绞吸式挖泥船施工黏土混块石防石设备的应用

2020-06-23孙芳淳

水运工程 2020年6期

孙芳淳

(中交天航滨海环保浚航工程有限公司，天津 300450)

随着疏浚市场的发展，疏浚船舶特别是挖泥机具有了较大的改进。由于施工地域或深度不同，施工土质错综复杂，采用相应的船型或施工方法才能使疏浚船舶最大程度地发挥其产能。例如，对绞吸式挖泥船从绞刀形状、材质以及绞刀齿等诸多方面进行了改进，使疏浚船舶生产率有了大幅度提高。近年来，天航局对在绞吸船的挖泥绞刀上加装防石环[1]以及在刀臂焊接拨石板等碎石装置[2]的研究和应用较多，并在实际应用过程中收到较好的效果。

黏土、块石混合土作为一种特殊的疏浚土质，在我国疏浚工程中比较常见，特别是在渤海湾的东北地区。黏土混块石土质因其黏性及块石体积较大造成开挖及输送困难，绞吸船在开挖该土质时，极易出现堵塞绞刀、吸口或泥泵等现象，致使绞刀设备磨损严重而且总排压较大，浓度不稳定，输送困难，综合生产率降低。因此，在参照现有方法的同时，对绞刀结构或吸口格栅间距进行调整和改造，取得很好的效果。

1 土质分析

1.1 土质分类

按照岩土分类规范和疏浚技术规范，岩土主要分为6大类。

0级土：有机质及泥浆；1～2级土：淤泥；3～6级土：黏土类,由软到坚硬；7～10级土：砂土类，由松散到密实；11～13级土：碎石类，由松散到密实；14～15级土：岩石类，由弱到强。

其中第3类土中6级黏土，土质又黏又硬，若夹杂块石将是较难疏浚的土质之一。黏土球见图1。

1.2 土体物理力学指标

根据鲅鱼圈港区《岩土工程勘察报告》中的室内试验成果，得到淤泥黏土判定参数(表1)。

图1 黏土球

表1 黏土判定指标

1.3 土质建模分析

根据土质钻孔资料，将钻孔点导入三维建模软件，建立地形建模、土层建模和土层分析，见图2。根据施工深度上的不同土质，将吹填区取得的实际土质与残留在绞刀上的原状土质进行核对，建立较为准确的土质档案资料，便于进行施工分析。

图2 土质三维模型

2 施工难点

“津航浚217”船在营口鲅鱼圈港A港池施工黏土混块石土质时，有以下技术难点：

1)挖掘困难，施工浓度较低；

2)绞刀、绞刀齿、齿座、绞刀锥体磨损严重；

3)堵塞绞刀，憋爆绞刀液压油管现象时有发生；

4)堵塞绞刀吸口、泥泵频繁，停车掏吸口、掏泥泵。

由图3可以看出，绞刀、吸泥口、泥泵堵塞是影响绞吸船施工效率的主要因素，而防石装置结构(吸入)、施工工艺是直接原因。

图3 影响生产效率因素

2.1 绞刀堵塞

在施工黏土或绞刀吃泥量过大时，绞刀臂之间易被黏土堵塞(图4)。在施工黏土混块石等土质时，为提高疏浚船舶时间利用率和生产率，须加装防石设备。黏土极易在防石设备之间产生“塞牙”的现象，特别是有块石卡在绞刀防石环或格栅时，造成进泥间隙减小，黏土不能顺利进入绞刀内腔吸口，逐渐产生堵塞绞刀的现象。随着施工的继续堵塞程度会逐渐增强，吸入真空逐渐增加，流速和产量降低，当真空加大到一定值时，产生“震车”现象，须停船掏绞刀、掏口掏泵，造成施工船舶停工，严重影响施工生产进度。

图4 被黏土糊堵的绞刀

2.2 吸泥口及泥泵堵塞

绞刀吸口位于绞刀腔内部，在泥泵的作用下，绞刀吸口附近产生较大的吸入真空，形成一个以吸口为中心的吸入真空场，越靠近真空场中心吸力越大，促使进入绞刀腔内的黏土块体顺利进入吸口，不会在吸口处形成堵塞的现象。即使有块石进入绞刀腔内，在吸口强大的吸力作用下，直径小于格栅间隙的石块将同黏土块体一同进入吸管，较大的石块仍将卡在格栅处，当格栅处石头数量增多时也会造成吸泥口堵塞，见图5a)，使船舶吸入真空加大，影响施工生产效率。此时，可采用停车、脱泵的简易方法处理，使排泥管线内的部分泥浆回流，对格栅处的石块进行冲刷，大部分石块可脱离格栅，减少堵塞吸泥口频次和掏口次数。赌塞严重时须人工掏口。

当吸口的格栅间距加大时，就会有较大直径的块石通过吸泥管进入泥泵，由于泥泵流道宽度有限，一般为300～350 mm，大于流道宽度的块石就会卡在泥泵内，堵塞泥泵，须及时将块石掏出，见图5b)。否则，将影响泥泵正常运行和施工效率。

图5 块石堵塞吸泥口与堵泵

3 防石设备技术方案比选

根据格栅形状焊接在吸泥口上的格栅防石装置[3]可分为“川”字形防石格栅、“马蹄”形防石格栅、“犬牙”形防石格栅以及“H”形格栅等。每种结构形式(图6)的适用范围及特点见表2。

表2 各种形式格栅优、缺点对比

图6 吸口格栅形式

4 吸口格栅设计与材料

格栅的设计形式须依情况而定：施工区石量不多时可以采用简单的“川”字形和“H”形结构；反之，须考虑其他类型的格栅形式。格栅材料通常有2种，分别为φ50 mm圆钢和30～35 mm厚的钢板[4]。2种材料的格栅在实际施工中各有优、缺点：

1)φ50 mm圆钢所焊接的格栅[5]。优点：牢固耐用，具有较强的抗冲击性；可采用简单的脱泵、泥浆回流等简单手段处理，掏口简单易行，影响施工时间短。缺点：迎面较宽，减小了吸口的有效面积，加大了泥浆进入吸口的阻力，影响施工生产率。

2)30～35 mm厚的钢板格栅。优点：迎面较小，对泥浆进入吸口的阻力影响较小，对黏土和块石有一定的切削破碎作用；缺点：牢固性能较圆钢略差，而且格栅卡上石块不易被清除。

5 格栅间距对泥泵流道的影响

天航局“滨海3000”系列绞吸式挖泥船使用“川”字形格栅，施工时掏泵、掏口统计见表3。从表3可知，在流道宽度不变的情况下，格栅间距越小堵塞吸泥口的次数越多，堵泵的次数越少，反之亦然。

表3 “川”字形格栅性能指标

格栅间距设计的主要依据是泥泵的流道宽度，通过调整吸口隔栅的结构形式、间距和设置位置，使堵口及堵泵的清理时间基本保持平衡，以达到最佳的施工效果。由图7可以看出，格栅间距约为泥泵流道宽度的96%时为最佳平衡点。在实际施工过程中，还要综合考虑施工区域的块石储量及黏土特性等因素对平衡点的影响。

图7 不同格栅间距掏口、掏泵情况

6 挖泥施工操作要点

6.1 石块集聚区施工方法

在现场实际施工过程中，由于各种原因，造成施工区域散落大量块石，有些是相对集中的，例如，原防波堤拆除后的残留等都可能产生块石集聚区。建议施工时通过上层施工将石块集中区域探明，最后集中施工，以利于施工生产率的发挥。石块集中区域施工通常采取以下方法。

1)石块集聚区范围不很大时可以在石块区域旁边挖坑将石块填埋。此方法简单易行，成本较低，适用于港池施工，适合没有超深要求的工程。

2)当石块集聚区范围较大时，可以采用抓斗船进行清抓施工。此方法成本较高，但可行性强，无遗留问题。

6.2 分层施工

要尽量减少分层施工，特别是最后质量层施工时须考虑一定量的超深，确保一次成槽。因为绞吸船无法清除较大直径的块石，在每层施工时都将被挖到并影响施工，分层越多被堵口的频率越大，影响施工的时间越长。

7 案例分析

7.1 营口港鲅鱼圈A港池疏浚工程

“津航浚217”船在辽宁鲅鱼圈港区A港池施工。挖泥深度从-18～-12 m，主要土质为6级粉质黏土，土质硬、黏性大且夹杂着石块。起初施工时绞刀吸口是传统的防石网结构，防石网网格之间空隙较小，当黏土被切入后，由于土体黏性极强、易成形，很难顺利通过防石网，特别是当部分块石卡在防石网上时，黏土将绞刀很快堵塞，导致吸泥量降低，绞刀负荷不均匀，电流起伏较大，绞刀挖掘能力下降，造成绞刀电机负荷增大，清理绞刀和维护电机的时间加长，大大影响船舶生产率和时利率的发挥。根据以往经验，如果完全去掉防石网，不采取任何措施，泥土虽然会很容易进入吸口，但是由于施工区石块较多，泥土较易进入的同时石块也很轻易地进入吸口并将水下泵堵死，同样要造成停工，进行掏泵作业。

为了减少堵口堵泵的现象，应去掉防石网在绞刀吸口处加焊隔栅，使泥土通过绞刀的切削，进入吸口的流通空间加大，便于水土混合，泥土和较小的石块很容易进入吸口。该方法效果明显，堵口现象明显减少，大幅提高了时间利用率，使施工生产率由改造前的350 m3/h提高至改造后的460 m3/h，增幅24%。

7.2 天津临港产业区北港池东侧堤岸加固及港池整治海洋工程

2012年，“天吉”船施工临港产业区北港池东侧堤岸加固及港池整治海洋工程一标段进入下层施工阶段，施工深度范围为-15.5～-12.0 m，施工土质为6级粉黏土，内含砂土，硬度较大，夹杂块石。在刚刚进入下层施工时，该船施工时吸入真空较大，施工浓度较低(10%～15%)，平均生产率为750～950 m3/h。天津地区绝大部分土质为淤泥质亚黏土，上层土质以2～3级土为主，但下层土质变化较大，特别是-15～-12 m之间为6级黏土，硬度较大，在原状土情况下，破土较为困难。每次起升绞刀时均有堵绞刀的现象发生，特别是有块石卡在防石环上时，堵塞更快。为此，及时将防石环割除，防止块石进入泥泵影响施工，在绞刀吸口加格栅，结果平均生产率大幅提升至1 500 m3/h，扭转了工程面临亏损的形势。