大型绞吸船开挖岩石基槽施工技术

钟贵，弓宝江，何敬云，张更生

大型绞吸船开挖岩石基槽施工技术

钟贵1，弓宝江2，何敬云1，张更生3

（1.中交天航南方交通建设有限公司，广东深圳518040；2.中交天津航道局有限公司船舶管理分公司，天津300450；3.中交天津航道局有限公司疏浚工程技术实验室，天津300450）

重力式码头岩石基槽开挖具有施工效率低，质量要求高，施工难度大等特点。通过对大型绞吸船直接开挖重力式码头岩石基槽施工技术进行研究，并成功应用于实际工程施工，与传统的炸礁、清礁相比，大型绞吸船直接开挖重力式码头岩石基槽具有施工进度快、质量可靠、安全环保等优势，具有较高的推广应用价值。

大型绞吸船；岩石基槽；施工技术

1　工程概况

某工程拟建靠泊2个7万吨级和1个5万吨级的散杂货重力式码头，码头基槽长600 m，宽15.7 m，设计挖深-16.0 m，超深0.4 m，超宽1.0 m，岩石开挖边坡为1∶0.5，黏性土类及砂土类开挖边坡为1∶2，其余土类的开挖边坡为1∶4。岩石基槽施工具有底宽窄、超深超宽控制严格[1-2]、施工条件恶劣等技术难点。

2　工程地质

根据钻探结果分析，基槽岩石物理力学指标见表1，主要特征描述如下：

1）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。标准贯入试验21次，贯入击数均为N＞50击。

2）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。

3）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。标准贯入试验36次，贯入击数均为N＞50击。

表1　岩石物理力学参数统计表Table 1 Rock physical and mechanical parameter statistics

3　船机设备选型

施工区附近的码头正在营运，采用传统的炸礁施工对码头的稳定性及过往船舶的安全有不利影响；采用凿岩棒施工进度缓慢，不能满足码头施工进度的要求。经过多种方案比选，最终决定投入大型绞吸船直接进行岩石基槽开挖施工[3-4]。

本工程需开挖的岩石单轴抗压强度达到20 MPa，对绞吸船的挖掘能力有较高的要求。根据现场工况条件，并结合船舶性能，选用绞刀功率大于3 000 kW的大型绞吸船。

4　大型绞吸船开挖岩石基槽施工工艺

4.1工艺原理

大型绞吸船采用“绞刀横摆方向垂直于基槽走向，缩进基槽开挖边线1 m，正反刀均挖岩”的关键施工工艺。

大型绞吸挖泥船由绞刀头旋转带动绞刀齿撞击破碎岩石，因绞刀旋转和平移方向不同，分为正刀与反刀切削两种，其受力情况见图1和图2。

图1　反刀切削Fig.1 Antiknife cutting

图2　正刀切削Fig.2 Knife cutting

正刀挖掘特征：正刀向下切削时，绞刀与被切削土体受力相似于侧限剪切，并且横移运动对绞刀线速度施加反向拉力，绞刀的挖掘力变小；绞刀切削下的岩块一部分被刀片挤压进刀腔内被泥泵吸走，一部分从绞刀下方被挖起，抛向绞刀挖过的后方形成遗漏。

反刀挖掘特征：绞刀反刀向上切削时，其受力相似于无侧限剪切，而且横移运动对绞刀线速度施加同向拉力，这样横移绞车与绞刀共同作用产生所需要的最大挖掘力。由于绞刀在礁体内侧向上切削，礁体上方无约束，在绞刀挖掘力的作用下较容易被破碎，当岩石抗压强度不大于30 MPa，正反刀均可挖掘。

4.2工艺流程

大型绞吸船开挖岩石基槽正、反刀挖岩流程如图3所示。

图3　挖岩流程图Fig.3 Flow chart of dig rock

5　大型绞吸船开挖岩石基槽技术措施

5.1分条施工

分条宽度宜等于钢桩中心到绞刀水平投影的长度。此次施工分条宽度为105 m，基槽开挖宽度为15.7m，与停泊水域开挖同时进行（图4）。

5.2分层施工

一般开挖岩石分层厚度为2 m，此次基槽岩层厚度仅1.5m，开挖不分层，且横移速度控制在15m/min以内，以保证工程质量。

图4　绞吸船开挖基槽分条示意图Fig.4 Subsection of foundation trench excavation by cutter

5.3施工过程中技术控制要点

1）开挖岩石基槽时，正、反刀横移速度宜控制在15m/min以内，以减少残留层厚度，并控制开挖平整度。

2）禁止在基槽设计底边线处实施绞刀进步，应在距边线约2m处开始进步，减少超宽风险。

3）绞刀下放深度应较实际开挖深度小0.5～0.8m，预留绞刀与吸口在垂直面间的间距。

5.4施工效率分析

绞吸船生产率分挖掘生产率和泥泵管路吸输生产率两种，两者之中取较小值代表其生产率。因为绞吸船施工的特点是挖掘与吸输同时完成，两者是相互制约的。

5.4.1挖掘生产率计算

挖掘生产率主要与挖掘的土质、绞刀功率、横移绞车功率等因素有关，按下式进行计算：

式中：W为挖掘生产率，m3/h；K为挖掘系数；D为前移距，m；T为开挖厚度，m；V为平均横移速度，m/min。

根据计算，绞吸船开挖中风化岩石生产率为846 m3/h，开挖微风化岩石生产率为576 m3/h，计算过程如表2所示。

表2　挖掘生产率计算表Table 2 M ining productivity calcu lation table

5.4.2吸输生产率计算

泥泵管路吸输生产率主要与土质、泥泵特性和管路特性有关，计算公式如下：

式中：r为排泥管线半径，r=0.45m；VP为平均流速，VP=5.5 m/s；Q为流量；P为平均浓度，P= 7.8%。带入式（2）计算吸输生产率为982m3/h。

由表2及图5可见，吸输生产率大于挖掘生产率，因此，绞吸船生产率主要由挖掘因素决定。

图5　绞吸船泥泵管路特性曲线Fig.5 The cutter suction dredger mud pump pipeline characteristic curve

6　结语

1）重力式码头岩石基槽宽度一般为10~20 m，开挖底宽窄，质量要求高。大型绞吸船开挖重力式码头岩石基槽与传统的炸礁、清礁施工相比，具有施工进度快，质量可靠，安全环保等优势；同时可将开挖岩石吹填至吹填区，提高疏浚土综合利用率。采用大型绞吸船直接开挖重力式码头岩石基槽，日产量可达1.0万~1.5万m3。

2）岩石单轴抗压强度小于等于30 MPa时，可采用“正反刀均挖岩”的施工工艺；当岩石单轴抗压强度大于30 MPa，绞刀挖掘受到限制时，可采用“正刀空摆，反刀挖岩”的施工工艺。

[1]JTS 207—2012，疏浚与吹填工程施工规范[S]. JTS 207—2012,Construction code for dredging and reclamation works[S].

[2]JTS 257—2008，水运工程质量检验标准[S]. JTS 257—2008,Standard for quality inspection of port and waterway engineering construction[S].

[3]赵辉.码头深基槽绞吸船开挖施工技术研究[J].水利水电，2014 （6）：177. ZHAOHui.Studyon construction technologyofexcavation ofwharf deep foundation trench by cutter suction dredger[J].East China Science&Technology:Academic,2014(6):177.

[4]弓宝江，赵丽娜，冯晨.大型绞吸船开挖岩石质量控制措施[J].中国港湾建设，2016，36（2）：65-67. GONGBao-jiang,ZHAOLi-na,FENGChen.Quality controlmeasures for rock excavation of large cutter suction dredger[J].China Harbour Engineering,2016,36(2):65-67.

Construction technology for excavation of rock foundation by large cutter suction dredger

ZHONG Gui1，GONGBao-jiang2，HE Jing-yun1,ZHANGGeng-sheng3
（1.CCCCTDCSouthern China Communications Construction Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518040,China; 2.Ship ManagementBranch ofCCCCTianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China; 3.Dredging Engineering Laboratory of CCCCTianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China）

The excavation construction of gravity wharf rock foundation has the characteristics of low efficiency,high quality requirements,and great difficulty in construction.We studied the construction technology for directexcavation of gravitywharf rock foundation by large cutter suction dredger,which has successfully applied to practicalengineering construction.Compared with the traditional reefblasting and reef cleaning,this construction technology has advantages of fast process,reliable quality, safety and environmental protection,it isworthy for stronger application value.

large cutter suction dredger；rock foundation；construction technology

U674.31

B

2095-7874（2016）04-0059-03

10.7640/zggw js201604015

2015-08-04

2015-10-10

钟贵（1984—），男，四川德阳人，工程师，主要从事港口与航道工程施工技术研究和管理工作。E-mail：zhonggui2008@163.com