大型绞吸挖泥船开挖黏土夹钙质结核物施工对策

戴剑波，张日国，马兴华

（1.中交上海航道局有限公司东方疏浚工程分公司，上海 200136；2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

1 工程概况

连云港港30万吨级航道先导试挖工程疏浚工程H1.1标段的施工范围和内容为：连云港港30万吨级航道里程桩号A0+000—W12+300段疏浚吹填工程，施工土质为淤泥、黏土、砂、钙质结核，分布不均。本标段航道A0+000—W5+577段采用绞吸船施工，处于开敞海域。为不规则半日潮，潮流方向W1+577以内基本为东西向，W1+577以外与航道成70°左右夹角。受风浪涌浪影响大，同时航道通航对绞吸船施工干扰较大，施工工况为六级工况。为确保工程质量和进度，选用大型绞吸挖泥船新海豚轮进行疏浚与吹填施工。该船装备有1台电机驱动、功率为2 200 kW的绞刀，完全能够满足挖掘工程土质的功率要求。

2 施工情况及施工参数

新海豚轮自2010年6月21日开始施工至2012年4月19日撤出H1.1标工地，共参与H1.1标基建疏浚施工430 d。

施工分条结合不同深度的航道坡比设计要求，采用两种方案：-12.5 m以下、坡比为1∶5时，顺航道方向分两条，北条宽为100 m，南条宽为55 m，不重叠。-12.5 m以下，坡比为1∶7时，顺航道方向分两条，北条宽100 m，南条宽105 m，重叠50 m。

施工分层基本按2 m为1层控制。开挖上层淤泥时，分层厚度加大，即第1层以-8.0 m开挖。

排泥管线长度920～7 447 m，其中水下排泥管线最长时为6 000 m，采用两泵串联施工时管线最长为5 116 m，排泥管内径均采用φ850 mm。

施工流速从最初≥4.0 m/s调整至4.8 m/s；泥浆浓度从最初≤45%调整至35%，遇钙化结核层泥浆浓度降低至20%左右；水下泵电机功率不低于1 100 kW；甲板泵柴油机负荷不低于70%。有关施工数据分析见表1所示。

表1 新海豚轮主要施工数据分析表Table 1 Analysis of the main construction data of Xinhaitun dredger

3 主要施工难点和应对措施

3.1 管道输送

新海豚轮绞刀设计功率为2 200 kW，在H1.1标段施工中，绞刀负荷高的时候在1 100 kW左右，多数情况在400～800 kW之间，瞬时峰值达到1 700 kW，挖掘工艺实施难度不大。但对管道输送过程，由于本工程地质分布、构成复杂，现场实际开挖土质与工前地勘土质存在较大差异，水力输送特性与传统泥浆输送也有较大不同，造成工程前期输送堵管情况严重，大大影响了施工工效的发挥和工程成本的控制。

针对施工过程中出现的各类堵管现象，工程技术人员对可能引起堵管的各个因素进行了逐一的分析和排查，最后将问题主要集中在高浓度引起堵管、管线泄漏引起堵管、管道中大颗粒物料沉积引起堵管和施工操作不当引起堵管四个方面，并针对性制定了应对措施，有效解决了堵管问题。

1） 高浓度引起堵管

在施工初期，由于现场土质与原预期存在差异，按照以往各工程施工经验，把土质当做一般淤泥和黏土来对待，选择了施工流速不低于4.0 m/s，泥浆浓度不高于45%的水力输送控制参数。

同时，由于新海豚轮的绞刀功率大，在挖掘施工中还有较大的富裕功率，施工过程中容易产生高浓度，加上该标段土质黏性大、天然容重大且夹杂一定量的钙质结核物，管道输送所需的扬程高，当高浓度泥浆排泥管中输送至一定的距离后，泥泵所产生的有效扬程无法满足高浓度泥浆管道输送所需的扬程，就产生了堵管现象。

针对这种情况的堵管，工程技术和管理人员要求各班组在施工时根据多个参数综合判断（流速、吸入真空、排压、水下泵舱内泵负荷等），将流速、泥浆浓度控制在规定范围以内，避免因高浓度再次发生堵管。

2）管道中大颗粒物料沉积引起堵管

在工程开工后对疏浚区进行的补充钻探中发现，在工程区-10.5～-14 m之间的土层中分布有含量不等的结核物，其粒径多为5～80 mm，个别达110 mm。此种结核物的天然密度大于砾石（达2.9 t/m3左右），输送阻力很大。另一方面，由于该标段土质主要是以硬塑性黏土为主，土质黏性大，输送过程易在管道内黏结成球状，进一步加大了管道泥浆流态的非均匀质流特点。一定量钙质结核物与硬塑黏土球混杂在一起，在输送过程中不断沉积于管道底部，特别当局部管线位置处于较低处、管线爬坡处或过度折拗处极易堆积，稍有不慎即出现堵管现象。

这种堵管问题最为常见同时也较难处理。因为这种堵管发生前基本没有什么征兆，从监控数据回放看，施工参数也都正常。开始阶段曾尝试调整流速和浓度等施工参数的方式，将流速提高至4.5 m/s，浓度降至35%以下，但效果不明显，还是发生多次堵管。在工程区发现有钙质结核物分布后，将正常土质输送流速进一步提高至4.8 m/s，但遇到挖掘钙化结核层时，将浓度控制在不超过20%，调整后解决了堵管问题。

3）管线泄漏引起堵管

由于输送泥浆中较大颗粒物料的存在，大大加大了输送料对管线的冲击和磨损，管线出现破损、泄露的概率增加。当管线局部发生泄漏时，漏点以后的管道中的施工流速变慢，漏点以后管道中的大颗粒泥团产生沉积，当沉积至一定量后就会产生堵管现象。

为此，主要是通过对施工参数的变化来判断管线是否发生泄漏，发现问题及时组织查找管线漏点，修复管线再施工。

4）施工操作不当引起堵管

当平均施工流速较大时，施工操作人员一般会提高泥浆浓度来消耗多余的压头。泥浆浓度的增加，使得土颗粒间相互作用的程度加大，也使得水流支持土颗粒悬浮的能量加大，一旦管路的所需总扬程小于泥泵机组产生的有效扬程时，施工流速就会下降。管道中泥浆的紊流状态也会因流速的下降而减弱，一旦低于输送该种土质条件下的临界流速，管路内高浓度的泥浆就会逐渐沉积，造成管道输送阻力的上升而引起堵管现象。

对此在进一步认清工程区疏浚土特性基础上，合理改进施工操作方法，控制泥浆与清水转换时的施工步骤，有效避免了堵管现象的发生。

3.2 管线铺设

H1.1标段水下排泥管线铺设难度大。在土质输送困难且长排距工况条件下，为减小管线阻力，要求管线尽量顺直。为确保管线铺设质量，施工中对水下排泥管线的铺设投入很大的时间和精力。由表1统计可以看出，管线布设施工时间占总时间的比例达到13.3%，即平均每天有3.2 h都消耗在管线施工上。管线施工特别是水下排泥管线铺设的施工难度主要有以下几方面：

1）海况及气象条件影响。施工区域为开敞区域，受风、浪、流影响大，沉管铺设过程中易产生管线漂移，形成多个折弯；

2）管线延伸频繁。由于施工区域狭长，不长的相隔时间内就要延伸水下排泥管线，而延伸的水下排泥管线往往由于管内空气不能完全排尽，合泵后先前已沉好的水下排泥管线又重新浮起，产生二次漂移现象；

3） 水下排泥管线在铺设过程中要避开抛泥坑、围堤、抓斗施工区等障碍，从而产生多个转向点。在有风、浪、流影响的条件下，多转向点的铺设和定位控制技术难度也较大。

由于上述原因，使得水下排泥管线产生多个折拗点。同时，因水下排泥管线的二次浮起，在水陆管架头附近的水下排泥管线也易产生堆积现象，需安排锚艇将其拉顺或裁短重接。

在施工过程中，折拗点的橡胶软管的磨损要远大于顺直管线中橡胶管的磨损，致使水下排泥管线经常发生泄漏，管线一旦发生泄漏，必须及时修复。由于水下排泥管线长，为了节约管线施工时间，一般不将水下排泥管线全部起浮，而是从中间接近漏点处将水下排泥管线吊起，更换破损的橡胶管，修复后的水下排泥管线再次下沉后会形成新的折拗点。

H1.1标的水下排泥管线长，主要原因是从1号泥塘向东的围堤上不允许铺设岸管，使水下排泥管线长了约2 000 m左右，在此种工况条件下，水下排泥管线应尽可能短，这对提高船舶施工时间利用率是有积极意义的。

4 结语

连云港港30万吨级航道先导试挖工程疏浚工程的施工实践表明，夹含钙质结核物的黏性土质具有特有的管道水力输送特性，为避免易发的堵管现象，可采用的有效工程技术措施有：

1）采用高浓度泥浆管道输送时，应充分重视疏浚土质的差异，根据不同土质的输送特性合理确定和控制有关施工参数；

2）钙质结核物与硬塑黏土在管道输送过程中易产生堵管，将输送流速提高至4.8 m/s、浓度控制在20%以下可解决堵管问题；

3）钙质结核物与硬塑黏土产生堵管后，采用反向倒打清水的疏通方式较好；

4）对于管线铺设难度大，施工时间长但又易磨损泄露的问题，需在总结成功现场经验的基础上，进一步探索采用新型管线材料和水下排泥管线铺设工艺。

[1] 连云港港30万吨级航道一期工程（H1.1标段）岩土工程勘察报告[R].南京：江苏省水文地质工程地质勘察院，2010.Geotechnical investigation report of Lianyungang Port 300 000-ton channel phase I project（H1.1 section）[R].Nanjing：Jiangsu Province Institute of Hydrogeological and Engineering Geological Investigation，2010.

[2]新海豚轮连云港港30万吨级航道先导试挖工程疏浚工程H1.1标段生产效率调研测试报告[R].上海：中交上海航道局有限公司东方疏浚工程分公司，2011.Test report of production efficiency on H1.1 section of dredgingengineering of Xinhaitun dredger in Lianyungang Port 300 000-ton channel leader trail dredge project[R].Shanghai：SDC Orient Dredging Engineering Branch，2011.

[3] 疏浚技术培训教材[M].上海：中交上海航道局有限公司，2005 Dredgingtechnical training textbook[M].Shanghai:CCCCShanghai Dredging Co.，Ltd.，2005.