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        大型耙吸船航道掃淺施工工藝

        2022-03-25 03:16:02弓寶江張大偉楊正軍
        水運(yùn)工程 2022年3期
        關(guān)鍵詞:航速航道船舶

        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??梢钥闯?,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??梢钥闯?,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、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。

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