抓斗挖泥船疏浚工艺研究与设计＊

邹 晟 李竹森 肖汉斌 路世青

（武汉理工大学物流工程学院 武汉 430063） （营口港集团股份有限公司固机分公司 营口 115000）

0 引 言

目前国内外常见的挖泥船型式有绞吸式，斗轮式，链斗式，铲斗式，抓斗式等.抓斗式挖泥船主要是用于挖取海底各种淤泥、泥砂、砾石、碎石、巨石等物料，也可以用于航道疏浚、码头施工和海床工程的挖掘［1］.

抓斗挖泥船运用抓斗的自身重力作用，使抓斗能够下降插入水下泥层，通过抓斗的闭合，来挖掘泥沙.相对于其他挖泥船而言，抓斗挖泥船具有挖深大、对泥沙适应性强、挖掘量大的特点.同时，钢桩式抓斗挖泥船摈弃了靠抛缆定位的繁琐做法，采用定位桩定位的方式，既提高了定位精度和生产效率，又降低了对航道其他船只的通航影响［2］.

但是，随着钢桩式抓斗挖泥船的技术不断进步，抓斗挖泥船的挖掘量逐渐增大，挖掘精度逐渐提高，疏浚抓斗平挖研究［3］的出现，传统的抓斗挖泥船的疏浚工艺已经跟不上挖泥船技术的发展.

本文结合近年来有关抓斗挖泥船疏浚工艺的案例，总结出钢桩式抓斗挖泥船的施工工艺.同时将其应用于曹妃甸区航道施工中，设计出合理的施工工艺.最后，对于施工工艺中的优化问题进行探讨.

1 挖槽主要尺寸设计

底标高指设计基准与挖槽设计底平面之间的距离，底宽指挖槽设计底平面的宽度.如图1所示，挖槽的底标高和底宽为挖槽横断面梯形的高和底.它们的尺寸很大程度上决定了疏浚的工程量.

图1 挖槽底宽和底标高示意图

为了提高挖槽的稳定性，边坡的设计是必不可少的.表1所列为各种土质的设计边坡坡比［4］.

表1 各类土质设计的水下边坡

由于抓斗形状的限制，其所挖掘边坡不能成为理想平面，所以只能采用分层开挖的方法，依靠自然坍塌最终形成边坡.图2所示为开挖断面示意图.

图2 航道疏浚开挖断面示意图

图2中，Δd－超宽量，m；c－超挖面积，m2；q－欠挖面积，m2

通常情况下，为保持挖槽边线能达到要求的深度，而挖泥船对边线导标和操作上又必然会出现偏差，也只能超过挖槽的边线进行施工，即超宽.竣工验收时在施工区域内是不允许出现浅点的，由于船舶施工误差引起，疏浚工程方量的计算都要计算一定的超深.达不到要求，质量不合格；超出太多，疏浚成本增大.为了满足这一点，抓斗挖泥船只能超过设计深度进行施工.但是随着定位技术的发展以及抓斗平挖技术的应用，挖掘精度有了很大的提高，过去的一些超宽超深规范也需要做相应调整.

2 常用挖掘方法介绍

2.1 一般挖泥法

抓斗挖泥船一般采取纵挖式（即沿航道方向）施工，根据不同施工条件可分为顺流挖泥、逆流挖泥、分条挖泥、分段挖泥、分层挖泥等方法：（1）一般情况下，抓斗挖泥船宜采用顺流开挖，主要是防止抓斗与船体发生碰撞.流速不大或有往复潮流的地区采用逆流施工；（2）当设计挖槽宽度大于挖泥船有效挖宽时采用分条挖泥法.其分条原则是中央向两侧分条，每相邻2条有重叠从而防止漏挖，分条最大宽度不得大于挖泥机有效工作半径；（3）泥层厚度大于挖泥船抓斗最大挖深时采用分层挖泥法.分层原则是上层宜厚、下层宜薄从而提高挖泥功效保证疏浚质量；（4）挖槽长度超过挖泥船一次抛设主锚所能开挖长度时进行分段施工.分段长度易取60～70m［5］.

2.2 梅花形挖泥法

对于土质松软，泥层厚度不大的情况，为了提高工作效率，又能保证工程质量，多采用梅花形挖泥方法，即斗与斗之间留有一定的间隔，使所挖的泥面呈梅花形的土坑，如图3所示.在实际施工中，根据水流的大小及图纸松软情况，合理确定斗与斗之间的间距，并控制好开挖深度［6］.

图3 梅花挖泥法示意图

2.3 顶滩挖泥法

浅滩短挖槽上、下游都受施工吃水限制，无法顺岸线展布施工，都要采用顶滩挖泥法.利用高潮位分层向前抢挖出1条泥驳不致搁浅的挖槽落潮时，挖泥船移到起点开挖，挖泥船与泥驳相互调档，到高潮位时，继续分层开挖，待到再落潮，如不影响泥驳吃水，可继续挖或挖下1层.如继续挖泥会影响泥驳吃水，到挖泥船与泥驳互相调档，循此法挖完为止.

2.4 留埂挖泥法

在水深条件许可时，挖泥进关采取跳一关退一关依次前进的方法，称谓留埂挖泥法.即挖完第一关进到第三关，挖完第三关，退到第二关，挖完第二关跳到第五关.这种挖法，当挖去第一、三、五关后留下的二、四关即为土埂，容易抓挖，如图4所示.

图4 留埂挖泥法示意图

2.5 边坡挖掘

抓斗挖泥船不能像绞吸式挖泥船一样，通过司机的操作挖掘出较为平整的边坡，所以只能采取分层开挖的方法，依靠水流影响自然坍塌最终形成边坡.台阶的开挖高度宜在1.0～2.5m.边坡的挖掘既要考虑超宽值，又要考虑抓斗对于疏浚土岩的适应，所以越往下挖掘深度越小，并且超挖的高度应该大于欠挖高度；为了挖掘方便，台阶的分层最好与主体疏浚分层大致相同.具体数据需要计算得到.

3 曹妃甸区航道施工工艺设计

3.1 曹妃甸区海床介绍

曹妃甸区海床如图5所示，其最大水深为16m，原始边坡比约为1∶3，海床较为平整.

图5 曹妃甸区海床图

3.2 挖槽尺寸及施工设备介绍

设计挖掘深度为20m，设计挖槽底宽为1 200m，边坡比为1∶5，疏浚长度为3 000m.选海床一典型横截面与设计挖槽横断面比较，如图6所示.

图6 设计挖槽截面图

挖泥船采用上海航道局的“新海蚌”号钢桩式挖泥船，其性能参数如下：宽24m，总长65.8m，型深4.8m，配备18m3抓斗，斗宽2 732mm，最大开度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.挖泥机臂架一般以固定幅度22m施工.

3.3 疏浚工艺设计

根据航道土质情况，上层土质较为松软，下层土质较为密实，故采用分层开挖法.总共分为5层，自上而下厚度为5，5，4，3，3m.边坡采用阶梯挖掘，台阶的开挖高度宜在1.0～2.5m，为了使边坡阶梯尽量与分层保持一致，所采用阶梯高度分别为2.5，2，1.5m，如图7所示.

图7 边坡阶梯挖掘示意图（单位：m）

3.3.1 第一层挖掘 采用分层开挖法，上层泥土较为松散，可以进行大深度的挖掘.开始进行深度为5m的挖掘.挖掘方向为顺流方向.为了保证抓斗一定的重斗率，分条宽度定为30m，如图8所示.将分段长度定为60m.确定航道的中心线，根据海图在离航道中心线260m处布置挖泥船.

1）第一段挖掘 航道两岸水深过小，挖泥船、泥驳不能正常工作，需要挖掘出挖泥船、泥驳工作的起始位置.

图8 挖泥船分条宽度示意图

进行横向（垂直于水流方向）挖掘，挖出1条纵向长度为100m，横向离设计边线17.5m（考虑到阶梯开挖，如图9所示，高度h为3.5m，乘以边坡系数m为5，d＝h·m＝17.5m）的水槽，如图10所示，阴影部分为所要挖掘区域.挖掘深度为5m的区域，可供挖泥船、泥驳航行.

图9 边坡分层挖掘

图10 第一段挖掘示意图

该操作可以采用吃水量小的挖泥船，分层进行操作.或者采用自航抓斗挖泥船，可以将抓取的泥沙装入自身的泥舱中.也可以利用该挖泥船横向挖掘，首先挖出1条可供泥驳航行的区域，将所挖起的泥土放到挖泥船外侧，在第二条挖掘时，将多余疏浚岩土重新抓起，装入泥驳中.

2）后续挖掘 完成操作1）后，挖泥船有了挖掘的起始位置，可以按照正常情况进行分段分条挖掘.

挖掘深度为5m，分3层挖掘.第一、二层采用沉挖，第三层采用定深挖.每段内，采用分条挖掘法.排斗顺序为从里向外排斗，每相邻2斗间距为2m，抓斗单位转动角为5°（遵从重合为0.2，两斗间距Δx＝mD·（1－S），其中mD为斗宽，S为重合度）.每次纵向移船距离为6m（依据挖泥船前移距一般取抓斗张开宽度的0.7～0.8倍，在此取0.8）.第一层的挖掘主要是为了能够挖出一条供挖泥船、泥驳自由通航，方便以后挖掘的航道.所以精度要求不高.但是挖到离边线30m处时要注意挖掘的精度，这里挖掘会影响边坡质量.

边坡挖掘质量需要保证，先采用沉挖再采用定深挖.挖到离边线5m处，挖深为2.5m，欠挖和超挖高度分别为1，1.5m.考虑到挖泥机的挖掘范围有限，横向最大挖掘长度只有6m，可以考虑在岸上利用挖掘机进行挖掘.

3.3.2 第二层挖掘 该层挖掘深度依然定为5 m，其挖掘方法与第一层挖掘方法不同，将采用严格地分段分条挖掘.第一、二层采用沉挖，第三层采用定深挖.排斗顺序为从里向外排斗，每相邻两斗间距为2m，抓斗单位转动角为5°；每次纵向移船距离为6m.挖掘下1条时，保持挖泥船内侧在分条边线上，防止漏挖.第二层最终挖到离设计边线42.5m处.

边坡挖掘仍然先沉挖，后定深挖，挖掘深度为2.5m，欠挖和超挖高度分别为1，1.5m.

3.3.3 第三层挖掘 该层的深度定为4m.前两层的挖掘主要是挖掘航道两侧，第三层的挖掘涉及到航道中央的挖掘，采用由中央向两边挖掘的分条方法.其挖掘方法与第二层挖掘方法相似，一直挖到设计边线64m处.

边坡挖掘先采用沉挖后采用定深挖，挖掘深度为2m，欠挖和超挖高度分别为0.8，1.2m.

3.3.4 第四层挖掘 该层的深度定为3m.其挖掘方法与第三层挖掘方法相似，分为两层挖掘，第一层采用沉挖，第二层采用定深挖.一直挖掘到设计边线80.5m处.

边坡挖掘可直接采用定深挖，挖掘深度为1.5m，欠挖和超挖高度分别为0.6，0.9m.

3.3.5 第五层挖掘 这是最后一层.在一般的航道疏浚以及港口修建中，抓斗挖泥船以其灵活方便、对密实岩土具有很好的挖掘效果等特别得到广泛应用.但是在对平整度要求较高的场合，往往需要利用绞吸式挖泥船进行最后的精挖，或者在抓斗上固定钢板对海底进行扫平作业.这些操作延误了疏浚工期、带来了疏浚成本的增加.课题组设计的挖泥船具有自动平挖功能，具有较高的平挖精度，既可以保证缩短疏浚工期又可以保证工程质量.

该层的深度定为3m.先采用定深挖，再采用平挖.一直挖掘到设计边线95.5m处.

边坡挖掘可直接采用定深挖，挖掘深度为1.5m，欠挖和超挖高度分别为0.6，0.9m.

3.4 疏浚工程量计算

选取任意横断面进行计算.

第x层挖掘所需要的斗数nx，其表达式为

式中：N为一次定位挖泥机的挖掘斗数，在本次设计中N＝19；d为设计分条宽度值，m；ax为第x层主平面开始挖掘点与设计边线之间距离，m；ax′为第x层主体挖掘终点与设计边线之间的距离，m；mx1为第x层主平面挖掘时的分层数量；Δb为第x层边坡阶梯长度，m；mx2为第x层挖掘时边坡阶梯分层数量.

结合本次工艺设计，可以计算出一个横断面内，各层挖掘所需抓斗数为

则整个挖掘过程中所需要斗数nall为

式中：L为疏浚工程总设计长度，m；l0为一次移船的纵向长度，m.

本次设计中L＝3 000m，l0＝6m，故nall＝（3 000／6）×7 677＝3 838 500.

4 疏浚工艺中的优化问题

疏浚工程中存在很多需要优化的地方，这里主要探讨一次定位情况下，抓斗排斗数与分条宽度的关系，见图11.

由图11可见，臂架旋转角度越大，抓斗挖掘的宽度越大，分条宽度既而增大.

图11 排斗数与分条宽度示意图

比较旋转角度与分条宽度之间的关系，如图12所示.

图12 排斗几何关系图

图中：α为臂架的旋转角度（α＝n·α0，其中n为排斗数，α0为斗间夹角）；R为抓斗外延圆周轨迹的半径；d为挖泥船纵向移船距离，它们均为已知量；x为抓斗交点与移船后圆心之间的距离；b为抓斗交点与原圆心连线的偏转角.根据几何关系可以得出以下方程组.

最后可以得出挖掘宽度B.

式中：B0为挖泥船中心至挖泥里侧的距离.即确定排斗数与分条宽度的关系.

可以根据抓斗挖掘耗能和横向移船能耗，进行计算，得出最优的排斗数.已知B＝f（n），对于一个特定的挖掘宽度b，挖掘斗数为·（n＋n0），n0为挖泥船里侧挖掘的斗数，移船数为－1.每斗挖掘耗能为w1，每次横向移船耗能为w2，则总的耗能W 的表达式为

可求出相应n值，使总耗能取最小值Wmin.

5 结束语

在总结目前挖泥船疏浚工艺的基础上，重点分析研究了钢桩式抓斗挖泥船的疏浚工艺，针对曹妃甸区航道设计要求，设计出了基于定深挖与平挖技术的疏浚方案，并且对抓斗排斗数与分条宽度的关系进行探讨.

本文研究结果可为新型钢桩式抓斗挖泥船疏浚工艺设计提供一定参考.

［1］汪义达，林健煜.现代挖泥船讲座之三抓斗式，链斗式，铲斗式挖泥船［J］.水运工程，1981（7）：44－49.

［2］王常金.定位桩液压抓斗挖泥船的施工方法［J］.中国水运，2010（9）：34－35

［3］肖汉斌，张永涛，路世青，等.疏浚抓斗平挖运动研究与仿真［J］.武汉理工大学学报，2013，37（3）：482－485.

［4］天津航道局.疏浚工程技术规范［S］.北京：人民交通出版社，1999

［5］王谷谦，于蕴山，沈庚余.疏浚工程手册［M］.上海：交通部上海航道局，1994.

［6］陈少鹏.抓斗挖泥船在沿海航道维护性疏浚中的质量控制［J］.中国水运，2011（6）：18