基于絞吸挖泥船的硬底質海砂開采施工技術

劉 斌，趙海豐

(中交天航南方交通建設有限公司，廣東深圳 518000)

引言

海砂是僅次于石油、天然氣的一種不可恢復的自然資源，在建筑工程中發揮著重要作用[1]，然而海砂開采仍然存在著條件的制約，需要結合實際情況采取合適的施工技術保證采砂工作。目前主要采砂方法為射流采砂船吸取海砂后，通過裝駁皮帶裝于砂駁中，砂駁運往目的地后采用砂駁自帶皮帶機輸送砂土到卸載區[2-3]，但無法適應具有雜質多、砂層密實度高、砂料分布不均勻、外海風浪影響大等復雜工況海域海砂開采工作。為解決上述問題，本文利用絞吸船可開采硬底質海砂能力[4]，研究了絞吸船+裝駁平臺施工技術、絞吸船+篩分洗砂平臺采砂技術等兩種海砂開采施工技術，應用證明第二種采砂技術可行且采砂質量好。

1 工程概況

工程位于廣西欽州市三墩海域欽州灣口，距離欽州保稅港區約8.0 n mile。

依據勘察表明，在鉆探所達深度范圍內，場地地層屬沉積成因。擬施工海域巖土大體可分3層，自地面向下各層分別為：①淤泥層、②-1粗砂層、②-2中砂層、②-3細砂層、②-4粉砂層、③中風化泥巖層。砂源中含有不少石塊及雜質，砂源區整體含砂量約36 %，標準貫入擊數大部分達22～39擊，土質密實，需要采用挖掘能力強的絞吸船[5]，計劃每月采砂工程量不少于75萬t。

2 絞吸船+裝駁平臺施工技術

2.1 技術原理

采用絞吸船開挖海砂，然后經絞吸船水下泵直接接入裝駁管系（即不經過艙內泵管系）到船艉排出口，將水上浮筒管線一端連接船艉管口、另一端連接裝駁平臺（平板駁）。在裝駁平臺上安裝裝駁架，管口位置采用自浮管和鋼管連接并斜向固定在裝駁架上，管口伸出抓斗船弦外，直接裝駁至皮帶船（運砂船舶），最后由皮帶船打砂至岸邊儲砂場。

2.2 主要裝駁系統設計

1）裝駁管總體布置設計

固定在平板駁上的主管鋼管件，共計42m（Φ800 mm×L12 000 mm三節、Φ800 mm×L6 000 mm一節）。如圖1，在主管左側距離管頭7 m、右側離管頭7.8 m兩個位置處各布設了左側、右側的第一組分管（Φ500 mm），隨后每隔4.8 m布設一組分管，總計每側8根，共計16根鋼管。

圖1 砂駁船靠駁裝砂平臺示意

2）分管結構設計

在主管兩側打孔，焊接Φ500 mm×L500 mm鋼管+閥門+Φ500 mm×L4 500 mm鋼管。閥門每個支管均布置，采用人工旋轉控制，用以調節分管流量，如圖2所示。

圖2 裝駁平臺斷面示意

在鋼管的終端，通過鐵箍套以Φ500 mm×L5 000 mm膠管，搭接在運砂船的艙內。該膠管可以通過電動卷揚機和鋼絲繩等設備吊起，用以調節高度，進而控制裝駁吹砂的揚程。排泥管通過調節高度可以實現向兩側的運砂船吹砂。

3）裝駁平臺管路設計

如圖3所示，主管內徑800 mm，外徑836 mm，壁厚36 mm。支管內壁直徑500 mm，外壁直徑536 mm，管壁36 mm。支管出口距離主管的垂直距離為4 000 mm，水平距離為9 000 mm，支管間距均為4 000 mm。

圖3 裝駁管路示意

4）改造成果

改造完成后，平板船舶照片如圖4所示，施工時裝砂駁船運轉情況如圖5所示。

圖4 裝駁平臺船舶

圖5 絞吸船天禹接萬伶和裝砂平臺

2.3 采砂試驗

采用絞吸船天禹船+300 m排泥管線+“萬伶和”裝砂平臺進行溢流裝艙采砂，在不同的位置試挖3船次后，結果發現開采的土質中含有大量石塊、黏土及貝殼等雜質，砂質量不滿足合同要求，故放棄該方案。

3 絞吸船+篩分洗砂平臺采砂技術

3.1 技術思路及原理

技術思路：受絞吸船+裝駁平臺施工技術研究啟發發現，砂中大量石塊、黏土及貝殼等雜質需采用專用裝置進行篩分洗選，研討方案后，將皮帶船改裝優化為洗砂篩分裝置。

技術原理：施工前由絞吸船立鋼樁精確定位，下放前端橋梁及絞刀系統至指定深度，左右擺動、分層分條進行采砂作業，絞刀系統可將砂土及雜質進行快速破碎，水下泵（單泵）在吸砂管內形成負壓真空，將混合砂漿吸入管線系統后輸送至篩分洗砂平臺，運輸船（皮帶船）靠泊平臺進行溢流裝艙作業，滿載后離駁至指定地點卸砂。

3.2 篩分洗砂船優化改造

篩分洗砂船工作原理：砂漿吸到洗砂船艙，通過安裝在甲板上的篩網進行過濾，將石塊、垃圾等濾在篩網上，海砂流入砂倉，經過水體清洗，砂粒沉入船艙底部，表面形成含泥余水，淤泥、粉砂則隨水流經采砂船體底部的溢流口排出，采砂船艙中的海砂用傳送帶輸送到泊在采砂船船舷兩側的皮帶運砂船上。

1）篩分洗砂平臺進砂口管路改造

試驗階段主要有兩種管路連接設計方案。方案一：拆除射流船橋梁，在橋梁斷口處與絞吸船自浮管對接。方案二：不拆除射流船橋梁，從篩分裝置處布設一條新的管路從射流船左側接管至水面與絞吸船自浮管連接。經過試驗對比，總結兩種管路連接設計方案優缺點對比見表1。

表1 兩種管路布設優缺點對比分析

經過上述兩種管路布設的射流船篩分洗砂效率分析，最終決定采用方案二這種管路設計方式，采砂效率較高。即采取不拆除橋梁，從篩分裝置處布設一條新的管路從篩分洗砂船左側接管至水面與絞吸船自浮管連接。篩分洗砂船原裝進砂管為Φ650 mm鋼管，而絞吸船是Φ800 mm鎧裝自浮管，為了實現兩根鋼管的順利對接，中間需通過變徑進行串聯。篩分洗砂船進砂管截斷后，新接的法蘭距離水面約5 m，通過一節6 m的鋼管作為船艉管與水面的自浮管對接，鋼管與自浮管之間，接柔性的鎧裝膠管串聯，改造后見圖6。

圖6 絞吸船自浮管與篩分洗砂平臺連接

2）篩分裝置改造

篩分裝置的核心為進砂口后方的濾網，采砂施工過程中根據施工區砂質情況不斷優化濾網間距，同時調整洗砂滾筒的轉動速度，對不同含泥量的砂源設置不同的過濾洗砂技術參數，從而清洗出含泥量滿足標準規范及合同要求的中粗砂，其中濾網經多次試驗確定最終方案。

采用8 mm間距的篩分裝置進行篩分，可滿足業主質量要求，且施工效率顯著提高，開采出優質海砂。

3.3 主要施工工藝及質量控制要點[7-8]

1）絞吸船采砂裝駁工藝流程

施工準備→絞吸船就位→裝砂平臺就位→排泥管線連接絞吸船、裝駁平臺→砂駁船靠駁裝駁平臺→絞吸船采砂→砂駁船滿載后絞吸船停泵、砂駁船離開→第二批砂駁船靠駁→絞吸船二次采砂[6]。如此循環作業。

2）絞吸挖泥船施工主要控制參數

a）絞刀性能及轉速控制

上層開挖淤泥對絞刀的挖掘能力（功率）要求較小，轉速一般控制在20 rpm左右；下層砂土相對密實，轉速一般控制在32 rpm左右，實際根據土質情況調整。

b）橫移速度

開挖淤泥層時，橫移速度一般控制在15～18 m/min，根據殘留情況進行優化調整；開挖砂土層時，正刀橫移速度8～10 m/min，反刀橫移速度10～12 m/min，為確保穩定的高濃度，施工中根據實際情況實時調整。

c）真空

在正常挖泥狀態下，控制真空≤-0.50 bar。

d）濃度

天禹船開挖淤泥平均濃度控制在30 %～50 %之間；開挖砂土層時，濃度在10 %～15 %左右。

3）洗砂控制參數

洗砂裝置的核心設備為若干個簸箕狀設備組成的滾筒，根據采砂區含泥量不同不斷調整洗砂裝置的靜置時間和轉動速度，從而開采出符合含泥量標準的海砂。

滾筒清洗池：視砂源含泥量每小時停滾筒10 min；

滾筒：視砂源區含泥量情況，轉速在50～56轉/小時；

洗砂效率：不受限，最高能達3 000 m3/h。

4）主要質量控制要點

a）砂源區含砂較高時，篩分平臺各設備正常作業。

b）開挖表層淤泥含量較高時，皮帶輸送機不往皮帶船上打砂，泥水混合物通過在洗砂池內溢流排出。

c）開挖區域砂源中含較多雜質時，濾網上有較多雜質從兩側排出，調整進砂管線上布設的液壓閘閥，通過高流速加速篩分裝置上殘留的雜質排出。

d）當開挖區域含砂較多且無雜質時，提高洗砂池滾筒轉動速度及皮帶機送砂速度。

e）采砂過程中絞吸船與射流船駕駛臺通過高頻時刻保持溝通，通過調節絞刀吹水頻次、射流船進砂口液壓閘閥、洗砂池洗砂時間、滾筒轉動速度及啟閉皮帶輸送機來實現采砂效率最大化。

4 采砂施工效率分析

4月26日至5月25日，累計簽認上方量平均日產量約11 380 t，上方生產率821 t/h，時利率57.8 %，出砂率為47.6 %。

由此表明，該施工生產效率及出砂率均有提高，施工工藝是成熟可行的。

5 結語

研發并成功應用基于絞吸船采砂、篩分洗砂平臺洗砂及皮帶船運砂的海砂開采施工技術，解決了傳統射流船因砂源區砂質分布不均勻且密實堅硬而取砂困難的問題，海砂質量經檢測合格。通過改造射流船原有前端輸砂管路，同時創新研制了射流船鋼制格柵，有效篩分海砂中貝殼、大顆粒塊石等雜質，提高采砂質量。

絞吸船即可勝任密實砂源開采以及外海海域施工，又可盤活過剩產能，未來在海砂開采方面大有可為，成果推廣前景非常樂觀。