鄒 晟 李竹森 肖漢斌 路世青

（武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063） （營口港集團股份有限公司固機分公司 營口 115000）

0 引 言

目前國內外常見的挖泥船型式有絞吸式，斗輪式，鏈斗式，鏟斗式，抓斗式等.抓斗式挖泥船主要是用于挖取海底各種淤泥、泥砂、礫石、碎石、巨石等物料，也可以用于航道疏浚、碼頭施工和海床工程的挖掘［1］.

抓斗挖泥船運用抓斗的自身重力作用，使抓斗能夠下降插入水下泥層，通過抓斗的閉合，來挖掘泥沙.相對于其他挖泥船而言，抓斗挖泥船具有挖深大、對泥沙適應性強、挖掘量大的特點.同時，鋼樁式抓斗挖泥船擯棄了靠拋纜定位的繁瑣做法，采用定位樁定位的方式，既提高了定位精度和生產效率，又降低了對航道其他船只的通航影響［2］.

但是，隨著鋼樁式抓斗挖泥船的技術不斷進步，抓斗挖泥船的挖掘量逐漸增大，挖掘精度逐漸提高，疏浚抓斗平挖研究［3］的出現，傳統(tǒng)的抓斗挖泥船的疏浚工藝已經跟不上挖泥船技術的發(fā)展.

本文結合近年來有關抓斗挖泥船疏浚工藝的案例，總結出鋼樁式抓斗挖泥船的施工工藝.同時將其應用于曹妃甸區(qū)航道施工中，設計出合理的施工工藝.最后，對于施工工藝中的優(yōu)化問題進行探討.

1 挖槽主要尺寸設計

底標高指設計基準與挖槽設計底平面之間的距離，底寬指挖槽設計底平面的寬度.如圖1所示，挖槽的底標高和底寬為挖槽橫斷面梯形的高和底.它們的尺寸很大程度上決定了疏浚的工程量.

圖1 挖槽底寬和底標高示意圖

為了提高挖槽的穩(wěn)定性，邊坡的設計是必不可少的.表1所列為各種土質的設計邊坡坡比［4］.

表1 各類土質設計的水下邊坡

由于抓斗形狀的限制，其所挖掘邊坡不能成為理想平面，所以只能采用分層開挖的方法，依靠自然坍塌最終形成邊坡.圖2所示為開挖斷面示意圖.

圖2 航道疏浚開挖斷面示意圖

圖2中，Δd－超寬量，m；c－超挖面積，m2；q－欠挖面積，m2

通常情況下，為保持挖槽邊線能達到要求的深度，而挖泥船對邊線導標和操作上又必然會出現偏差，也只能超過挖槽的邊線進行施工，即超寬.竣工驗收時在施工區(qū)域內是不允許出現淺點的，由于船舶施工誤差引起，疏浚工程方量的計算都要計算一定的超深.達不到要求，質量不合格；超出太多，疏浚成本增大.為了滿足這一點，抓斗挖泥船只能超過設計深度進行施工.但是隨著定位技術的發(fā)展以及抓斗平挖技術的應用，挖掘精度有了很大的提高，過去的一些超寬超深規(guī)范也需要做相應調整.

2 常用挖掘方法介紹

2.1 一般挖泥法

抓斗挖泥船一般采取縱挖式（即沿航道方向）施工，根據不同施工條件可分為順流挖泥、逆流挖泥、分條挖泥、分段挖泥、分層挖泥等方法：（1）一般情況下，抓斗挖泥船宜采用順流開挖，主要是防止抓斗與船體發(fā)生碰撞.流速不大或有往復潮流的地區(qū)采用逆流施工；（2）當設計挖槽寬度大于挖泥船有效挖寬時采用分條挖泥法.其分條原則是中央向兩側分條，每相鄰2條有重疊從而防止漏挖，分條最大寬度不得大于挖泥機有效工作半徑；（3）泥層厚度大于挖泥船抓斗最大挖深時采用分層挖泥法.分層原則是上層宜厚、下層宜薄從而提高挖泥功效保證疏浚質量；（4）挖槽長度超過挖泥船一次拋設主錨所能開挖長度時進行分段施工.分段長度易取60～70m［5］.

2.2 梅花形挖泥法

對于土質松軟，泥層厚度不大的情況，為了提高工作效率，又能保證工程質量，多采用梅花形挖泥方法，即斗與斗之間留有一定的間隔，使所挖的泥面呈梅花形的土坑，如圖3所示.在實際施工中，根據水流的大小及圖紙松軟情況，合理確定斗與斗之間的間距，并控制好開挖深度［6］.

圖3 梅花挖泥法示意圖

2.3 頂灘挖泥法

淺灘短挖槽上、下游都受施工吃水限制，無法順岸線展布施工，都要采用頂灘挖泥法.利用高潮位分層向前搶挖出1條泥駁不致擱淺的挖槽落潮時，挖泥船移到起點開挖，挖泥船與泥駁相互調檔，到高潮位時，繼續(xù)分層開挖，待到再落潮，如不影響泥駁吃水，可繼續(xù)挖或挖下1層.如繼續(xù)挖泥會影響泥駁吃水，到挖泥船與泥駁互相調檔，循此法挖完為止.

2.4 留埂挖泥法

在水深條件許可時，挖泥進關采取跳一關退一關依次前進的方法，稱謂留埂挖泥法.即挖完第一關進到第三關，挖完第三關，退到第二關，挖完第二關跳到第五關.這種挖法，當挖去第一、三、五關后留下的二、四關即為土埂，容易抓挖，如圖4所示.

圖4 留埂挖泥法示意圖

2.5 邊坡挖掘

抓斗挖泥船不能像絞吸式挖泥船一樣，通過司機的操作挖掘出較為平整的邊坡，所以只能采取分層開挖的方法，依靠水流影響自然坍塌最終形成邊坡.臺階的開挖高度宜在1.0～2.5m.邊坡的挖掘既要考慮超寬值，又要考慮抓斗對于疏浚土巖的適應，所以越往下挖掘深度越小，并且超挖的高度應該大于欠挖高度；為了挖掘方便，臺階的分層最好與主體疏浚分層大致相同.具體數據需要計算得到.

3 曹妃甸區(qū)航道施工工藝設計

3.1 曹妃甸區(qū)海床介紹

曹妃甸區(qū)海床如圖5所示，其最大水深為16m，原始邊坡比約為1∶3，海床較為平整.

圖5 曹妃甸區(qū)海床圖

3.2 挖槽尺寸及施工設備介紹

設計挖掘深度為20m，設計挖槽底寬為1 200m，邊坡比為1∶5，疏浚長度為3 000m.選海床一典型橫截面與設計挖槽橫斷面比較，如圖6所示.

圖6 設計挖槽截面圖

挖泥船采用上海航道局的“新海蚌”號鋼樁式挖泥船，其性能參數如下：寬24m，總長65.8m，型深4.8m，配備18m3抓斗，斗寬2 732mm，最大開度7 533mm，沉挖最大深度1.7m，定深挖最大深度1.5m，平挖最大深度1.5m.挖泥機臂架一般以固定幅度22m施工.

3.3 疏浚工藝設計

根據航道土質情況，上層土質較為松軟，下層土質較為密實，故采用分層開挖法.總共分為5層，自上而下厚度為5，5，4，3，3m.邊坡采用階梯挖掘，臺階的開挖高度宜在1.0～2.5m，為了使邊坡階梯盡量與分層保持一致，所采用階梯高度分別為2.5，2，1.5m，如圖7所示.

圖7 邊坡階梯挖掘示意圖（單位：m）

3.3.1 第一層挖掘 采用分層開挖法，上層泥土較為松散，可以進行大深度的挖掘.開始進行深度為5m的挖掘.挖掘方向為順流方向.為了保證抓斗一定的重斗率，分條寬度定為30m，如圖8所示.將分段長度定為60m.確定航道的中心線，根據海圖在離航道中心線260m處布置挖泥船.

1）第一段挖掘 航道兩岸水深過小，挖泥船、泥駁不能正常工作，需要挖掘出挖泥船、泥駁工作的起始位置.

圖8 挖泥船分條寬度示意圖

進行橫向（垂直于水流方向）挖掘，挖出1條縱向長度為100m，橫向離設計邊線17.5m（考慮到階梯開挖，如圖9所示，高度h為3.5m，乘以邊坡系數m為5，d＝h·m＝17.5m）的水槽，如圖10所示，陰影部分為所要挖掘區(qū)域.挖掘深度為5m的區(qū)域，可供挖泥船、泥駁航行.

圖9 邊坡分層挖掘

圖10 第一段挖掘示意圖

該操作可以采用吃水量小的挖泥船，分層進行操作.或者采用自航抓斗挖泥船，可以將抓取的泥沙裝入自身的泥艙中.也可以利用該挖泥船橫向挖掘，首先挖出1條可供泥駁航行的區(qū)域，將所挖起的泥土放到挖泥船外側，在第二條挖掘時，將多余疏浚巖土重新抓起，裝入泥駁中.

2）后續(xù)挖掘 完成操作1）后，挖泥船有了挖掘的起始位置，可以按照正常情況進行分段分條挖掘.

挖掘深度為5m，分3層挖掘.第一、二層采用沉挖，第三層采用定深挖.每段內，采用分條挖掘法.排斗順序為從里向外排斗，每相鄰2斗間距為2m，抓斗單位轉動角為5°（遵從重合為0.2，兩斗間距Δx＝mD·（1－S），其中mD為斗寬，S為重合度）.每次縱向移船距離為6m（依據挖泥船前移距一般取抓斗張開寬度的0.7～0.8倍，在此取0.8）.第一層的挖掘主要是為了能夠挖出一條供挖泥船、泥駁自由通航，方便以后挖掘的航道.所以精度要求不高.但是挖到離邊線30m處時要注意挖掘的精度，這里挖掘會影響邊坡質量.

邊坡挖掘質量需要保證，先采用沉挖再采用定深挖.挖到離邊線5m處，挖深為2.5m，欠挖和超挖高度分別為1，1.5m.考慮到挖泥機的挖掘范圍有限，橫向最大挖掘長度只有6m，可以考慮在岸上利用挖掘機進行挖掘.

3.3.2 第二層挖掘 該層挖掘深度依然定為5 m，其挖掘方法與第一層挖掘方法不同，將采用嚴格地分段分條挖掘.第一、二層采用沉挖，第三層采用定深挖.排斗順序為從里向外排斗，每相鄰兩斗間距為2m，抓斗單位轉動角為5°；每次縱向移船距離為6m.挖掘下1條時，保持挖泥船內側在分條邊線上，防止漏挖.第二層最終挖到離設計邊線42.5m處.

邊坡挖掘仍然先沉挖，后定深挖，挖掘深度為2.5m，欠挖和超挖高度分別為1，1.5m.

3.3.3 第三層挖掘 該層的深度定為4m.前兩層的挖掘主要是挖掘航道兩側，第三層的挖掘涉及到航道中央的挖掘，采用由中央向兩邊挖掘的分條方法.其挖掘方法與第二層挖掘方法相似，一直挖到設計邊線64m處.

邊坡挖掘先采用沉挖后采用定深挖，挖掘深度為2m，欠挖和超挖高度分別為0.8，1.2m.

3.3.4 第四層挖掘 該層的深度定為3m.其挖掘方法與第三層挖掘方法相似，分為兩層挖掘，第一層采用沉挖，第二層采用定深挖.一直挖掘到設計邊線80.5m處.

邊坡挖掘可直接采用定深挖，挖掘深度為1.5m，欠挖和超挖高度分別為0.6，0.9m.

3.3.5 第五層挖掘 這是最后一層.在一般的航道疏浚以及港口修建中，抓斗挖泥船以其靈活方便、對密實巖土具有很好的挖掘效果等特別得到廣泛應用.但是在對平整度要求較高的場合，往往需要利用絞吸式挖泥船進行最后的精挖，或者在抓斗上固定鋼板對海底進行掃平作業(yè).這些操作延誤了疏浚工期、帶來了疏浚成本的增加.課題組設計的挖泥船具有自動平挖功能，具有較高的平挖精度，既可以保證縮短疏浚工期又可以保證工程質量.

該層的深度定為3m.先采用定深挖，再采用平挖.一直挖掘到設計邊線95.5m處.

邊坡挖掘可直接采用定深挖，挖掘深度為1.5m，欠挖和超挖高度分別為0.6，0.9m.

3.4 疏浚工程量計算

選取任意橫斷面進行計算.

第x層挖掘所需要的斗數nx，其表達式為

式中：N為一次定位挖泥機的挖掘斗數，在本次設計中N＝19；d為設計分條寬度值，m；ax為第x層主平面開始挖掘點與設計邊線之間距離，m；ax′為第x層主體挖掘終點與設計邊線之間的距離，m；mx1為第x層主平面挖掘時的分層數量；Δb為第x層邊坡階梯長度，m；mx2為第x層挖掘時邊坡階梯分層數量.

結合本次工藝設計，可以計算出一個橫斷面內，各層挖掘所需抓斗數為

則整個挖掘過程中所需要斗數nall為

式中：L為疏浚工程總設計長度，m；l0為一次移船的縱向長度，m.

本次設計中L＝3 000m，l0＝6m，故nall＝（3 000／6）×7 677＝3 838 500.

4 疏浚工藝中的優(yōu)化問題

疏浚工程中存在很多需要優(yōu)化的地方，這里主要探討一次定位情況下，抓斗排斗數與分條寬度的關系，見圖11.

由圖11可見，臂架旋轉角度越大，抓斗挖掘的寬度越大，分條寬度既而增大.

圖11 排斗數與分條寬度示意圖

比較旋轉角度與分條寬度之間的關系，如圖12所示.

圖12 排斗幾何關系圖

圖中：α為臂架的旋轉角度（α＝n·α0，其中n為排斗數，α0為斗間夾角）；R為抓斗外延圓周軌跡的半徑；d為挖泥船縱向移船距離，它們均為已知量；x為抓斗交點與移船后圓心之間的距離；b為抓斗交點與原圓心連線的偏轉角.根據幾何關系可以得出以下方程組.

最后可以得出挖掘寬度B.

式中：B0為挖泥船中心至挖泥里側的距離.即確定排斗數與分條寬度的關系.

可以根據抓斗挖掘耗能和橫向移船能耗，進行計算，得出最優(yōu)的排斗數.已知B＝f（n），對于一個特定的挖掘寬度b，挖掘斗數為·（n＋n0），n0為挖泥船里側挖掘的斗數，移船數為－1.每斗挖掘耗能為w1，每次橫向移船耗能為w2，則總的耗能W 的表達式為

可求出相應n值，使總耗能取最小值Wmin.

5 結束語

在總結目前挖泥船疏浚工藝的基礎上，重點分析研究了鋼樁式抓斗挖泥船的疏浚工藝，針對曹妃甸區(qū)航道設計要求，設計出了基于定深挖與平挖技術的疏浚方案，并且對抓斗排斗數與分條寬度的關系進行探討.

本文研究結果可為新型鋼樁式抓斗挖泥船疏浚工藝設計提供一定參考.

［1］汪義達，林健煜.現代挖泥船講座之三抓斗式，鏈斗式，鏟斗式挖泥船［J］.水運工程，1981（7）：44－49.

［2］王常金.定位樁液壓抓斗挖泥船的施工方法［J］.中國水運，2010（9）：34－35

［3］肖漢斌，張永濤，路世青，等.疏浚抓斗平挖運動研究與仿真［J］.武漢理工大學學報，2013，37（3）：482－485.

［4］天津航道局.疏浚工程技術規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，1999

［5］王谷謙，于蘊山，沈庚余.疏浚工程手冊［M］.上海：交通部上海航道局，1994.

［6］陳少鵬.抓斗挖泥船在沿海航道維護性疏浚中的質量控制［J］.中國水運，2011（6）：18