中欧疏浚公司吹填管线对比

张吉轶

(中交广州航道局有限公司，广东 广州510290)

吹填管线是疏浚吹填施工中至关重要的材料，吹填管线选择与布设方式直接关系到吹填施工效率。管线爆裂、管线断面磨损不均匀是吹填施工中常见的问题，如何有效避免管线爆裂与管线断面磨损不均匀，一直是疏浚吹填施工过程中需要关注的重难点[1]。目前国内关于吹填管线的研究主要涉及排泥管道磨损、泥沙输送对管线磨损监测及泥沙输送摩阻特性等[2-4]。

由于引入的欧洲疏浚公司的特大型绞吸船“Helios”的自有管线无法及时调遣，前期使用中国疏浚公司已经组装完毕的在场管线进行吹填施工，在施工过程中管线爆裂(尤其是沉管)频繁发生，管线修复耗时较长。绞吸船“Helios”自有管线进场后，替换其自有管线施工时，管线爆裂频率及处理管线故障耗时均显著降低。欧洲疏浚公司经过近百年的发展，已拥有较为先进、成熟的疏浚吹填施工工艺。通过本项目中的对比，发现我国疏浚公司使用的吹填管线与欧洲疏浚公司使用的吹填管线存在较大的差异。

1 项目吹填土质及吹填距离

本项目位于波斯湾沙特阿拉伯朱拜勒(Jubail)市，疏浚区域表层覆盖有厚0.5～4 m的岩帽(cape rock)，岩石完整性好、强度高，岩帽无侧限抗压强度多为30 MPa以上，岩帽下层为中细砂。由于疏浚区域覆盖层厚不均的岩帽，且施工水域水深小，最远吹填距离约5.5 km，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，因此需要选用挖掘功率大且具有破岩能力的特大型绞吸船进行该项目疏浚吹填施工[5-6]。因吹填料多为破碎后带棱角的岩石，吹填料输送过程中管线磨损严重。

2 疏浚设备及管线

疏浚开挖料为硬度高且完整性好的岩石，因此引入欧洲疏浚公司的特大型绞吸式挖泥船“Helios”进行施工。该绞吸船主要参数见表1。

表1 绞吸船“Helios”主要参数

3 浮管差异

3.1 连接方式差异

自浮管线具有良好的自浮性能，且具有一定的柔性，能跟随绞吸船开挖逐渐移动，主要用于绞吸船船尾，便于在自浮管线活动范围内开展疏浚施工。因自浮管线造价高，每艘绞吸船配备的自浮管线长度有限，多与沉管直接连接。因自浮管线漂浮在海面，随着洋流、潮汐起伏，特大风浪期间易受损，因此大风浪区域不适宜布设较长的自浮管线[7]。

国内疏浚公司常用的自浮管线为铠装胶管，法兰盘通过螺栓逐根组装到需求长度后投入使用，整条自浮管线由若干根浮管拼接而成，连接见图1。欧洲疏浚公司亦使用铠装胶管作为自浮管线，与国内疏浚公司使用自浮管线的主要区别在于：欧洲疏浚公司将一定数量的自浮管线通过螺栓连接成长约100 m的标准段，段与段之间用快速接头(ball joint)连接。快速接头主要结构有连接头浮箱、连接体浮箱、公连接头(球头)、母连接体(承口)、液压传动装置、收放锁紧装置等[8]。其中公母接头为长3 m左右的短钢管，嵌套在浮箱内，通过液压传动装置实现公母接头快速连接与分离(图2) 。

图1 国内自浮管线连接方式

图2 自浮管线快速接头结构

国内疏浚公司自浮管线与绞吸船船尾管主要通过法兰螺栓连接，而欧洲疏浚公司自浮管线与船尾相连的初始段增加球形接头，绞吸船船尾管安装有液压控制的可开闭承口，自浮管与船尾管可迅速对接、分离。

3.2 优势分析

无论是浮管段与段之间，还是船尾管与自浮管的对接方式，欧洲疏浚公司均采用快速接头的形式。该形式具有以下优点：1)对接灵活，拆卸方便。法兰螺栓长时间浸泡在海水中易锈蚀及附着海生物，需要拆开时往往需要使用风焊逐套切割法兰螺栓，比较耗费时间；而快速接头易对接、分离。2)维修便利，缩短绞吸船停工时间。自浮管线出现故障时，迅速拆开快速接头，将出现故障的浮管标准段拆除后，对接其他正常浮管标准段，绞吸船能及时恢复施工，大大缩短传统浮管爆裂维修时的停工时间。3)利于管线翻转，减少管线断面磨损不均匀。自浮管线漂浮在海水中，底部会附着大量海生物，因此管线底部较重，当较长的浮管翻转时，受制于重心作用，管线不易翻转。而划分成标准段的浮管，拆开快速接头，每段自浮管线长度较小，通过辅助船舶起吊能够快速实现翻转，增加标准段的翻管频率，减少管线断面磨损不均匀，从而延长自浮管线使用寿命。4)灵活缩减浮管长度，减小吹填排距，提高施工效率。随着绞吸船向前挖掘，绞吸船开挖进尺达到标准段长度后，可以及时快速缩减一个标准段的自浮管线，逐步减小吹填料排距来提高吹填施工效率。

3.3 快速街头管线未在我国推广的原因

3.3.1辅助设备差异明显

欧洲疏浚公司使用多功能艇(multi-cat)来进行疏浚吹填辅助作业。以本项目使用的多功能艇BKM104为例，其具备拖带、移锚、起吊、辅助移动绞吸船和燃油补给等功能，拥有艘吊、中吊2个大功率伸缩吊机，1台大功率绞车，1个较小的伸缩吊机(管线快速接头对接与分离时使用)。多功能艇拥有侧向推进器，船舶拆管、接管时调整位置、姿态较为便利。同时，绞吸船开挖信息、多功能艇移锚、抛锚后标记的锚位坐标等都能在各自驾驶舱中控屏实现信息实时共享，便于绞吸船与辅助船舶获取各自需求的信息来开展作业。为降低多功能艇浅区作业风险，多功能艇采用双层底设计(图3)。一艘功能完备的类似多功能艇造价约1 600万美元，远超出我国疏浚公司使用的锚艇造价。由此可知，欧洲疏浚公司基于其疏浚吹填作业需求，结合其自身管线工艺进行辅助船舶功能设计与制造。国内疏浚公司通常使用锚艇作为辅助设备，使用传统的法兰螺栓连接管线，泥沙疏浚吹填时管线故障发生频率较低，使用价格相对低廉的锚艇具有较高的性价比，也取得了较好的经济效果。但是，在岩石吹填时，实际配合作业过程中发现仅有绞车与A字架的锚艇难以高效地与欧洲公司的多功能艇协调处理管线爆裂问题。

图3 多功能艇(multi-cat)船体

3.3.2快速接头存在不足

对接时如果承口内橡胶垫密封不严实，吹填过程中粉细砂逐步填充球头与承口之间的缝隙，分离时球头会卡在承口内，须多次调整前后浮管的方向，活动球头后才能分离快速接头。

4 沉管差异

4.1 连接方式差异

我国疏浚公司采用的沉管主要由钢管及橡胶短管构成，通常是24 m钢管与钢管之间对接1根橡胶短管，通过橡胶短管增加钢管与钢管之间的自由度；欧洲疏浚公司使用的沉管不采用橡胶短管，而是直接将钢管逐根焊接成几百米长的标准段，段与段之间通过快速接头连接，组装便利。我国疏浚公司使用的沉管壁厚通常为20 mm，而欧洲疏浚公司配备大型绞吸船使用的沉管壁厚通常为30 mm。

4.2 优势分析

欧洲疏浚公司在沉管对接时不放置橡胶短管的主要优点：1)大大减小沉管爆裂几率。吹填施工中，疏浚料中的块石管路输送往往需要较大的排压，才能将密度较大的石料通过管线快速输送至回填区域。而排压较高时，钢管与钢管之间存在的橡胶短管因老化、块石撞击，使用一段时间后无法承受较大的压力而爆裂，爆裂部位通常位于沉管与自浮管线、陆地管连接的上下坡段附近。欧洲疏浚公司采用的沉管连接方式不使用橡胶短管，显著降低了沉管爆裂的风险。2)沉管安放容易。钢管焊接后，整条管线为直线，可以直接下沉，沉管沉放在海底时也呈直线分布。而包含橡胶短管的沉管浮在水面时，受风及水流作用呈弧线型，沉管下沉时也是弧状沉放在海底。有风浪的天气沉管下沉时，需要多艘辅助船舶调整管线状态才能比较顺直地下沉。3)管线不会弯折。浅水区域下放的沉管，如因海底涌流作用移位，部分胶管老化后，钢管与钢管之间的短胶管容易弯折、拧住。

4.3 焊接沉管的不足

焊接沉管由单根钢管焊接成型，焊接工作量大、焊缝质量要求高，通常是在固定加工区域完成焊接后下水。由于焊接钢管之间没有自由度，对海底地形变化适应性不足，在海床面地形起伏较大的水域，焊接沉管下放至海底前，需要对水域进行多波速测量，依据测量结果选择海底地形较为平缓的区域下放沉管才能使沉管紧贴海床面。

5 陆地管差异

5.1 连接方式差异

我国疏浚公司主要采用钢管与钢管之间通过法兰螺栓逐根对接的方式铺设、延伸陆地管至吹填区域。而欧洲疏浚公司通常使用的方式为：2根12 m的钢管之间通过法兰螺栓对接后，在24 m标准段两端法兰提前安装大小接头，吹填过程中接管时标准段与标准段之间通过大小后实现快速链接。

5.2 优势分析

欧洲疏浚公司将陆地管通过大小头的方式变成易于快速对接、分离的管线，管线接管及拆卸方便。与此同时可以实现施工绞吸船不停止吹填施工，挖掘机与推土机配合实现吹填管线延伸铺设，减少施工船舶停滞时间(图4)。

图4 吹填管线快速对接

6 结语

1)特大型绞吸船吹填破碎岩石时，沉管中包含的橡胶短管因老化、破碎岩石撞击等原因易爆裂，会制约绞吸船吹填岩石效率。

2)船尾管、自浮管线、沉管及陆地管中增加不同形式的快速接头是一种较为先进的设计理念，我国疏浚公司在升级吹填管线技术、工艺时可以作为参考，并加以优化。