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(fēng)化巖具有強(qiáng)度高、裂隙少的特點(diǎn)，絞吸挖泥船在挖掘時(shí)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(duì)新建 出廠的自航式重型絞吸挖泥船天鯤號(hào)”開挖堅(jiān)硬微風(fēng)化巖的施工技術(shù)進(jìn)行研究。 分析絞刀姿態(tài)、刀齒損耗以及橫移擺動(dòng)對(duì)產(chǎn)能的影響，從而優(yōu)化施工工藝。結(jié)果 表明，“天鯤號(hào)”在挖掘硬微風(fēng)化巖時(shí)的產(chǎn)能得到有效提高。關(guān)鍵詞：重型絞吸船；微風(fēng)化巖；工藝優(yōu)化；絞刀姿態(tài)隨著人們對(duì)海洋生態(tài)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，越來(lái)越多的疏浚工程對(duì)強(qiáng)度較高的硬 質(zhì)巖石禁止采用爆破的方式進(jìn)行施工，須采用重型絞吸挖泥船開挖。國(guó)內(nèi)目前 1在巖石疏浚方面，采用重型絞吸挖泥船對(duì)單軸

2、飽和抗壓強(qiáng)度高于30 MPa微風(fēng) 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(hào)” 是亞洲最大的自航絞吸船，大連大窯灣項(xiàng)目是其建成后參與挖巖施工的首項(xiàng)工程。 本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)船試驗(yàn)，對(duì)其挖巖能力及施工工藝進(jìn)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(chǔ)上擴(kuò)建，滿足20 萬(wàn)噸級(jí)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(zhǎng)度為7 525 m。工程分4個(gè)區(qū)域進(jìn)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(fù)雜,工程平面布置見圖1。大窯 灣工程土質(zhì)復(fù)雜，含黏土、碎石、巖石等多種土質(zhì)，其中微風(fēng)化巖石占比高、硬 度大，單軸飽和抗壓強(qiáng)度多為30-60 MPa ,采用普通絞吸船施工該種土質(zhì)時(shí)， 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(fēng)化巖石的施工區(qū)域采用天鯤號(hào)”進(jìn)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(qiáng)度值約 40 MPa,疏浚2區(qū)巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度值約30 MPa。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)所疏浚土樣 進(jìn)行點(diǎn)荷載抗壓試驗(yàn)土質(zhì)抗壓強(qiáng)度3組試驗(yàn)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(hào)”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(zhǎng)度分別為746、2 048. 40 m,位于水陸管接頭附近 有1個(gè)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(hào)”關(guān)鍵設(shè)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(gè)齒，6臂為6個(gè)齒， 其余5個(gè)臂均為7個(gè)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(tái)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(jìn)尺情況下的入土長(zhǎng)度，見表1。表1絞刀齒入土長(zhǎng)度墳刀齒辨刀下沿炬高水面棵度1S-5 mL苫1,5 m潮位】時(shí)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(shí)的 入土 K度進(jìn)尺1.0 m近尺1.5 m進(jìn)尺.8 m進(jìn) R 1. 0 ju進(jìn)尺1.5 m進(jìn)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(shí)7*齒00a00入土樹數(shù)，個(gè)4545&注：泥層厚度為50 cm。各刀齒在不同進(jìn)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(shí)的絞刀姿態(tài)圖7挖深18.0 m時(shí)的絞刀姿態(tài)4.2橫移擺動(dòng)研究根據(jù)水深測(cè)圖，當(dāng)絞刀平均下放深度約17.2 m時(shí)出現(xiàn)較多淺點(diǎn)，在施工數(shù) 據(jù)中找到對(duì)應(yīng)淺點(diǎn)的絞刀坐標(biāo)，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(diǎn)（每個(gè)點(diǎn)時(shí)飄問(wèn)隔5時(shí)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(guān)系從圖8a）可看出，在實(shí)線圓圈階段，橫移速度基本為0，而此時(shí)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(dòng)。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(dòng)，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(dòng)3在地表突出區(qū)域過(guò)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?yàn)榫油黄饒D9橫移初始階段施工原理此時(shí)由于絞刀在行進(jìn)過(guò)程中遇到高度較大的突然隆起，無(wú)法進(jìn)行橫移，與巖 石撞擊的受力有一部分來(lái)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(dǎo)致 磨損十分嚴(yán)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(dòng)（上下波動(dòng)）不是很大（絞刀向下波動(dòng)時(shí)受纜繩 拉力，但是長(zhǎng)期會(huì)導(dǎo)致坑越挖越深），橫移波動(dòng)大，由于撞擊后會(huì)給絞刀向與橫移方向相反的方向一個(gè)沖擊力（左右波動(dòng)），導(dǎo)致船體不能橫移并產(chǎn)生跳動(dòng)，撞擊所 產(chǎn)生的最終的合力傳遞到船體鋼樁處，導(dǎo)致船體形成前后振動(dòng)（左右振動(dòng)由于受 橫移纜拉力相對(duì)幅度較小，加之鋼樁的固定作用主要體現(xiàn)為前后振動(dòng)），此時(shí)鋼 樁縱向受力波動(dòng)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(fù)到正常工作的切削狀態(tài)， 與巖

9、層的撞擊點(diǎn)恢復(fù)到絞刀下方。當(dāng)巖層表面較為均勻時(shí)，挖掘原理如圖11所 示，此時(shí)絞刀受到的反向力有向上的分量，所以絞刀向上跳動(dòng)的幅度會(huì)相對(duì)較大， 從圖8a）的虛線圓圈內(nèi)的曲線也可以看出。此時(shí)刀齒的磨損會(huì)有所減小但受到的 撞擊會(huì)變大。由于絞刀向上波動(dòng)時(shí)沒(méi)有纜繩可以限制其跳動(dòng)，導(dǎo)致其跳動(dòng)幅度相 比圖8a）的實(shí)線圓圈內(nèi)的曲線初始階段可能會(huì)稍大（具體波動(dòng)值取決于平整度）， 但是此時(shí)橫移可以拉動(dòng)，不會(huì)停滯。船體的振動(dòng)與之前情況相同，依然會(huì)以前后 方向的振動(dòng)為主，鋼樁受到的縱向力仍然會(huì)有較大波動(dòng)。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(jì)分析絞刀在施工時(shí)，2#4#（

10、絞刀頂部數(shù)起）絞刀齒斷裂嚴(yán)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(yán)重4種情況。1#8#齒總換齒558個(gè)，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(jì)見表3 ,總損耗數(shù)量為558個(gè)，其中磨損的刀齒最多，達(dá)到393個(gè)，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(jì) TOC o 1-5 h z 刀齒r2廣5&7總換齒/個(gè)571.C7L6510&4L99表3刀齒損耗損耗式S板5ii總換齒個(gè)80404S3936結(jié)論1“天鯤號(hào)”在大窯灣航道疏浚工程中挖掘單軸抗壓強(qiáng)度在40 60 MPa的巖石時(shí)，正刀挖掘時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的斷齒現(xiàn)象，且船體振動(dòng)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(guò)大，橫移拉力將達(dá)到額定值，不利于施工；反之，如果切厚過(guò) 小，破土量太小，效率低。如