大型耙吸船航道扫浅施工工艺

时间：2024-08-31

弓宝江，张大伟，杨正军

(1.中交(天津)疏浚工程有限公司，天津 300450；2.天津市疏浚工程技术企业重点实验室，天津 300457)

1 工程概况

日照港石臼港南区深水航道一期工程施工任务为航道疏浚，总长约27 km，整体工程量约1 850 万m3。作为山东省日照市2019 年重点港口建设工程，日照港“东煤南移” 工程将污染较重的大宗散货和煤炭作业从该港口石臼港区东作业区搬迁至离城区较远的南作业区，港口环保措施更加完善，集疏运更加智能、畅通、便捷，逐步实现港口的生态转型。

该工程疏浚施工的设计挖深21 m，设计边坡1∶5，主要施工船舶为“通程” “通旭” “通远”轮等大型耙吸船。

2 工艺研究过程

2.1 工程实施情况

本工程的泥层厚度为1～2 m，在施工初期，相继制定了工程的《质量控制体系》，明确耙吸船施工的质量控制点，并制定有针对性的施工工艺书。虽然采取了一系列质量控制措施，但施工后期仍存留大量的浅点。浅点类型基本分为零星状、片状和浅梗等，见图1。

图1 浅点分布

2.2 扫浅效果

针对施工区内不同类型的浅点，制定了“串点” 施工方案(图2)，进行第1 轮的清浅施工。

图2 “串点” 清除浅点

第1 次扫测共施工3 d，24 h 运转，施工完成后测量见图3。可以看出，典型单元区域内浅点数量由原来的30 个减少至20 个，扫浅效率为33%。

图3 第1 次清浅测量

船舶根据第1 次的工艺，开始第2 阶段的扫浅，时间为3 d，施工完成后测量见图4。可以看出，本次扫浅仅个别区域有所加深，其他区域几乎没有变化。第二次扫浅效率接近0%。

图4 第2 次清浅测量

3 扫浅施工工艺制定

3.1 船舶选型

为减少航道疏浚工程对通航船舶的影响，施工过程中根据施工土质选择适宜的自航耙吸式挖泥船。施工区以粉土、黏土为主，具有颗粒小、密实度高的特性，区域内粉土最高标贯击数达34.1 击，天然密度最高达2.02 t∕m3。通过《疏浚与吹填设计规范》[1]判定该工程区域内的土质属于5 级坚硬状态。

通过土质情况分析，土质密实度大不适合小型耙吸船施工。为保证挖泥效率，采用主机功率10 MW 以上、带有主动耙头且质量在25 t 以上的耙吸船为宜。通过现场对比，“通程” 轮主机功率17.40 MW，耙头质量30 t，带有主动耙头并具备高压冲水及船首横向设备，满足施工硬质土的要求，其主要参数为:总长162.3 m，型深15 m，船宽28.5 m，舱容1.8 万m3，满载、空载吃水分别为11、9.5 m，装机功率20.28 MW，装载量2.7 万t。

确定施工船舶后，需要对船舶的定位导航设备以及疏浚施工设备进行再次校验，保证施工仪器仪表的准确性，减少系统操作误差。

3.2 设备改进

3.2.1 更换耙齿

“通程” 轮前期的施工扫浅效率仅33%，排除主机功率及耙头较轻的因素，前期耙头采用了尖齿配板齿的搭配以增加产量，但是由于土质坚硬，板齿的破土能力明显低于尖齿，最终将全部板齿更换为尖齿(图5)，增加破土能力。

图5 耙头更换尖齿

3.2.2 加焊耙头立板

浅点处存在高差为1～2 m 的浅梗容易导致耙头“溜耙”，为增加上线率，在耙头本体下侧加焊导向立板(图6)，入泥时受到耙头重力作用，导向立板首先入土，可以有效阻止耙头侧滑，提高上线率。

图6 加焊导向立板

3.2.3 制作耙平器

由于工程施工里程长、面积大、浅点分布广，使用耙吸船串点施工效率低，且耙头长度较短仅5 m，须多次上线才能完成一次扫浅。增加宽度18.8 m、质量30 t 的耙头平器(图7)，可满足耙平硬质浅点的要求，其宽度大，比普通耙头大3 倍，更容易成功上线。但耙平器以“刮” 梁式扫浅，没有足够的切削力，所以需要采用耙吸船将浅梗打散后，耙平器才可发挥作用。

图7 耙平器设计

3.3 最优施工工艺参数

3.3.1 确定施工航速

在施工扫浅阶段，各个浅点的分布没有规律性，分散程度大，不适宜确定航速。所以根据现场的浅点分布确定航速原则[2]:

1)针对硬质浅点，需要提高航速进行挖掘，浅梗区域航速选定在2.5 kn 左右。

2)针对不连续浅点，在串点过程中航速选定在3～5 kn，接近浅点前50 m 降低航速至2 kn 左右，保证平稳上线。

3)针对孤立浅点，提前定好船位后，保持2 kn左右速度上线。

3.3.2 确定布线方式

根据不同的浅点形式，以及前期的施工效果，布线方式采用“定点清除” 与个别相连点“联合清除” 的方式:

1)横纵联合法。对于浅梗，单独的平行于浅梗挖掘效果不好，会造成溜耙，单独的大S 形切削效果慢，所以采取横向与纵向多次穿插联合施工法，见图8。

图8 横纵联合施工耙迹线

2)往复多次清除法。对于孤立浅点，采取多次上线、往复开挖的方法，见图9。由于每个浅点的情况都不同，耙吸船扫浅期间需要根据每次耙头上线的位置以及切削的厚度，结合浅点的高度决定浅点需要施工的次数，以达到验收标准[3]。根据日照工程的施工数据显示，每次“通程” 轮成功上线可切削10 cm 左右。

图9 往复开挖耙迹线

3.3.3 注重开挖后的记录

在开挖完毕后，施工船舶及时标注已经施工过的浅点(图10)，并进行反馈，及时安排测量，得出船舶施工效果。

图10 浅点标记

3.3.4 确定波浪补偿器压力

为增加施工船舶耙头对硬质黏土的对地压力[4]，根据现场情况确定波浪补偿器压力值为4 MPa。一方面对于坚硬土质需要调低该压力；另一方面对于浅点众多需要调高压力，以保证设备安全。综合考虑后确定压力值为4 MPa。

3.3.5 确定测量保障计划

在气象条件允许的条件下，每天扫浅施工30～40 个点位，并及时有效地测量结果。

3.4 过程实施效果

本工艺研究结合质量控制(quality control，QC)管理，从人、机、料、法、环5 个方面，通过头脑风暴法充分对影响扫浅效率的因素进行分析，引入计划→执行→检查→处理(PDCA)的质量循环管理模式，从施工设备选型及改进等方面进行改进，较好地解决了耙吸船航道扫浅效率低的问题，单次扫浅的效率可达80%。