劉 斌，趙海豐

(中交天航南方交通建設(shè)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(fù)的自然資源，在建筑工程中發(fā)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(jié)合實(shí)際情況采取合適的施工技術(shù)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(guò)裝駁皮帶裝于砂駁中，砂駁運(yùn)往目的地后采用砂駁自帶皮帶機(jī)輸送砂土到卸載區(qū)[2-3]，但無(wú)法適應(yīng)具有雜質(zhì)多、砂層密實(shí)度高、砂料分布不均勻、外海風(fēng)浪影響大等復(fù)雜工況海域海砂開采工作。為解決上述問(wèn)題，本文利用絞吸船可開采硬底質(zhì)海砂能力[4]，研究了絞吸船+裝駁平臺(tái)施工技術(shù)、絞吸船+篩分洗砂平臺(tái)采砂技術(shù)等兩種海砂開采施工技術(shù)，應(yīng)用證明第二種采砂技術(shù)可行且采砂質(zhì)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(qū)約8.0 n mile。

依據(jù)勘察表明，在鉆探所達(dá)深度范圍內(nèi)，場(chǎng)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(xì)砂層、②-4粉砂層、③中風(fēng)化泥巖層。砂源中含有不少石塊及雜質(zhì)，砂源區(qū)整體含砂量約36 %，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)大部分達(dá)22～39擊，土質(zhì)密實(shí)，需要采用挖掘能力強(qiáng)的絞吸船[5]，計(jì)劃每月采砂工程量不少于75萬(wàn)t。

2 絞吸船+裝駁平臺(tái)施工技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

采用絞吸船開挖海砂，然后經(jīng)絞吸船水下泵直接接入裝駁管系（即不經(jīng)過(guò)艙內(nèi)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(tái)（平板駁）。在裝駁平臺(tái)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(yùn)砂船舶），最后由皮帶船打砂至岸邊儲(chǔ)砂場(chǎng)。

2.2 主要裝駁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）裝駁管總體布置設(shè)計(jì)

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

圖1 砂駁船靠駁裝砂平臺(tái)示意

2）分管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在主管兩側(cè)打孔，焊接Φ500 mm×L500 mm鋼管+閥門+Φ500 mm×L4 500 mm鋼管。閥門每個(gè)支管均布置，采用人工旋轉(zhuǎn)控制，用以調(diào)節(jié)分管流量，如圖2所示。

圖2 裝駁平臺(tái)斷面示意

在鋼管的終端，通過(guò)鐵箍套以Φ500 mm×L5 000 mm膠管，搭接在運(yùn)砂船的艙內(nèi)。該膠管可以通過(guò)電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)和鋼絲繩等設(shè)備吊起，用以調(diào)節(jié)高度，進(jìn)而控制裝駁吹砂的揚(yáng)程。排泥管通過(guò)調(diào)節(jié)高度可以實(shí)現(xiàn)向兩側(cè)的運(yùn)砂船吹砂。

3）裝駁平臺(tái)管路設(shè)計(jì)

如圖3所示，主管內(nèi)徑800 mm，外徑836 mm，壁厚36 mm。支管內(nèi)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(shí)裝砂駁船運(yùn)轉(zhuǎn)情況如圖5所示。

圖4 裝駁平臺(tái)船舶

圖5 絞吸船天禹接萬(wàn)伶和裝砂平臺(tái)

2.3 采砂試驗(yàn)

采用絞吸船天禹船+300 m排泥管線+“萬(wàn)伶和”裝砂平臺(tái)進(jìn)行溢流裝艙采砂，在不同的位置試挖3船次后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)開采的土質(zhì)中含有大量石塊、黏土及貝殼等雜質(zhì)，砂質(zhì)量不滿足合同要求，故放棄該方案。

3 絞吸船+篩分洗砂平臺(tái)采砂技術(shù)

3.1 技術(shù)思路及原理

技術(shù)思路：受絞吸船+裝駁平臺(tái)施工技術(shù)研究啟發(fā)發(fā)現(xiàn)，砂中大量石塊、黏土及貝殼等雜質(zhì)需采用專用裝置進(jìn)行篩分洗選，研討方案后，將皮帶船改裝優(yōu)化為洗砂篩分裝置。

技術(shù)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(tǒng)至指定深度，左右擺動(dòng)、分層分條進(jìn)行采砂作業(yè)，絞刀系統(tǒng)可將砂土及雜質(zhì)進(jìn)行快速破碎，水下泵（單泵）在吸砂管內(nèi)形成負(fù)壓真空，將混合砂漿吸入管線系統(tǒng)后輸送至篩分洗砂平臺(tái)，運(yùn)輸船（皮帶船）靠泊平臺(tái)進(jìn)行溢流裝艙作業(yè)，滿載后離駁至指定地點(diǎn)卸砂。

3.2 篩分洗砂船優(yōu)化改造

篩分洗砂船工作原理：砂漿吸到洗砂船艙，通過(guò)安裝在甲板上的篩網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾，將石塊、垃圾等濾在篩網(wǎng)上，海砂流入砂倉(cāng)，經(jīng)過(guò)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(jīng)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(cè)的皮帶運(yùn)砂船上。

1）篩分洗砂平臺(tái)進(jìn)砂口管路改造

試驗(yàn)階段主要有兩種管路連接設(shè)計(jì)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(duì)接。方案二：不拆除射流船橋梁，從篩分裝置處布設(shè)一條新的管路從射流船左側(cè)接管至水面與絞吸船自浮管連接。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，總結(jié)兩種管路連接設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表1。

表1 兩種管路布設(shè)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)上述兩種管路布設(shè)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(shè)計(jì)方式，采砂效率較高。即采取不拆除橋梁，從篩分裝置處布設(shè)一條新的管路從篩分洗砂船左側(cè)接管至水面與絞吸船自浮管連接。篩分洗砂船原裝進(jìn)砂管為Φ650 mm鋼管，而絞吸船是Φ800 mm鎧裝自浮管，為了實(shí)現(xiàn)兩根鋼管的順利對(duì)接，中間需通過(guò)變徑進(jìn)行串聯(lián)。篩分洗砂船進(jìn)砂管截?cái)嗪螅陆拥姆ㄌm距離水面約5 m，通過(guò)一節(jié)6 m的鋼管作為船艉管與水面的自浮管對(duì)接，鋼管與自浮管之間，接柔性的鎧裝膠管串聯(lián)，改造后見圖6。

圖6 絞吸船自浮管與篩分洗砂平臺(tái)連接

2）篩分裝置改造

篩分裝置的核心為進(jìn)砂口后方的濾網(wǎng)，采砂施工過(guò)程中根據(jù)施工區(qū)砂質(zhì)情況不斷優(yōu)化濾網(wǎng)間距，同時(shí)調(diào)整洗砂滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，對(duì)不同含泥量的砂源設(shè)置不同的過(guò)濾洗砂技術(shù)參數(shù)，從而清洗出含泥量滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及合同要求的中粗砂，其中濾網(wǎng)經(jīng)多次試驗(yàn)確定最終方案。

采用8 mm間距的篩分裝置進(jìn)行篩分，可滿足業(yè)主質(zhì)量要求，且施工效率顯著提高，開采出優(yōu)質(zhì)海砂。

3.3 主要施工工藝及質(zhì)量控制要點(diǎn)[7-8]

1）絞吸船采砂裝駁工藝流程

施工準(zhǔn)備→絞吸船就位→裝砂平臺(tái)就位→排泥管線連接絞吸船、裝駁平臺(tái)→砂駁船靠駁裝駁平臺(tái)→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(huán)作業(yè)。

2）絞吸挖泥船施工主要控制參數(shù)

a）絞刀性能及轉(zhuǎn)速控制

上層開挖淤泥對(duì)絞刀的挖掘能力（功率）要求較小，轉(zhuǎn)速一般控制在20 rpm左右；下層砂土相對(duì)密實(shí)，轉(zhuǎn)速一般控制在32 rpm左右，實(shí)際根據(jù)土質(zhì)情況調(diào)整。

b）橫移速度

開挖淤泥層時(shí)，橫移速度一般控制在15～18 m/min，根據(jù)殘留情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；開挖砂土層時(shí)，正刀橫移速度8～10 m/min，反刀橫移速度10～12 m/min，為確保穩(wěn)定的高濃度，施工中根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整。

c）真空

在正常挖泥狀態(tài)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(shí)，濃度在10 %～15 %左右。

3）洗砂控制參數(shù)

洗砂裝置的核心設(shè)備為若干個(gè)簸箕狀設(shè)備組成的滾筒，根據(jù)采砂區(qū)含泥量不同不斷調(diào)整洗砂裝置的靜置時(shí)間和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而開采出符合含泥量標(biāo)準(zhǔn)的海砂。

滾筒清洗池：視砂源含泥量每小時(shí)停滾筒10 min；

滾筒：視砂源區(qū)含泥量情況，轉(zhuǎn)速在50～56轉(zhuǎn)/小時(shí)；

洗砂效率：不受限，最高能達(dá)3 000 m3/h。

4）主要質(zhì)量控制要點(diǎn)

a）砂源區(qū)含砂較高時(shí)，篩分平臺(tái)各設(shè)備正常作業(yè)。

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

c）開挖區(qū)域砂源中含較多雜質(zhì)時(shí)，濾網(wǎng)上有較多雜質(zhì)從兩側(cè)排出，調(diào)整進(jìn)砂管線上布設(shè)的液壓閘閥，通過(guò)高流速加速篩分裝置上殘留的雜質(zhì)排出。

d）當(dāng)開挖區(qū)域含砂較多且無(wú)雜質(zhì)時(shí)，提高洗砂池滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度及皮帶機(jī)送砂速度。

e）采砂過(guò)程中絞吸船與射流船駕駛臺(tái)通過(guò)高頻時(shí)刻保持溝通，通過(guò)調(diào)節(jié)絞刀吹水頻次、射流船進(jìn)砂口液壓閘閥、洗砂池洗砂時(shí)間、滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度及啟閉皮帶輸送機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(jì)簽認(rèn)上方量平均日產(chǎn)量約11 380 t，上方生產(chǎn)率821 t/h，時(shí)利率57.8 %，出砂率為47.6 %。

由此表明，該施工生產(chǎn)效率及出砂率均有提高，施工工藝是成熟可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

研發(fā)并成功應(yīng)用基于絞吸船采砂、篩分洗砂平臺(tái)洗砂及皮帶船運(yùn)砂的海砂開采施工技術(shù)，解決了傳統(tǒng)射流船因砂源區(qū)砂質(zhì)分布不均勻且密實(shí)堅(jiān)硬而取砂困難的問(wèn)題，海砂質(zhì)量經(jīng)檢測(cè)合格。通過(guò)改造射流船原有前端輸砂管路，同時(shí)創(chuàng)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(zhì)，提高采砂質(zhì)量。

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