絞吸船分層施工技術(shù)質(zhì)量控制研究

劉濤，呂俊峰，劉曉慧

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510000）

1 前言

隨著疏浚業(yè)的不斷發(fā)展，工程工況日趨復(fù)雜，競(jìng)爭(zhēng)也日益激烈，精細(xì)化施工與對(duì)土質(zhì)輸挖特性的深入分析越發(fā)顯得重要。對(duì)于挖泥層厚較大的工程，絞吸船施工一般采用每一進(jìn)步都挖到底層的施工工藝。實(shí)際上判斷工藝是否合理的原則應(yīng)是總施工期生產(chǎn)率最高，并非幾個(gè)倒樁或倒錨周期內(nèi)最高，定性分析顯然忽略了橫移速度、起落橋速度、進(jìn)尺等挖掘參數(shù)及流速、真空等輸送參數(shù)的影響。同時(shí)，快速加深開挖忽略了巖土變化的時(shí)效性特點(diǎn)，譬如軟化系數(shù)，孔隙水負(fù)壓導(dǎo)致開挖力矩增大和絞刀汽蝕等影響疏浚生產(chǎn)的深層次原因的影響。

通過(guò)對(duì)上述問(wèn)題的分析，在工程實(shí)踐中逐漸出現(xiàn)了改進(jìn)的施工工藝，基于土質(zhì)輸挖特性的絞吸船分層施工工藝，在我國(guó)多個(gè)港口航道工程中采用過(guò)該新工藝進(jìn)行施工，根據(jù)施工過(guò)程分析和最終效果統(tǒng)計(jì)，證明該工藝較好地滿足工程進(jìn)度要求和質(zhì)量要求，取得了良好的效益。

2 分層施工工藝施工特點(diǎn)及適用范圍

2.1 工藝特點(diǎn)

通過(guò)合理分層施工，該工藝主要有以下特點(diǎn)：

（1）由于不同土質(zhì)有不同輸送特性，針對(duì)這一特點(diǎn)，在每層的施工過(guò)程中，采取了差異性的輸送參數(shù)或者對(duì)管線進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，充分發(fā)揮船機(jī)泵的負(fù)荷，提供輸送生產(chǎn)率。

（2）對(duì)土質(zhì)的特性的分析，合理安排施工時(shí)段及針對(duì)性的工藝方法， 根據(jù)土質(zhì)的不同采取不同厚度的分層施工，使得船舶運(yùn)行參數(shù)更加平穩(wěn)，有利于船舶操縱與減少船機(jī)故障。

（3）改變了一刀到底的傳統(tǒng)施工方式，可以降低瞬時(shí)塌方埋壓的可能性；也可減少塌方總量。減少開挖斷面滿足后土體繼續(xù)塌坡對(duì)質(zhì)量及進(jìn)度的影響。

2.2 適用范圍

新工藝適用范圍廣，基本適用工程條件如下：

（1）絞吸船開挖泥面厚度較大，可以在橋梁下方不同深度進(jìn)行多層施工；下層土軟化系數(shù)較高，軟化較快，或上覆層去掉后，經(jīng)過(guò)浸泡有效應(yīng)力降低較快的土層。

（2）由于新工藝輸送管線較短，不同層土混挖后輸送狀態(tài)變化較快，變幅較大；不同土層土質(zhì)不同，其輸送挖掘特性存在區(qū)別，混合后級(jí)配特性沒有良好改變。

3 .工藝原理

3.1 挖掘生產(chǎn)率的分析

現(xiàn)行規(guī)范對(duì)絞吸船挖掘生產(chǎn)率的定義如下：

式中：W—絞刀挖掘生產(chǎn)率（m3/h）；D—絞刀前移距（m）；t—絞刀切泥厚度（m）；—絞刀橫移速度（m/min）；K—絞刀挖掘系數(shù)，與絞刀實(shí)際切泥斷面積等因素有關(guān)，可取0.8 ～0.9。

上述規(guī)范還指出：“絞吸挖泥船生產(chǎn)率分為挖掘生產(chǎn)率和泥泵管路吸輸生產(chǎn)率兩種，兩者之中，取其較小者代表其生產(chǎn)率”。

現(xiàn)行規(guī)范中只考慮了橫移、進(jìn)尺、切厚及絞刀形狀的影響，忽略了挖掘過(guò)程中的倒樁、移錨等常規(guī)過(guò)程的影響，因此其生產(chǎn)率只是一個(gè)擺動(dòng)過(guò)程的生產(chǎn)率，而非總的挖掘生產(chǎn)率，按照規(guī)范公式無(wú)法對(duì)總生產(chǎn)率進(jìn)行分析。船舶挖泥過(guò)程中有多個(gè)挖掘動(dòng)作協(xié)調(diào)完成，主要包括橫移、換向、進(jìn)尺、船舶倒樁、船舶倒錨、退收臺(tái)車、起落橋梁等幾個(gè)環(huán)節(jié)。因此挖掘時(shí)間的計(jì)算公式如下所示：

通過(guò)公式可知，在施工區(qū)域相同的情況下，絞吸挖泥船挖掘生產(chǎn)率的大小與不同施工方法的施工總時(shí)間的快慢有關(guān)。挖掘過(guò)程有直接到底、來(lái)回進(jìn)退臺(tái)車的拉抽屜施工、大分層施工等三種方法。

3.1.1 對(duì)于每一進(jìn)步直接到底的挖掘總時(shí)間進(jìn)行分析

假定每個(gè)倒樁、收臺(tái)車過(guò)程時(shí)間相同，進(jìn)尺與橫移過(guò)程同步進(jìn)行，不計(jì)回淤、殘留等因素，則總施工時(shí)間

式中：L—施工區(qū)長(zhǎng)度；W—施工區(qū)寬度；H—挖掘深度；T1—總施工時(shí)間；ld—倒錨距離；vi—不同層橫移速度；lt—倒樁距離；tz—倒樁時(shí)間；tt—收臺(tái)車時(shí)間；tq—橋梁時(shí)間；ni—挖掘?qū)訑?shù)。

3.1.2 對(duì)于小分層拉抽屜的挖掘總時(shí)間進(jìn)行分析

實(shí)際上挖深較大的時(shí)候，很難采取每一進(jìn)步橋梁到底的挖掘方式，更多的是采用小分層，或來(lái)回進(jìn)退臺(tái)車的施工方式，施工總時(shí)間為：

式中：ts-收臺(tái)車時(shí)間。C-大分層挖掘時(shí)間

式中：n —大分層數(shù)，ty—移船時(shí)間。

從上面理論分析可以看出，除移錨時(shí)間、倒樁時(shí)間、移船可能有所增加外，橫移時(shí)間，退臺(tái)車時(shí)間，橋梁起落時(shí)間都有可能減少。實(shí)際施工過(guò)程中也是如此，一般大分層施工，分層數(shù)僅為兩層，并且還可以采用倒錨距離內(nèi)連續(xù)退船的方式，完成大分層。以上時(shí)間中，占比量最大的實(shí)際上還是橫移時(shí)間，采用大分層施工挖掘橫移時(shí)間可以縮短的機(jī)理。

3.2 土質(zhì)時(shí)效性機(jī)理及絞刀汽蝕機(jī)理

巖土卸載后有效應(yīng)力變化的時(shí)效性機(jī)理及絞刀汽蝕機(jī)理，由土力學(xué)原理可知，飽和土體總應(yīng)力計(jì)算的太沙基公式為：

根據(jù)（6）式可見飽和土總應(yīng)力由有效應(yīng)力與孔隙水應(yīng)力共同承擔(dān)形成，在水下定深的飽和土中總應(yīng)力變化后，由靜水力原理孔隙水壓力最終將不變，有效應(yīng)力隨之變化。但在應(yīng)力作用下，土體具有較顯著的流變性質(zhì)。比較典型的流變現(xiàn)象還有，土體固結(jié)過(guò)程的e ～p時(shí)效性曲線。

因此，疏浚挖掘過(guò)程如果過(guò)快達(dá)到一定深度，有效應(yīng)力來(lái)不及調(diào)整，吸水固結(jié)過(guò)程來(lái)不及完成，則土體破壞所需的荷載較大。如果經(jīng)過(guò)一段時(shí)間再進(jìn)行挖掘，則土體有效應(yīng)力有明顯減小后，所需荷載也將減小。此外，所開挖基槽周邊的土體對(duì)基槽底土體的擠壓作用也與時(shí)間有關(guān)。

4 新工藝操作要點(diǎn)

4.1 工藝流程

泥漿分層開挖施工工藝需要考慮不同土體的各自穩(wěn)定性及輸送特性，還要考慮土體力學(xué)性能與時(shí)間的變化規(guī)律。要對(duì)輸送、挖掘進(jìn)行綜合分析，確定限制因素，選定合理大分層厚度；要根據(jù)管線與土的流變性質(zhì)、軟化性質(zhì)選擇大分層開挖條長(zhǎng)度；在每層的具體施工過(guò)程中還要選定不同的施工工藝參數(shù)。

4.2 操作要點(diǎn)

（1）施工每一層土質(zhì)時(shí)，要及時(shí)調(diào)整參數(shù)，確保船舶設(shè)備性能在每一層的施工中都能最大限度地發(fā)揮，提高生產(chǎn)率。施工過(guò)程中密切聯(lián)系管線隊(duì)，在不同層施工時(shí)如需要縮口或多條管線倒換等調(diào)整，應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)備好相關(guān)材料與移船等時(shí)間重疊進(jìn)行，以最大限度節(jié)約時(shí)間，提高生產(chǎn)率。

（2）同一類土質(zhì)在不同層深時(shí)，力學(xué)性質(zhì)會(huì)有差異。根據(jù)絞刀負(fù)荷及輸送效果，可以結(jié)合不同土質(zhì)分布深度和厚度進(jìn)行有針對(duì)性地調(diào)整。

（3）除水平方向的土質(zhì)變化外，還要注意土層的坡度變化，如連續(xù)兩個(gè)臺(tái)車同一層絞刀負(fù)荷及輸送效果變化較大時(shí)，應(yīng)有針對(duì)性地調(diào)整修正層厚等相關(guān)參數(shù)，以免影響生產(chǎn)。

4.3 分層輸送增大產(chǎn)量原理

當(dāng)挖泥船施工時(shí)，泥泵提供的能量能幫助泥漿克服管道中的阻力。輸泥管路特性曲線和泥泵特性曲線的交點(diǎn)就是泥泵的實(shí)際工作點(diǎn)。泥泵流量Q ～揚(yáng)程H 特性曲線與排泥管路流量Q ～水頭損失H 特性曲線之交點(diǎn)A 即為系統(tǒng)的運(yùn)行工況點(diǎn)，也即泥泵工況點(diǎn)。輸送系統(tǒng)的狀態(tài)由泥泵工況決定。新工藝考慮了不同土質(zhì)輸送時(shí)泥泵工況所產(chǎn)生的變化。

設(shè)泥泵輸送清水時(shí)流量Qw，揚(yáng)程為Hw，則輸送泥漿時(shí)：

1）流量計(jì)算公式：

式中：Qr—泥漿的流量（m3/h）；Qw—清水的流量（m3/h）。

2）揚(yáng)程計(jì)算公式：

式中：Hr—泥泵的泥漿水頭（m）；Hw—泥泵的清水水頭（m）；Ym—泥漿密度（t/m3）；KH—系數(shù)，取值見表1。

3）功率計(jì)算公式

式中：Nr—泥泵泥漿的軸功率（kW）；Nw—泥泵清水的軸功率（kW）；Ym—泥漿密度（t/m3）；KN—系數(shù)，取值見表1。

表1 不同土質(zhì)的KH、KN 表

從以上分析可以看出泥泵的揚(yáng)程、功率均與土質(zhì)有關(guān)，相關(guān)系數(shù)的取值易輸送土質(zhì)較大，難輸送土質(zhì)取值較小。同樣，管道內(nèi)泥漿總水頭、臨界流速也均與土類甚至顆粒粒徑等參數(shù)有關(guān)。

從整個(gè)絞吸船輸送系統(tǒng)考慮，在設(shè)備已定條件下輸送系統(tǒng)所能達(dá)到的流量與濃度即產(chǎn)量受泵機(jī)負(fù)荷、輸送流速、系統(tǒng)承壓、真空限制等四個(gè)方面限制。

5 質(zhì)量控制

（1）項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保工程質(zhì)量符合要求。

（2）制定施工質(zhì)量管理體系，并嚴(yán)格執(zhí)行，積極開展質(zhì)量管理工作、制定質(zhì)量計(jì)劃。開工前分析質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)及主要影響因素，確保工程全過(guò)程受控。按照PDCA 管理要求，將發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行總結(jié)分析，不斷改進(jìn)質(zhì)量，提高質(zhì)量管理水平。

（3）在工程施工階段，會(huì)同設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位制定詳細(xì)的施工組織設(shè)計(jì)方案，并嚴(yán)格技術(shù)交底制定，明確各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量控制內(nèi)容。進(jìn)行三級(jí)教育，落實(shí)質(zhì)量責(zé)任制，在操作過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)程的規(guī)定。定期保養(yǎng)施工機(jī)具、設(shè)備，確保機(jī)具的精度符合工程質(zhì)量要求。嚴(yán)格圖紙交底制度，嚴(yán)格按照?qǐng)D紙施工，發(fā)現(xiàn)圖紙不清楚的地方，及時(shí)通過(guò)監(jiān)理單位與設(shè)計(jì)單位溝通解決，認(rèn)真做好施工過(guò)程資料，留檔備查。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)絞吸船分層開挖工藝的改進(jìn)，充分利用了自然力，減小了瞬間的施工難度，使得船舶設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)更加良好，施工參數(shù)得到了優(yōu)化。有效解決了絞吸船復(fù)雜土質(zhì)施工中存在的施工進(jìn)度較慢、質(zhì)量控制較難、輸送效果較差及船舶設(shè)備負(fù)荷較大，易損壞等現(xiàn)象。不同分層采用不同的施工參數(shù)（如絞刀轉(zhuǎn)速、泵機(jī)轉(zhuǎn)速、泥泵組合等），可以最大限度地降低生產(chǎn)成本。經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐檢驗(yàn)，該工藝提高了疏浚生產(chǎn)效率，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，可為類似施工項(xiàng)目提供借鑒。