重型绞吸船挖岩施工中装驳工艺

张志军，董喧

（1.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

在改、扩建港口时由于深度的增加，往往遇到过去不曾触及的下卧很深的岩石层，而有些新建港口由于空间位置原因，必须建设在岩层海岸带或珊瑚礁地区。海底硬质岩石和珊瑚礁属于一种特殊的疏浚物质，传统的水下岩石爆破技术不但生产成本高，生产效率低，而且对海底环境污染极大，而基于疏浚泥土理论所设计的挖泥船并不适用于疏浚强度很大的岩石[1]。因此，近几年来，一些为挖岩进行了特殊优化的疏浚设备陆续建造，“天鲸号”就是其中之一。

“天鲸号”是中交天津航道局有限公司新近建造的大型自航绞吸式挖泥船，是中国当前功率最大的绞吸挖泥船。“天鲸号”长127.5m，宽23.0m，吃水5.5m，最大挖深30m，最大排泥距离6000m，配备多种当前国际最先进的疏浚设备，绞刀功率达到4200 kW，生产能力4500m3/h，具有无限航区的航行能力和装驳功能，灵活机动，适用于各种海况的疏浚工程[2]。

“天鲸号”不仅可以疏浚黏土、密实砂和碎石，还可以开挖抗压强度为40 MPa的岩石[2]。“天鲸号”的建造改变了人们清除海底岩石的方式，可大大减少海底爆破工程的数量，增大工程安全系数，也可减少对海洋的污染。

1 项目概况

防城港位于广西壮族自治区防城港市，是全国25个沿海主要港口之一。

依据设计文件，防城港航道拓宽工程为在原有15万吨级航道基础上向东侧拓宽35m，设计挖深-17.9m。工程采用疏浚外抛施工，抛泥距离约13 km。因为是在原航道上进行拓宽，疏浚施工过程中会有一定程度的干扰。根据工程区域的地质资料，疏浚物主要为岩石，单轴抗压强度平均为42MPa，最高为49.3MPa。

2 “天鲸号”装驳系统与系泊系统

“天鲸号”在船体两舷各配置了2套装驳装置，装驳装置由钢质装驳架、装驳管、起升绞车、旋转接头等组成。

“天鲸号”装驳管路由设置在绞刀桥架上的水下泵吸泥管、水下泵排出管、设置在泵舱内的排泥总管以及设置在甲板上的装驳管路和装驳架上的管路组成。

“天鲸号”在船体两侧各配有一个独立的驳船系泊系统。

3 直接装驳工艺

礁石类土质具有硬度大、密度大、棱角突出的特点，若利用管线输送，对管线磨损严重，所需要的输送压力大，输送距离短，所以利用绞吸船疏挖礁石类土质时，一般采用装驳作业。

“天鲸号”配有装驳装置，可以直接对驳船进行装驳作业。课题组和项目部通过分析现场工况和“天鲸号”设备配置情况，决定采用直接装驳方式抛泥。

3.1 直接装驳工艺流程

“天鲸号”直接装驳工艺流程见图1。

图1 直接装驳工艺流程图Fig.1 Direct barge loading process flow diagram

1）驳船靠泊

由于驳船在停靠过程中“天鲸号”存在施工摆动情况，因此对靠泊过程应予以高度重视。

2）装驳前的准备工作

驳船靠泊完成后，“天鲸号”应派专人登上驳船，确认前后装驳管与驳船的相对位置满足装驳稳定要求。

3）装驳排泥管下放

驳船停靠及完成相应的装驳准备后，即可进行装驳排泥管的下放工作。

4）疏浚装驳

在挖岩装驳过程中，应明确各岗位职责，“天鲸号”及驳船均应有专人负责监控装驳的进度情况，并与控制台保持联系，当驳船达到预期的装驳量时应及时通知驾驶台停止装驳。

在装驳的过程中应将另一侧驳船靠泊完成，等待换驳连续施工，靠驳前须确认装驳管位于不影响靠泊作业的位置。当靠泊完成后，在驳船装载完成前将装驳管下放至合适位置，以保持装驳操作的连续性。

5）驳满吹水、倒驳

当一侧驳船装载完成后，应进行倒驳作业，在绞刀停转、吹清水的状况下，打开空驳一侧装驳管的疏浚闸阀，关闭满驳一侧疏浚闸阀，待管路调整完成后，即可继续进行挖岩作业。

6）装驳完成后排泥管的提升

每次装驳完成后，应先将装驳管提升，再进行驳船的离驳作业，以保证离驳过程中的安全操作，避免装驳管对驳船的离驳造成安全隐患。

7）驳船的离泊

驳船在装载完成后，待装驳管提升完成，即可进行离泊作业。

8）驳船抛泥后返航

驳船驶至抛泥区进行抛泥，然后返航。

3.2 直接装驳施工工艺

1）用重型挖岩绞刀进行岩层开挖，船舶开启水下泥泵施工，通过装驳管路装驳，配置最为适合的自航驳船抛泥，驳船数量应根据船舶生产率、驳船实际装舱量、抛泥距离和驳船航速估算，最低不能少于两艘。

2）两条自航驳船分别靠泊于“天鲸号”左右两舷，可采用先装一侧驳船而后装另1艘驳船的方式（即图1的流程图方式），也可根据现场实际情况采用对两条驳船同时进行装驳的方式。

3.3 驳船匹配

3.3.1 挖泥船的生产能力

“天鲸号”的生产能力可以通过以下两种方式测算。

1）“天鲸号”船舶驾驶舱内有挖泥控制系统，可以从中读取施工过程中的泥浆流量和泥浆浓度，然后根据公式“生产能力=泥浆流量×泥浆浓度”计算得到“天鲸号”的生产能力[3]。

2）在试挖前后对试挖区域分别进行浚前及浚后测量，使用两次的测图计算试挖工程量，再除以“天鲸号”的挖泥时间得到生产能力。

3.3.2 确定运距

对于疏挖区和抛泥区都只有1个区的情况，运距指疏挖区和抛泥区之间的直线距离。

当疏挖区或抛泥区数量不止1个时，应首先确定各疏挖区所对应的抛泥区，并计算疏挖区和其所对应的抛泥区之间的距离，然后结合施工方案确定驳船匹配时的运距取值。对于分阶段进行施工的项目，需要分阶段进行配驳，各阶段运距确定方法同上。

3.3.3 计算配驳数量

计算配驳数量的主要步骤：

1）依据项目情况，确定运距S；

2）通过测算，确定船舶疏挖岩石的生产能力Q；

3）根据驳船信息，确定驳船的实际装载量q；

4）依据航区相关规定和驳船情况，确定运输过程中驳船的实际航速v；

3.4 直接装驳存在的问题

“天鲸号”在防城港施工初期，采用直接装驳施工工艺，在施工过程中，发现存在以下问题。

1）施工质量难以保证

泥舱装满后，主要依靠舱顶漫流，流出的泥浆在驳船周围扩散，大部分沉淀于航道内或已浚深至设计深度的边坡上，对后期质量验收带来较大的影响，而且增加了重复清淤的成本。

2）对航道及周边的水体污染大

采用直接装驳，装满1艘2000m3驳船需要时间约3 h，而装舱在8min后，即开始舱顶漫流，泥浆的扩散时间长，扩散的范围大，并顺着涨落潮流到其他施工区域，对海域水质影响大。

3）安全风险大

防城港航道拓宽工程位于无掩护的外海，海况条件较差，由于驳船抗风浪能力较弱，增加了安全风险，而且容易因驳船无法施工而导致挖泥船被迫停工。由于驳船靠船体一侧，增加了“天鲸号”的宽度，对航道内避让也带来一定的安全隐患。

为避免上述问题，决定采用艉吹装驳工艺施工。

4 艉吹装驳工艺

“天鲸号”配备了艉吹装置，可以通过排泥管线将疏浚物输送到指定位置。考虑到礁石类疏浚物输送距离短，经过分析研究，决定在工程区域附近海况较好的地点设置抓斗装驳平台，将疏浚物通过排泥管线输送到抓斗装驳平台，并在装驳平台上设置装驳架，驳船停靠装驳平台进行装驳作业。

4.1 艉吹装驳布置

防城港航道东侧艉吹施工平面布置见图2。

图2 航道东侧艉吹施工平面布置图Fig.2 layout of the stern discharge in the east side of channel

4.2 艉吹装驳工艺流程

经不断改进，形成“天鲸号”艉吹装驳工艺，其工艺流程见图3。

图3 艉吹装驳工艺流程图Fig.3 Barge loading process flow diagram of stern discharge

4.3 艉吹装驳施工工艺

1）驳船靠泊前，先通过抓斗的吊机将排泥钢管上端起吊一定的高度，待驳船靠稳后，吊机松缆，将排泥钢管下放至装驳架。

2）装驳开始后，可根据驳船吃水变化情况，通过抓斗吊机来调整管口距离驳船中已装入泥浆液面的高度。

3）定位抓斗船和驳船采用前后端缆绳、系缆柱相对固定，为保证疏浚物在驳船泥舱内分布较均匀，驳船通过松缆或紧缆改变与定位抓斗船的相对位置。

4）抓斗船通过绞锚改变与“天鲸号”的相对位置，调整位置时应考虑前方水域水深、管线长度、管线锚位置、管线方向与“天鲸号”施工中线的夹角等。

5）在完成1次装驳作业循环后，按照1）～4）步骤进入下一个装驳循环。

4.4 艉吹装驳工艺优缺点分析

4.4.1 优点分析

1）施工质量有保障

管口位置距离航道底边线较远，减少了疏浚物对航道内二次淤浅的可能，施工质量有保证。

2）提高了“天鲸号”的时利率

装驳作业移到了海况条件较好的区域，降低了因驳船无法施工造成的停工风险，提高了“天鲸号”的时利率。

3）降低安全风险

驳船靠离驳及装驳作业移到了海况条件较好的区域，降低了驳船作业的安全风险；“天鲸号”两侧无靠泊驳船，在航道内施工避让风险减小。

4.4.2 缺点分析

1）管线占用水域较大

由于水上管线在航道内处于漂浮状态，占用水域范围较大，并随涨、落潮流摆动，对于过往船舶存在碍航风险，施工时要做好警戒标识，特别是夜间施工要设警示灯等。

2）对航道外侧水深较浅区域适应性差

部分区域因水深过浅，不满足抓斗船及配套驳船吃水要求，采用艉吹装驳方式适用性较差。

5 结语

通过对“天鲸号”在防城港航道拓宽工程进行挖岩施工的调研分析，得出以下结论。

1）重型绞吸船在进行挖岩施工时依据不同工况可选择直接装驳工艺或艉吹装驳工艺。

2）直接装驳工艺适用于风浪条件好、环保要求低、疏挖区底高程要求不高的工况条件。

3）当风浪大驳船难以停靠时，采用直接装驳将影响施工的正常进行，适合选择艉吹装驳工艺。而溢流大会造成疏挖区回淤时，采用艉吹装驳工艺为宜。

4）当工程区为正在使用的航道时，采用直接装驳工艺会增大施工避让风险，建议采用艉吹装驳工艺。

[1] 姚建伟，杨启.基于岩石切削理论的超大型绞吸挖泥船绞刀动载荷分析[J].中国港湾建设，2011（1）：5-10.YAO Jian-wei，YANG Qi.Dynamic load analysis of the super cutter suction dredger cutter based on rock cutting theory[J].China Harbour Engineering，2011（1）：5-10.

[2] 何炎平，冯长华，顾敏童，等.“天鲸”号大型自航绞吸式挖泥船[J].船舶工程，2009（5）：1-5.HE Yan-ping，FENG Chang-hua，GU Min-tong，et al.Largesezed self-propelled cutter suction dredger named Tianjing[J].Shipping Engineering，2009（5）：1-5.

[3] 高伟.绞吸船挖岩工艺研究[D].天津：天津大学，2006.GAO Wei.Study on dig rock technology of cutter suction dredger[D].Tianjin：Tianjin University，2006.