抓绞联合施工工艺在钦州港东航道扩建工程中的应用

2022-05-02张文强李松涛

中国港湾建设 2022年4期

张文强，李松涛

（中港疏浚有限公司，上海 200120）

0 引言

随着疏浚与吹填工程施工向相关工程领域的延伸，由于工程目的、工况及泥土处理方式等方面的多样性，导致了单一挖泥船型施工不能满足具体工程的要求，需要采用多种船型联合施工的方式进行施工。如马来西亚关丹新深水港工程采用耙驳联合施工码头前沿浮泥[1]、厦门大小磴取砂工程采用耙驳联合施工[2]及黄骅港航道疏浚工程中采用耙绞联合施工，耙驳联合、耙绞联合已有诸多应用，但对抓斗船和绞吸船联合工艺（本文简称抓绞联合）却少有文献提及。本文通过抓绞联合施工工艺在钦州港东航道扩建工程中的实际应用，阐述该工艺的工艺流程，关键技术及效益成果。

1 工程背景

钦州港东航道扩建工程建成后将满足世界最大集装箱船通航，全面提升钦州港通航能力和国际核心竞争力。该工程已完成一期建设，本标段为扩建10万吨级双向航道二期工程Ⅱ标段，施工内容主要为现有航道拓宽增深，并将部分疏浚土吹填至指定纳泥区。工程平面布置见图1。

图1 工程平面布置图Fig.1 Layout plan of the project

2 工艺选择

本工程航道拓宽部分最浅水深4.0 m，前往蓄泥坑的临时航道平均水深约4.5 m，蓄泥坑平均天然水深4.0 m，因船舶吃水限制，若采用耙吸挖泥船施工仅可选择舱容较小的船型，单船施工效率低；如采用大型耙吸挖泥船超浅水施工工艺[3]，必然会造成施工效率的极大浪费，不具备经济合理性；若采用绞吸船吹填施工工艺，由于吹距过长，会造成船舶施工效率降低，管线维护难度加大，施工成本提高的问题。其次，疏浚土质分布复杂，上部为淤泥及淤泥质土，中下部为黏土及砂，局部为中风化岩层。耙吸挖泥船主要适用于淤泥及砂质性土，黏土与风化岩适应性差，施工中易出现漏挖，形成浅埂，平整度难以控制。根据施工船机选择要求[4]，抓斗船具有吃水小，黏土、砂等土质施工效率高的特点，在充分考虑各施工船型的适应性后，选择采用抓斗船疏浚，绞吸船吹填联合施工工艺。本工程疏浚岩土分级情况见表1。

表1 各疏浚岩土分级及可挖性定性评价表Table 1 Table for classification and qualitative evaluation of dredged rock and soil

抓绞联合施工的核心工艺流程为“抓—运—抛—吹”，即通过抓斗船下斗抓泥，并卸放至自航泥驳上，等待泥驳满载后将疏浚土装运至指定的蓄泥坑开舱抛卸，然后再由绞吸船通过输泥管线二次吹填上岸。

抓绞联合施工工艺流程图见图2。

图2 施工工艺流程图Fig.2 Construction process flow diagram

3 施工关键技术

3.1 半幅通航半幅施工

钦州港东航道属于运营航道，为了减小抓斗船施工对通航环境的影响，采取半幅通航半幅施工技术，将航道扩建划分为2个施工阶段：拓宽东航道西半幅阶段和增深东航道东半幅阶段。第一施工阶段，施工船舶占用东航道东半幅水域约75~95 m，对航道西半幅进行拓宽施工，剩余东半幅可通航水域宽度约为115~135 m，可全潮单向通航2万吨级及以下船舶。第二施工阶段，已施工完成的西半幅航道通航底宽约为190~210 m，底标高-13.3 m，可满足临时通航，施工船舶可对东半幅进行增深施工。具体布置见图3。

图3 半幅通航半幅施工布置图Fig.3 Layout plan of half-width waterway construction and half-width waterway navigation

为了保证航行安全，根据海事部门要求发布航行通告。在施工现场安排3艘警戒船实时播放通航安全信息，特别是转换半幅航道通航方案时，做好现场水域船舶警戒，提醒来往船舶安全航行。并设立作业船舶警示信号和定位锚标，便于迅速识别作业船只，以供来往船舶判断航行安全距离，提前采取避让措施。

3.2 蓄泥坑作业管控

1）蓄泥坑分区管理

由于本工程投入的泥驳数量较多，为避免多条泥驳在蓄泥坑同时抛泥，造成蓄泥坑拥挤，影响绞吸船施工作业面。本文借鉴逯新星等[5]在连云港30万吨级航道二期工程中对倾倒区的使用优化措施，对本蓄泥坑进行分区管理。

蓄泥坑尺度为710 m×400 m，根据泥驳尺寸、回转半径、绞吸船锚位布设及管线布置情况，将其分为两个区域（A区和B区），泥驳和绞吸船分别在两个区域内作业，并对泥驳驶进和驶离蓄泥坑的路线进行合理规划，避免出现拥挤现象和急迫局面，减少泥驳抛卸作业对绞吸船的施工干扰。蓄泥坑管控示意图见图4。

图4 蓄泥坑管控示意图Fig.4 Schematic diagram of mud storage pit control

考虑蓄泥坑初期不满足泥驳吃水要求，绞吸船先进场施工B区，待水深满足泥驳吹水后转至A区施工，此时抓斗船组进场，疏浚土装驳抛卸至B区，待B区抛满后，再调换绞吸船和泥驳的作业区域，如此循环作业。

2）抛卸质量控制

抛泥时应尽量保证均匀抛卸，疏浚土在蓄泥坑堆积后既不能过薄也不过厚，如果太薄将会导致绞吸船在施工过程中存在严重的超挖工程量，如果太厚将会在蓄泥坑形成浅点或者浅区，增加泥驳进出难度和船舶搁浅风险，降低了蓄泥坑的利用率。为提高在狭窄水域的施工效率和安全，采用网格化抛卸施工技术[6]。将A、B区分别划分为3个条形网格，泥驳抛卸时使用船载DGPS定位，在背景图上打点标记每次抛卸的具体位置，避免在相同点位重复抛泥，既能更好地指挥泥驳抛卸，又能保证泥堆形状规则、厚度均匀，提高绞吸船施工效率。作业过程中，可通过DGPS精准定位、分区抛卸、漂移距离分析及勤测水深[7]等措施控制抛泥质量和作业水深。

3）抛卸安全控制

为保证泥驳与绞吸船之间的安全距离、避免邻近施工时相互扰动造成紧迫局面影响安全作业，在施工组织上进行了合理安排，对各船舶班组进行了安全交底，禁止泥驳和绞吸船同时分别在相邻两个条形网格中作业（即A3与B1网格），确保安全距离大于100 m。

3.3 效率匹配分析

疏浚土一部分内抛至蓄泥坑吹填上岸，一部分外抛至钦州港B区抛泥区。抓斗船施工时疏浚土处理方式具有选择性，内抛施工能力具有可调节性。所以在实际施工过程中以绞吸船施工效率为主，再选择与其匹配的抓斗船组的型号和数量。根据本工程实际情况，结合船机性能，取施工工况为三级，各类型施工船舶时间利用率见表2。

表2 施工船舶时间利用率表Table 2 Time utilization table for dredging vessels

3.3.1 绞吸船施工效率

绞吸船施工是利用绞刀头横移切割泥土，通过泥泵的抽吸作用从吸口吸泥，经过泥泵和排泥管，输送到吹填区。影响绞吸船施工效率的因素[8]有：绞刀功率、泥泵功率、排泥管径、挖深、吹距、时间利用率、生产率、有无接力泵等，本文仅考虑时间利用率及生产率的影响。绞吸船的生产率有挖掘生产率和泥泵管路吸输生产率两种，由其中较小者代表其生产率。

挖掘生产率计算公式：

式中：W为绞刀挖掘生产率，m3/h；D为绞刀前移距，m，此处取1.5 m；T为绞刀切泥厚度，m，此处取2.0 m；v为绞刀横移速度，m/min，此处取15 m/min；K为绞刀挖掘系数，与绞刀实际切泥断面积等因素有关，可取0.8~0.9。计算3 500 m3/h绞吸船的挖掘生产率W=60×0.9×1.5×2.0×15=2 430 m3/h。

经过效率测算，采用施工效率为3 500 m3/h的绞吸船实际生产率为1 458 m3/h（时间利用率取60%）。

3.3.2 抓斗船施工效率

抓斗船生产率计算公式：

式中：W为抓斗船挖泥小时生产率，m3/h；n为每小时抓取斗数；c为抓斗容积，m3；B为岩土的搅松系数；fm为抓斗充泥系数。

根据土质情况及抓斗船性能，时间利用率取50%，测算各抓斗船施工效率：斗容50 m3抓斗船生产效率W=30×50×1.2×50%/1=900 m3/h；斗容18 m3抓斗船施工效率W=30×18×1.2×50%/1=324 m3/h。采用不同斗容抓斗船组合施工效率与绞吸船施工效率进行匹配性分析，匹配曲线见图5。

图5 抓绞联合施工效率匹配曲线图Fig.5 Matching curve of efficiency of grab dredger and CSD combined construction

由于各船舶作业时对水体扰动，蓄泥坑施工前后流场改变等引起的水动力变化和泥沙扩散效应[9]，会造成少量泥浆悬浮和流失，抓斗船组施工效率应取稍大于绞吸船的为宜。根据施工效率匹配曲线，选择2组18 m3抓斗船组与1组50 m3抓斗船组进行组合内抛，施工效率为1 548 m3/h，与绞吸船进行联合施工，满足效率匹配，保证施工效率最优化，其余抓斗船组施工疏浚土均外抛。

3.4 效益分析

根据工程实际情况，测算相同条件下采用耙绞联合施工工艺的所投入的成本及工期，完工后对抓绞联合施工投入的实际成本和工期进行统计，通过控制变量法和统计分析法比较不同施工工艺的效益，见表3。采用抓绞联合施工较耙绞联合节约成本约742.4万元，缩短工期约41 d。在保证施工覆盖率的同时，节约工期并减少船机投入成本，加快钦州港东航道建设进程，为后续工程如期启动提供了保障。