，但施工后期仍存留大量的淺點(diǎn)。淺點(diǎn)類型基本分為零星狀、片狀和淺梗等，見圖1。

圖1 淺點(diǎn)分布

2.2 掃淺效果

針對(duì)施工區(qū)內(nèi)不同類型的淺點(diǎn)，制定了“串點(diǎn)” 施工方案(圖2)，進(jìn)行第1 輪的清淺施工。

圖2 “串點(diǎn)” 清除淺點(diǎn)

第1 次掃測(cè)共施工3 d，24 h 運(yùn)轉(zhuǎn)，施工完成后測(cè)量見圖3。可以看出，典型單元區(qū)域內(nèi)淺點(diǎn)數(shù)量由原來的30 個(gè)減少至20 個(gè)，掃淺效率為33%。

圖3 第1 次清淺測(cè)量

船舶根據(jù)第1 次的工藝，開始第2 階段的掃淺，時(shí)間為3 d，施工完成后測(cè)量見圖4。可以看出，本次掃淺僅個(gè)別區(qū)域有所加深，其他區(qū)域幾乎沒有變化。第二次掃淺效率接近0%。

圖4 第2 次清淺測(cè)量

3 掃淺施工工藝制定

3.1 船舶選型

為減少航道疏浚工程對(duì)通航船舶的影響，施工過程中根據(jù)施工土質(zhì)選擇適宜的自航耙吸式挖泥船。施工區(qū)以粉土、黏土為主，具有顆粒小、密實(shí)度高的特性，區(qū)域內(nèi)粉土最高標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)34.1 擊，天然密度最高達(dá)2.02 t∕m3。通過《疏浚與吹填設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]判定該工程區(qū)域內(nèi)的土質(zhì)屬于5 級(jí)堅(jiān)硬狀態(tài)。

通過土質(zhì)情況分析，土質(zhì)密實(shí)度大不適合小型耙吸船施工。為保證挖泥效率，采用主機(jī)功率10 MW 以上、帶有主動(dòng)耙頭且質(zhì)量在25 t 以上的耙吸船為宜。通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比，“通程” 輪主機(jī)功率17.40 MW，耙頭質(zhì)量30 t，帶有主動(dòng)耙頭并具備高壓沖水及船首橫向設(shè)備，滿足施工硬質(zhì)土的要求，其主要參數(shù)為:總長(zhǎng)162.3 m，型深15 m，船寬28.5 m，艙容1.8 萬m3，滿載、空載吃水分別為11、9.5 m，裝機(jī)功率20.28 MW，裝載量2.7 萬t。

確定施工船舶后，需要對(duì)船舶的定位導(dǎo)航設(shè)備以及疏浚施工設(shè)備進(jìn)行再次校驗(yàn)，保證施工儀器儀表的準(zhǔn)確性，減少系統(tǒng)操作誤差。

3.2 設(shè)備改進(jìn)

3.2.1 更換耙齒

“通程” 輪前期的施工掃淺效率僅33%，排除主機(jī)功率及耙頭較輕的因素，前期耙頭采用了尖齒配板齒的搭配以增加產(chǎn)量，但是由于土質(zhì)堅(jiān)硬，板齒的破土能力明顯低于尖齒，最終將全部板齒更換為尖齒(圖5)，增加破土能力。

圖5 耙頭更換尖齒

3.2.2 加焊耙頭立板

淺點(diǎn)處存在高差為1～2 m 的淺梗容易導(dǎo)致耙頭“溜耙”，為增加上線率，在耙頭本體下側(cè)加焊導(dǎo)向立板(圖6)，入泥時(shí)受到耙頭重力作用，導(dǎo)向立板首先入土，可以有效阻止耙頭側(cè)滑，提高上線率。

圖6 加焊導(dǎo)向立板

3.2.3 制作耙平器

由于工程施工里程長(zhǎng)、面積大、淺點(diǎn)分布廣，使用耙吸船串點(diǎn)施工效率低，且耙頭長(zhǎng)度較短僅5 m，須多次上線才能完成一次掃淺。增加寬度18.8 m、質(zhì)量30 t 的耙頭平器(圖7)，可滿足耙平硬質(zhì)淺點(diǎn)的要求，其寬度大，比普通耙頭大3 倍，更容易成功上線。但耙平器以“刮” 梁式掃淺，沒有足夠的切削力，所以需要采用耙吸船將淺梗打散后，耙平器才可發(fā)揮作用。

圖7 耙平器設(shè)計(jì)

3.3 最優(yōu)施工工藝參數(shù)

3.3.1 確定施工航速

在施工掃淺階段，各個(gè)淺點(diǎn)的分布沒有規(guī)律性，分散程度大，不適宜確定航速。所以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的淺點(diǎn)分布確定航速原則[2]:

1)針對(duì)硬質(zhì)淺點(diǎn)，需要提高航速進(jìn)行挖掘，淺梗區(qū)域航速選定在2.5 kn 左右。

2)針對(duì)不連續(xù)淺點(diǎn)，在串點(diǎn)過程中航速選定在3～5 kn，接近淺點(diǎn)前50 m 降低航速至2 kn 左右，保證平穩(wěn)上線。

3)針對(duì)孤立淺點(diǎn)，提前定好船位后，保持2 kn左右速度上線。

3.3.2 確定布線方式

根據(jù)不同的淺點(diǎn)形式，以及前期的施工效果，布線方式采用“定點(diǎn)清除” 與個(gè)別相連點(diǎn)“聯(lián)合清除” 的方式:

1)橫縱聯(lián)合法。對(duì)于淺梗，單獨(dú)的平行于淺梗挖掘效果不好，會(huì)造成溜耙，單獨(dú)的大S 形切削效果慢，所以采取橫向與縱向多次穿插聯(lián)合施工法，見圖8。

圖8 橫縱聯(lián)合施工耙跡線

2)往復(fù)多次清除法。對(duì)于孤立淺點(diǎn)，采取多次上線、往復(fù)開挖的方法，見圖9。由于每個(gè)淺點(diǎn)的情況都不同，耙吸船掃淺期間需要根據(jù)每次耙頭上線的位置以及切削的厚度，結(jié)合淺點(diǎn)的高度決定淺點(diǎn)需要施工的次數(shù)，以達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[3]。根據(jù)日照工程的施工數(shù)據(jù)顯示，每次“通程” 輪成功上線可切削10 cm 左右。

圖9 往復(fù)開挖耙跡線

3.3.3 注重開挖后的記錄

在開挖完畢后，施工船舶及時(shí)標(biāo)注已經(jīng)施工過的淺點(diǎn)(圖10)，并進(jìn)行反饋，及時(shí)安排測(cè)量，得出船舶施工效果。

圖10 淺點(diǎn)標(biāo)記

3.3.4 確定波浪補(bǔ)償器壓力

為增加施工船舶耙頭對(duì)硬質(zhì)黏土的對(duì)地壓力[4]，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定波浪補(bǔ)償器壓力值為4 MPa。一方面對(duì)于堅(jiān)硬土質(zhì)需要調(diào)低該壓力；另一方面對(duì)于淺點(diǎn)眾多需要調(diào)高壓力，以保證設(shè)備安全。綜合考慮后確定壓力值為4 MPa。

3.3.5 確定測(cè)量保障計(jì)劃

在氣象條件允許的條件下，每天掃淺施工30～40 個(gè)點(diǎn)位，并及時(shí)有效地測(cè)量結(jié)果。

3.4 過程實(shí)施效果

本工藝研究結(jié)合質(zhì)量控制(quality control，QC)管理，從人、機(jī)、料、法、環(huán)5 個(gè)方面，通過頭腦風(fēng)暴法充分對(duì)影響掃淺效率的因素進(jìn)行分析，引入計(jì)劃→執(zhí)行→檢查→處理(PDCA)的質(zhì)量循環(huán)管理模式，從施工設(shè)備選型及改進(jìn)等方面進(jìn)行改進(jìn)，較好地解決了耙吸船航道掃淺效率低的問題，單次掃淺的效率可達(dá)80%。

4 結(jié)語

1)該工藝提高了掃淺效率，成功解決了日照港石臼港區(qū)南區(qū)深水航道工程中施工掃淺困難、效率低的問題。測(cè)量結(jié)果顯示，掃淺的效率每次可達(dá)80%以上。

2)總結(jié)出一套適用于耙吸船航道掃淺施工的工藝，使耙吸船掃淺速度基本控制在0.5 km∕d 的水平。

3)本工藝也適用于與此工況相近的疏浚施工，可提高耙吸船的適用性。

4)采用該工藝后，一次性通過工程驗(yàn)收，驗(yàn)收合格率100%，保障了工期。