绞吸船施工要点及措施

高伟，韦东

（中交天津航道局有限公司，天津 300450）

1 概述

疏浚施工首先要进行土质勘察，并了解当地的水文、气象情况，灵活应用挖掘及泥浆输送理论，主要包括绞刀挖掘参数的设定及离心泵的关键参数、泥泵、管线和柴油机等多种因素的匹配，其中应重点分析疏浚土性质对挖掘、输送的影响，密度与产量的关系，颗粒形状、沉降速率对于流速的影响等，还应注意气蚀产生的原因及预防。在充分分析疏浚施工的主要影响因素之后，设计施工总体布局，选择疏浚施工方法，选配施工船，确定操作方式，配置挖泥设备、系统和部件，包括绞刀系统、泥泵系统，开始架设管线等工前准备工作，图1为绞吸船施工现场。

绞吸船操作人员首先要非常熟悉本船的挖泥性能、机械状态以及每个部位的结构，如绞刀的直径、吸口的隔栅形状、泥泵流道大小、主机的转数、负荷等，同时具备应对突发事故的能力。绞吸船操作主要涉及到绞刀、泥泵、管线、钢桩、台车等挖泥设备以及定位系统、仪表及监控软件等。图2为现代化绞吸船挖泥操控系统。

图1 绞吸船施工现场

图2 先进的挖泥操控系统

2 疏浚土质勘察及施工方案的确定

目前国内疏浚企业普遍存在着对疏浚土质不重视的情况，实际上确定土的性能指标和进行土质分类是为了正确选择挖泥船船型、合理安排施工工艺，这是确定船舶生产效率与核算施工成本的主要依据。所以疏浚工程开始就要对土质进行深入的研究，土质基础资料的勘察、积累是长期而有意义的工作，且要有明确的针对性。挖泥船施工时，必须要有详细的工程地质说明书、钻孔平面布置图、工程地质剖面图、土壤实验报告等基础资料。

土质可分为有机质土及泥炭、淤泥、黏性土、粉质土、砂土和碎石土等类别[1-2]。

土质的密实程度和可挖掘的性能影响疏浚施工效率和工程成本。土质类别不同，其切削难易程度有相当大的差别，即使是相同类别的土质在不同的区域其抗剪强度也不尽相同。土质决定船型、挖掘机具乃至整个开挖手段的选取。依据土质选择正确的施工方案是获得较好的经济效益的前提[3]。

1）土质较密实不易切削、绞刀挖掘量小于水力输送的土方量时，则需要调整横移速度，绞刀下放深度与进桩前移距等参数，以改善绞刀切削效果。

2）当挖掘断面土层内土质过于密实时，绞刀难以切削土层，容易加剧挖泥机具磨损及使运转设备运行工况失常，也应及时调整施工方法和工艺。

3）如果开挖土质颗粒大，会造成泥泵及吸排管线磨损严重、输送困难，除调整绞刀挖掘参数外，应及时更换适合挖掘该类土质的绞刀。

4）开挖松软土质时，因土层支撑力不足，易造成漏桩现象。必须考虑定位桩下落方式和下落高度，对钢桩入泥深度要合理控制，以避免溜桩。

5）锚横移拉力与挖槽外土质有关，土质较松软时可获得较大的抓力，反之易发生走锚现象，加大施工辅助作业占用时间。

6）黏性土容易糊绞刀，且清理困难、利用率降低，对施工造成困难，因此应选择适宜挖掘黏性土的绞刀。

3 绞刀防石环及吸泥口格栅的形式

不同的工况条件，要选用不同的绞刀（见图3、图4），例如挖掘黏土、岩石的专用绞刀，以及适用开挖松散砂土、淤泥的通用型绞刀。但是在有杂物、块石的土质条件下，应选择加设防石环、吸口格栅，不然将造成堵口、堵泵以及糊绞刀等情况，严重影响施工进度。

图3 挖岩专用绞刀

图4 挖黏土专用绞刀

1）吸泥口隔栅。在吸泥口中设置两根竖向圆钢（或钢板条），在两根圆钢的中部横向设置一根圆钢（或钢板条）作为吸口的格栅，另在吸口钢管左侧内壁顺管路方向焊两块钢板，从使用效果看，钢板的格栅防石效果较好。见图5。

图5 圆钢或钢板吸泥口格栅示意图

2）防石网。绞刀的防石网形式多样，没有统一的标准，但它在实际施工中的作用很大。其中如图6、图7两种形式的效果较好，可以参照使用。

图6 钢板形防石环

图7 圆钢防石网

4 挖泥操作要点

在实际操作中，一般用横移速度来控制真空值，以免产生震车，同时预判浓度，保持持续较高的产量。根据流速情况调节泥泵转速，必要时采取降低浓度的方法使其不低于临界流速，保持以实用流速输送。

采取调整横移速度、前移距及挖厚等措施，必要时调节绞刀转数，控制绞刀的功率不超过额定负荷。横移操作过程中应注意以下事项：

1）左右的横移缆和锚头缆的收放要适当，避免锚头缆放得过多被绞刀缠绕，也不可不放锚头缆，以免走锚。

2）注意下完横移锚后，要下放桥梁、施加一定的拉力，一般为额定拉力的1/3～2/3，与土质有关，第一刀横移稍慢，来固定横移锚，防止施工中发生走锚现象。

3）正常施工时，注意不要超过额定的拉力值，液压绞车注意压力表，电动绞车注意电流表。

4）推荐使用反张力来控制绞刀的横移，可以保证挖泥施工的动态平稳性，到边线时可以较快地回摆，克服没有反张力时的惯性力。操作的关键是以横移速度来控制连续平稳的挖泥浓度。

5）挖泥过程中，完成一个钢桩台车形成时要进台车，这时，以主桩为圆心的挖泥半径减小了一个台车的距离，在挖泥中心线表现不明显，但是开挖到边线时，将与上一次的挖泥轨迹重合，会产生浓度降低的现象。所以，在第一刀挖泥时，要适当加快横移速度，或者增加步进长度，以提高产量。

5 绞吸船的操作常见问题分析及处理措施

5.1 产生残留层的原因及处理措施

施工中，如果挖掘量大于吸入量，泥层容易坍塌，产生残留层。若遇有回淤较大的施工区域，较容易产生前挖后淤现象。产生残留层的原因如下：

1）挖掘的土没有全部吸入，主要是挖掘量大于吸入量，其中也有因绞刀旋转产生的流场造成；

2）泥面破散后留下的，水流冲涮或土体滑坡造成的。

为此，需增挖一定的深度，其备淤超深量应根据施工期长短及期内回淤量大小而定。遇到残留层的处理方式：

1）一般情况下，由于回淤量与施工期长短成正比，故增挖备淤深度时，应考虑在施工期内采取“先深后浅”的控制措施为宜。回淤不大时，适当超深，以保证质量。

2）取砂施工时，当取砂厚度数倍于绞刀直径，且土质为松散砂时，可以利用塌坡提高浓度。但操作要谨慎，小心塌方的土层压住桥梁，避免抗脖子现象。

5.2 正刀挖泥与反刀挖泥的区别及避免跑刀的措施

正刀挖泥，刀齿向下开挖（见图8）。绞刀旋转产生额外的横移力，一般情况下浓度低，在挖硬土质时受力不好，容易跑刀。绞刀的齿有向下的力，桥梁容易向上翘。

图8 正刀挖泥

反刀挖泥，刀齿向上开挖（见图9）。受力较好，不易跑刀，浓度相对较高。甩出去的土，容易掉到绞刀的腔里。

避免跑刀的方法：

图9 反刀挖泥

1）设定反张力，使绞刀在有反作用力的状态下运动，处于一个动平衡的状态。

2）如果达到反张力设定极限时，还是跑刀，则减小挖泥的横移速度，适当降低绞刀转速，或采取减小步进长度和挖泥厚度。

5.3 气蚀产生的原因及避免措施

泥泵旋转过程中，在泥泵高流速区会形成负压，离心泵转的越快，负压就越大，在超过一定的限度时，溶解在液体中的空气会逸出，形成小气泡；当气泡到达叶轮的外径，即泥泵的高压区时，气泡破裂，当气泡在叶轮壁面的时候，水就会对叶轮进行撞击，产生较大的冲击力，作用在叶轮上会刨出小坑出现麻面，产生坑坑洼洼的撞击痕迹，这就是气蚀（见图10、图11）。与磨损相互作用，破坏力较大。

图10 泥泵新叶轮

避免泥泵气蚀的有效措施是在桥架下方另安一只泥泵与之串联，以提高挖泥浓度并减少气蚀几率，当真空表显示将要达到气蚀时，及时降低泥泵的转速，减小挖泥浓度，必要时打开真空释放阀。

图11 气蚀后的叶轮

5.4 堵管原因及避免措施

输送泥浆管路的扬程为变量，且为输送介质、路由变化及泥浆性质的函数，即：Hf=F（d50，r，v，L，D）。在管道输送过程中，当泥泵产生的能量大于管路损失时，就能输送泥浆，反之，就会降低流速来保持平衡。一旦小于临界流速时，泥沙就会在管道内沉积，产生堵管现象，施工中应该尽量避免发生。

在发现有堵管迹象时，即输送流低于经济流速（即在实际施工中，高于临界流速，磨损适当、主机不超负荷，不会产生气蚀现象的流速）、接近临界流速（即在一定的管径、浓度、土质等条件下，使混合物处于悬浮状态的最低流速）时，要适当增加泥泵的转速，主要靠降低横移速度来逐渐降低挖泥浓度，浓度减低不明显时，要回摆或抬起绞刀，或后退台车。禁止习惯上采取的吹清水的做法。原因如下：

1）泥泵在由浓度较高变为浓度较低时，水功率会降低，扬程减小，造成泥泵输出功率大幅度减低，泥浆在管线中的流态会进一步恶化，导致堵管；

2）管线较长时，降低的流速会加速管线中的高浓度区的沉淀，加快堵管的进程。

要研究泥浆的输送，就需要研究泥浆浓度、流态、管路阻力及粒径、密度和管径对泥浆临界流速的影响。管线中的流态、分层对于泥浆的输送影响较大，而泥土的颗粒对于输送又起着决定作用。因为颗粒的大小、浓度，影响其沉降速度，而沉降速度与临界速度直接相关；黏土形成的泥球，加大了输送的难度，从经济流速下降到临界速度的时间非常短，此时泥泵的工况是不稳定的，也容易出现管路堵塞现象，因此应采用尽可能高的流速施工。

5.5 堵塞的判断及解决方法

在施工过程中，要尽量避免发生堵塞现象，一旦发生故障要及时、准确地判断堵塞的位置，可参照表1和以下经验进行判断。

表1 绞吸船堵塞位置判断表

1）绞刀有杂物可以通过绞刀负荷有规律的变化来判断，一般其变化的频率与绞刀的转速相等。

2）吸口堵塞时即使吸清水，真空也居高不下。可以停泵让排泥管中的水倒流冲刷障碍物，不奏效时，只能人工清理。

3）泥泵堵塞时，压力、真空度降低，伴随有震动声音。

4）排泥管堵塞时，压力升高，即使吸清水，压力也居高不下。应判断堵塞的位置，以便清理。

5.6 涨落潮及波浪对施工的影响及避免措施

施工中，为确保设计挖深，涨潮时，可将绞刀提前“下一点”以进行深度控制；将绞刀“多摆一点”以进行宽度控制。落潮时，应将绞刀提前“起一点”，或“少摆一点”，以此适应潮位变化对施工的影响。

为消除波浪对工程质量的影响，一般情况下，波浪大时挖上层，波浪小时挖下层。当波浪超过船舶设计的抗浪等级时应停工，待波浪减弱后再继续施工。

6 结语及建议

对于绞吸船而言，在有效运转的时间内，达到持续稳定的产量是追求的目标。近几年绞吸船的挖泥操作技术和工艺取得了长足的进步，建议在今后的施工中加强绞吸船挖泥操作的系统培训，按级别、有针对性地培训，相比“师傅带徒弟”的传统模式具有明显的优势；加快绞吸船模拟器的研发及使用，为操作人员提供优越的疏浚技术培训，提高培训效率。绞吸船施工中遇到的问题很多，进一步的分析和解决需要对疏浚有较深刻理解和丰富的实践经验。

[1] JTJ319—99，疏浚工程技术规范[S].

[2] JTJ/T320—96，疏浚岩土分类标准[S].

[3] RNBray，AD Bates，JM Lang.Dredging a Handbook for Engineering[M].A Butter worth Heinemann Title，1996.