国内绞吸船风化岩施工技术研究

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摘要：随着国内海运产业的快速发展和国内深水港的建设，有效开挖港池及航道中大量分布的风化岩成为疏浚产业技术一个新的热点和难点。本文通过介绍绞吸式挖泥船开挖风化岩的实际分析，探讨了未来大型挖泥船制造和挖泥船风化岩开挖施工技术的发展方向。

关键词：疏浚绞吸式挖泥船风化岩

中图分类号：TU74文献标识码： A 文章编号：

1.前言

随着国内海运业的发展，国内港口及航道的建设规模越来越大，港池、航道深度不断突破16 米、20 米、25 米甚至更多。随着港口、航道的不断加深，单个港口或工程项目遇到开挖数百甚至上千万方风化岩的情况成为可能。数量巨大的风化岩的开挖对机械装备能力和挖掘效率提出的要求越来越高，而随着人类环境意识的不断提高以及近年大型、特大型挖泥船的飞速发展，以往通常采用的水下爆破施工工艺渐趋淘汰，采用大型挖泥船直接开挖大体积风化岩已成为沿海深水港口扩建、新建的主要施工手段。然而，采用挖泥船直接开挖风化岩目前还面临着诸多技术难点，本文以东莞市虎门港麻涌新沙南作业区2＃、3＃泊位风化岩开挖为例，探讨绞吸船风化岩开挖的特点及须改进方向。

2.工程地质

东莞市虎门港麻涌新沙南作业区2＃、3＃泊位宽度680m，纵深426～478m；总面积32.95万平方米，疏浚总工程量4412316.00立方米。其中淤泥类土1320595立方米，粉质粘土1945750立方米，风化岩1145971立方米。

风化岩的主要特征分述如下:

5 白垩系基岩（K）

为泥质粉砂岩，页岩互层。根据风化程度划分为全风化、强风化、中风化、微风化岩。

⑤1全风化泥质粉砂岩：棕红色，湿，呈坚硬土状，残留原岩结构，见风化斑纹，手捏易散落，遇水易崩解。标准贯入试验2次,平均值为N=22击（16～28击）。

⑤2强风化泥质粉砂岩：棕红色，稍湿，岩体裂隙较发育，岩芯多呈半岩半土状或块状，锤击易碎。标准贯入试验10次,平均值为N=40击（31～50击）。

⑤3中风化泥质粉砂岩：棕红色，岩体裂隙较发育，岩芯较为完整,局部破碎。该层分布连续，层顶标高最高为-5.58m，最低为-19.72m。标准贯入试验21次,贯入击数均为N＞50击。

⑤4微风化泥质粉砂岩：棕红色，岩体裂隙稍发育，岩芯完整呈柱状，局部破碎状。根据本次技术要求，最大揭示厚度为8.40m。

⑥1全风化页岩：灰色、灰白色，硬塑-坚硬，稍湿，原岩已风化成土状，可见原岩结构，用手可捏碎，遇水易软化、干燥容易崩解。标准贯入试验5次，平均值为N=22击（16～29击）。

⑥2强风化页岩：灰色，坚硬，稍湿，原岩结构可辨，岩芯呈半岩半土状、碎块状，遇水易软化、干燥易崩解。标准贯入试验6次,平均值为N=35.5击（30～42击）。

⑥3中风化页岩：灰色，坚硬，稍湿，裂隙、层理发育，原岩结构清晰，岩芯较破碎，多呈短柱状、块状。该岩层在整个勘察区分布较为连续。层顶标高最高为-7.34m，最低为-24.99m，标准贯入试验36次，贯入击数均为N＞50击。

⑥4微风化页岩：灰色，坚硬，稍湿，层理发育，岩芯多呈短柱状、块状。根据本次技术要求，最大揭示厚度为7.30m,见于GKZK10孔，最小揭示厚度为0.80m。

各岩土层的物理力学性质指标见表1。

表1

3.施工船舶

本工程的风化岩需全部吹填至码头后方堆场，风化岩施工采用3500方/小时绞吸式挖泥船“天牛”号。天牛号主要参数如下表2

表2 天牛船主要参数表

4.风化岩的开挖方法

绞吸式挖泥船工作原理是利用离心泵产生真空吸进水下泥浆进入泵体,然后由其产生的排压挤压泥浆在排泥管中流动,通过输泥管将浚挖泥土排至指定的吹填区。工艺流程如图1所示:

图1绞吸船施工工艺流程图

4.1基本原理

绞吸式挖泥船由拖轮拖带至施工区，利用DGPS精确定位在施工区挖槽起点，在完成与排泥管线的接卡等展布工作后，根据DGPS定位系统显示设定的绞刀位置定深下放绞刀桥梁，进行开挖,被绞刀破碎的泥土通过挖泥船的大功率离心式泥泵将泥土通过排泥管线输送至指定的纳泥区。

4.2挖岩施工

本工程的重点和难点是对岩石的施工，是影响总工期的关键因素。我公司在多年的施工实践中总结了一套完整的开挖硬底质疏浚土的施工经验，现结合以往的经验将岩石的疏浚与吹填特性重点叙述如下：绞吸挖泥船在开挖岩石时将采用“反刀挖泥，正刀空摆”的施工工艺，当开挖硬土质时，正刀施工时容易发生跑刀现象，并且因绞刀齿向下切削岩石，应力较大，容易损坏刀齿及齿座，且正刀开挖浓度小，产量较低。而反刀开挖，绞刀齿是向上切削岩石，摆动速度容易控制，没有“跑刀”现象，对齿座和刀齿损坏的几率比正刀施工要小，且浓度较高。因此在碎石疏浚施工中采用“反刀挖泥，正刀空摆”的施工工艺。

如图2所示。

图2 岩石开挖示意图

5 绞吸船挖岩的优势

其他挖岩工艺包括炸礁、重型抓斗船开挖、凿岩棒施工、陆上施工等。对于现代化深水港口、航道工程的开挖，随着以大型绞吸船为代表的水上疏浚机械的发展和普及，采用大型挖泥船水下直接开挖风化岩变得更加普及和具有不可替代。挖泥船水下开挖风化岩的几个突出优点：

1） 大型绞吸船设备调遣、投产时间短，开挖效率较高，可在近海各种复杂海况

条件下作业，开挖深度大，施工干扰小，适合大型深水港口、航道的新建和扩建工程。

2） 大型绞吸船开挖风化岩技术控制手段先进，多配备有DGPS 系统、疏浚土计量系统（产量计），先进船舶还配有水下闭路监控系统，能够自行定位和精确控制工程的超挖和欠挖，施工质量控制手段先进。

3） 大型绞吸式挖泥船开挖风化岩安全环保。大型绞吸式挖泥船往往采用环保型新式绞刀系统，配合新型大功率泥泵，减少了水下绞刀疏浚作业中扰动土体形成的悬浮物漏斗范围，且挖泥船多数情况在水下十几米进行开挖作业，对周边环境影响较小，特殊要求的，还借助水下拦污帘进一步提高环境控制手段。

6.挖泥船的改进方向

随着国际国内大型挖泥船的建造和保有量不断提高，应用绞吸船开挖沿海大型港口、航道下卧层风化岩必将得到推广和普及。然而，采用大型绞吸式挖泥船开挖风化岩也面临一些不足，包括船舶造价昂贵；绞刀、泥泵、管路系统磨损大等。

针对挖泥船开挖风化岩中的不足，以下几点应是需要注意和重点研究、改进的地方。

1)绞刀系统

根据开挖疏浚材料强度、特性的不同，通过比对研究采用不同材质强度、耐磨特性、形状和角度的绞刀开挖效果，开发适合风化岩开挖的新型绞刀，是当前研究的一个重要方向。根据资料，澳大利亚施工的重型绞吸船“凤凰”号上，应用了新型的T6 型绞刀齿，从齿销固定改为螺栓固定，船员可以在1 分钟内更换3 个绞刀齿，大大提高了施工效率。所以，提高风化岩开挖效率，重点研究刀齿表面硬化的绞刀，采用适合的结构形式和方便快速更换的齿-座结构，是今后需要重点研究的方向之一。

2)泥泵及管路输送系统

因风化岩强度高，绞刀切削开挖的风化岩块体往往较大，同时，水下风化岩区往往散落着大量孤石、杂物等，风化岩开挖施工中往往造成吸泥口、泥泵频繁堵塞，需频繁脱泵、掏石，造成挖泥船效率大幅下降，大量块石、杂物等的长期撞击也使得泥泵、叶轮寿命大幅降低。

在本项目施工中，通过在绞刀架上加装防石环，防石环随绞刀一起旋转，平行切割吸泥口，同时调整水下泵吸泥口拦阻棒的间隙，在保证效率的前提下有效降低了吸入泥泵泵体内风化岩块体的大小，克服了冲击磨损为主带来的破坏，取得了积极的效果。施工中，当泥泵出现较大磨损后，在相同功率下，扬程和泵效率均明显下降，适时更换泵的磨损部件是提高效率的关键。通过采用新型泥泵，降低泥泵的磨损，增加泥泵吸入较大块石的通过率，增大吸、排泥管路适应开挖风化岩和杂物的通过能力，才能有效发挥大型挖泥船的装备效率和能力，也是今后技术改进的主要方向之一。

参考文献：

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[2]胶结卵石疏浚施工技术研究，姜继红，韦巨球，水运工程，2006 年11 期

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[4]国内外疏浚挖泥设备的对比与分析，高伟，中国港湾建设，2009 年2 期

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