重型絞吸挖泥船挖巖施工工藝優(yōu)化

1、重型絞吸挖泥船挖巖施工工藝優(yōu)化摘要：微風化巖具有強度高、裂隙少的特點，絞吸挖泥船在挖掘時產(chǎn)能較低。為 提高絞吸船施工產(chǎn)能、降低施工成本，以大連大窯灣航道疏浚工程為例，對新建 出廠的自航式重型絞吸挖泥船天鯤號”開挖堅硬微風化巖的施工技術進行研究。 分析絞刀姿態(tài)、刀齒損耗以及橫移擺動對產(chǎn)能的影響，從而優(yōu)化施工工藝。結(jié)果 表明，“天鯤號”在挖掘硬微風化巖時的產(chǎn)能得到有效提高。關鍵詞：重型絞吸船；微風化巖；工藝優(yōu)化；絞刀姿態(tài)隨著人們對海洋生態(tài)環(huán)保意識的增強，越來越多的疏浚工程對強度較高的硬 質(zhì)巖石禁止采用爆破的方式進行施工，須采用重型絞吸挖泥船開挖。國內(nèi)目前 1在巖石疏浚方面，采用重型絞吸挖泥船對單軸

2、飽和抗壓強度高于30 MPa微風 化巖石的疏浚尚未形成較為系統(tǒng)的工藝。中交天津航道局新建造出廠的天鯤號” 是亞洲最大的自航絞吸船，大連大窯灣項目是其建成后參與挖巖施工的首項工程。 本文結(jié)合現(xiàn)場實船試驗，對其挖巖能力及施工工藝進行了深入研究。1工程概況大連大窯灣港分為南北雙向航道，本工程在北航道現(xiàn)有基礎上擴建，滿足20 萬噸級集裝箱船單向通航需求，航道底高程由-15.0 m浚深至-17.0 m，北航道 有效寬度拓至300 m，口門有效寬度拓至400 m，中心航道有效寬度拓至435 m，航道總長度為7 525 m。工程分4個區(qū)域進行施工，其中疏浚1區(qū)與2區(qū) 南側(cè)部分位于南北航道交匯航道處，避讓情況

3、較復雜,工程平面布置見圖1。大窯 灣工程土質(zhì)復雜，含黏土、碎石、巖石等多種土質(zhì)，其中微風化巖石占比高、硬 度大，單軸飽和抗壓強度多為30-60 MPa ,采用普通絞吸船施工該種土質(zhì)時， 挖掘和輸送效率極低圖1工程平面布置2土質(zhì)及吹填管線情況選取疏浚土質(zhì)基本為微風化巖石的施工區(qū)域采用天鯤號”進行施工，其可 挖厚度范圍0.2-0.8 m , 土質(zhì)資料顯示疏浚1區(qū)巖石的單軸飽和抗壓強度值約 40 MPa,疏浚2區(qū)巖石的單軸飽和抗壓強度值約30 MPa?，F(xiàn)場對所疏浚土樣 進行點荷載抗壓試驗土質(zhì)抗壓強度3組試驗結(jié)果分別為41.3、50.6、57.2 MPa, 疏浚的巖石見圖2。圖2疏浚的巖石土樣大窯灣航

4、道疏浚工程中天鯤號”的吹填管線情況:管線直徑均為1 000 mm,水上管、水下管、陸地管長度分別為746、2 048. 40 m,位于水陸管接頭附近 有1個60彎頭，平均海平面距離泥塘圍埝高度（排高）約5 m。3 天鯤號”關鍵設備3.1絞刀及刀齒船舶施工使用的絞刀為8G ESCO六臂絞刀，共41個齒，6臂為6個齒， 其余5個臂均為7個齒，絞刀齒均為挖巖尖齒，該絞刀未配鑿齒。8G ESCO重 型挖巖絞刀如圖3所示。圖3 圖3 8G絞刀3.2橫移錨橫移錨為Shark錨，質(zhì)量13 t，專門用于挖巖作業(yè)的施工錨，如圖4所示。圖4橫移錨3.3葉輪泥泵為IHC高效泥泵，3臺泥泵采用的葉輪均為3葉片，如圖5

5、所示。圖5泥泵葉輪4挖掘工藝分析4.1絞刀姿態(tài)研究各刀齒在不同進尺情況下的入土長度，見表1。表1絞刀齒入土長度墳刀齒辨刀下沿炬高水面棵度1S-5 mL苫1,5 m潮位】時的 入土便度，河毀!刃下沿距南水面策因1S.0 E 邕1.5 e潮位）時的 入土 K度進尺1.0 m近尺1.5 m進尺.8 m進 R 1. 0 ju進尺1.5 m進尺1. 8 mL齒D口Q000廠齒2727272S282E拘15U.15-15455 口5Q305 口5。了齒9-364S10非476*091001LI時7*齒00a00入土樹數(shù)，個4545&注：泥層厚度為50 cm。各刀齒在不同進尺和挖深情況下的絞刀姿態(tài)如圖6、7

6、所示。圖6挖深18.5 m時的絞刀姿態(tài)圖7挖深18.0 m時的絞刀姿態(tài)4.2橫移擺動研究根據(jù)水深測圖，當絞刀平均下放深度約17.2 m時出現(xiàn)較多淺點，在施工數(shù) 據(jù)中找到對應淺點的絞刀坐標，并列出施工數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖8所示。- 柿述- 柿述I普左描抻力13 5 7 9 II 1315171921 22527 29 3135379 41445 采樣點（每個點時飄問隔5時41210864 2G 成日）橫移速度與左橫移拘力圖8橫移速度與左橫移拉力、絞刀下放深度的關系從圖8a）可看出，在實線圓圈階段，橫移速度基本為0，而此時橫移拉力最 大。原因是由于地表不平，有突然隆起，切厚變大挖不動。采取措施為提升

7、絞刀， 減小下放深度，減小切厚，如虛線圓圈所示，切厚減小后橫移速度不再為0，但 絞刀姿態(tài)有所波動，也就是絞刀下放深度有一定幅度的變化，如圖8b）所示，橫 移速度和拉力也有所波動3在地表突出區(qū)域過去后，繼續(xù)下放絞刀至指定挖深， 2繼續(xù)施工。初始階段的施工原理如圖9所示。櫥移方向反刀初始階段的施工原理如圖9所示。櫥移方向反刀紋刀旋轉(zhuǎn)方向為居突起圖9橫移初始階段施工原理此時由于絞刀在行進過程中遇到高度較大的突然隆起，無法進行橫移，與巖 石撞擊的受力有一部分來自絞刀左側(cè)凸起的巖石而非正常切削狀態(tài)下的下部受 力，由于是反刀挖掘，絞刀齒只能與巖石發(fā)生摩擦，起到的切割效果較弱，導致 磨損十分嚴重。根據(jù)受力分

8、析可以發(fā)現(xiàn)，絞刀齒撞擊到巖石后受到的反向力不是 向上而是向下，所以絞刀挖深的波動（上下波動）不是很大（絞刀向下波動時受纜繩 拉力，但是長期會導致坑越挖越深），橫移波動大，由于撞擊后會給絞刀向與橫移方向相反的方向一個沖擊力（左右波動），導致船體不能橫移并產(chǎn)生跳動，撞擊所 產(chǎn)生的最終的合力傳遞到船體鋼樁處，導致船體形成前后振動（左右振動由于受 橫移纜拉力相對幅度較小，加之鋼樁的固定作用主要體現(xiàn)為前后振動），此時鋼 樁縱向受力波動較大4中間階段的施工原理如圖10所示。圖10橫移中間階段施工原理圖10橫移中間階段施工原理一巖房表面在將絞刀的下放深度提升后，切厚變小，刀齒恢復到正常工作的切削狀態(tài)， 與巖

9、層的撞擊點恢復到絞刀下方。當巖層表面較為均勻時，挖掘原理如圖11所 示，此時絞刀受到的反向力有向上的分量，所以絞刀向上跳動的幅度會相對較大， 從圖8a）的虛線圓圈內(nèi)的曲線也可以看出。此時刀齒的磨損會有所減小但受到的 撞擊會變大。由于絞刀向上波動時沒有纜繩可以限制其跳動，導致其跳動幅度相 比圖8a）的實線圓圈內(nèi)的曲線初始階段可能會稍大（具體波動值取決于平整度）， 但是此時橫移可以拉動，不會停滯。船體的振動與之前情況相同，依然會以前后 方向的振動為主，鋼樁受到的縱向力仍然會有較大波動。橫移方向（&刀）（統(tǒng)刀的轉(zhuǎn)方向、 J J 巖層表面圖11均勻巖層表面橫移5刀齒磨損統(tǒng)計分析絞刀在施工時，2#4#（

10、絞刀頂部數(shù)起）絞刀齒斷裂嚴重，如圖12所示。圖12刀齒破損形式在39次反刀挖掘中，1廣8#（從絞刀頂部數(shù)起）刀齒損耗情況見表2,其中8#齒為大圈（指絞刀直徑最大位置處）齒，刀齒損耗包括斷、裂、掉、磨損嚴重4種情況。1#8#齒總換齒558個，其中2#、3#齒損耗最多，占損耗總量的60%，除8#刀齒外，6#、7#刀齒損耗最少，占總量的4%。刀齒損耗形式統(tǒng)計見表3 ,總損耗數(shù)量為558個，其中磨損的刀齒最多，達到393個，占總量的71%，開裂和掉落量最少，共占總量的15%。表2換齒統(tǒng)計 TOC o 1-5 h z 刀齒r2廣5&7總換齒/個571.C7L6510&4L99表3刀齒損耗損耗式S板5ii總換齒個80404S3936結(jié)論1“天鯤號”在大窯灣航道疏浚工程中挖掘單軸抗壓強度在40 60 MPa的巖石時，正刀挖掘時出現(xiàn)嚴重的斷齒現(xiàn)象，且船體振動劇烈，建議采用正刀空擺、 反刀挖巖的施工工藝。2）如果切厚過大，橫移拉力將達到額定值，不利于施工；反之，如果切厚過 小，破土量太小，效率低。如