航道工程中耙吸式挖泥船精挖施工工艺

◎ 丁亚楠 中交上海航道局有限公司

大型耙吸挖泥船在施工时，容易受到地质、潮位、工艺等因素的影响，因此会产生为了达到完工后的水深，而加大挖掘深度的现象，这就导致了两个问题：一是降低了施工效率，二是浪费了大量的资源。事实证明，动力控制系统的运用能够有效地解决以上问题，应该受到足够的关注。这篇论文的研究，其实际意义是显而易见的。

1.工程概况

温州港核心港区的深水入港通道工程，包括三个方面：外海通道、状元岙港区通道和大小门岛通道，其中，外海通道可实现50000吨级的双线、266000m³级的LNG船（控制吃水12.0m）单线全潮通航，10万吨级的单线乘潮通航；状元岙港区内的航道规模是：5万吨级双线、21500m³LNG船舶单线全潮、10万吨级单线乘潮通航；大小门岛通道可实现266000m³级的LNG船单线（控制吃水12.0m）全潮通航。工程的重点是在总体规划的范围内进行疏浚工程、导助航工程、锚地工程和清淤工程。

2.施工方案

（1）主要施工控制参数的试验优化。根据挖泥船行驶到目的地速度、泥浆泵转数、波浪补偿压力、耙头高压冲洗压力、耙头海水稀释开口度等进行适量调整，当泥浆泵压力、真空度、吸入流量、密度四项数据显示最佳状态时即为最佳施工状态。

（2）分条、分段施工选择。该项目是一项航道疏浚工程，由于航道长度的关系，应采取分段施工的方法。以施工区的土质特征和挖泥船的性能为基础，耙吸船使用了全球卫星定位系统（DGPS）进行导航，并在其周围均匀地分布着耙子。船上装备的DGPS及海洋测量软件具备电子海图和航迹的指示、存储功能。挖泥操作人员可以很容易地通过显示器或绘图机来判断挖泥船的航迹，做到合理布线，以提高效率。在施工过程中，挖泥船会根据潮位及时地调整下耙深度，从而保证工程的质量[1]。

3.精挖施工工艺

3.1 船舶定位

该项目所使用的施工船为双DGPS定位系统。将定位参数、背景文件、测深文件、工作线文件、断面文件、色块文件等输入到计算机疏浚辅助决策系统中，在系统上就可以显示出挖泥平面、断面及实时船位，并将计划挖泥区段、挖泥航线和已挖区段、挖泥耙迹线等信息进行显示，从而使挖泥船能够始终在预定的挖线上进行施工，更好地确保施工质量。在距离差分岸台不足50km的情况下，其平面定位精度可达到±1.0m，距离300km的情况下，其定位精度可达到±5.0m，且在我国沿海地区均可接收到差分信号，还可全天候工作。

1）合理设置无验潮技术。以控制点为基础完成控制网的布设工作，将基站设置在临近施工区域位置处，使得设备的兼容性得到显著的提升，为后续的测量工作做好充分的准备。在驾驶台外侧中间位置设置移动站，将传播摆动给数据准确性造成的影响控制到最小，显著提升该布设理念的科学性。

2）潮位遥报仪。潮位遥报仪的主要组成部分为接收端和发送端。发射机的核心组成内容有电源、功放器、调制器和编码器等，编码器发挥的主要作用为将测量所得的水位数据信息转变成为具有较强特殊形式的编码，在调制器的作用下，达到整形的目的。在向空中发射调频信号时，天线发挥着十分重要的作用。潮位信号被天线接收以后，经过高频放大，使得混频也随之发生了巨大的变化，将其直接送入到相位鉴频器中，实现了对信号的有效调制，分离水位编码以后，将其输送到消燥器中实现对噪音的有效降低，译码器完成水位数值还原工作以后，及时的向显示器中传输，并完成显示工作。

在对水位值进行获取时，压力传感器探头发挥出了重要的作用，标高值与传入主机运算结束以后，将潮位值及时的传输出去，在向外发送数据信息时，主机端口上的发射机起到了重要的作用。在耙吸船中心控制器端口上安装潮位遥报接收仪，在解析以后，以潮位值的形式向挖掘控制系统的中心处理器中传输，使得数据传输链路得以有效的构成。

3.2 耙头控制方法

3.2.1耙齿的使用

采用水力作用力的旧式耙头，在开挖粘土或略微有粘性的沙土时，其效率并不高，因此，还需要增加一种机械切割设备，即耙齿或刮刀，才能使开挖效率提高。虽然耙齿不太适合松软的土壤，但是在有大量垃圾的地区，可以增加耙齿来清除淤泥层中的垃圾，这样在后期的施工过程中就可以减少垃圾堵塞耙头。

3.2.2耙头着地压力的选择与调整（波浪补偿器）方法

在海浪及淤泥表面不平的情况下，利用波浪补偿装置，保证耙齿在海浪及淤泥表面起伏时，不会脱离淤泥表面，同时保证耙头的地压与所疏浚的土壤相适应（最大化淤泥密度，减小耙齿阻力，防止淤泥过深）。在进行施工之前，要按照公司的耙吸挖泥船施工工艺的操作要求，按照疏浚土类、耙头类型和挖深来调节波浪补偿器的压力。

3.2.3耙头、耙管角度、水平位置控制方法

①耙头与地面的角度。对于耙吸船来说，主动耙头能够对施工时的耙头对地角度进行合理化的调整，耙头对地角度要保持在3度左右。假如海底地形的深度存在着比较大的差别，需要对耙头油缸进行高效的整合，使得保持在设计值的范围之内。

②耙头平面位置。该项目所装备的双DGPS，其精度在1m至3m之间，将其与耙臂水平位置传感器相结合，使其定位精度达到1.0m。在定位系统的电脑上所呈现的轨道，就是耙的平面位置[2]。

③耙头定深。耙头的下落深度是通过耙臂深度指示器得到的。要时常检查和纠正耙头的深度。如果出现了偏差，则采用自动插入式校正方法，对每一个传感器的初值、增益等参数进行自动校正。

随着船舶吃水的改变，潮位的改变，耙头所指示的深度也会随之改变，这时需要对耙头和耙中钢索进行调节，以保证耙头深度指示器所指示的深度与给定的深度一致。该项目所装备的水深测量系统，其测量精度为0.3m。

④耙管的垂直位置。因为耙管下部与水平线之间的角度太小，会导致耙管首先与海床上的凸起相接触，而这个角度太小或者太大，又会导致耙头活动罩的动作受到限制，使得拖泥板无法与淤泥面紧密接触，所以，耙管的垂向位置应该按照不同的挖深来调整。下部耙管与水平线的夹角优选为25°～35°（耙头活动罩的可动范围较为适宜）。上下耙管之间的夹角不应大于170°（橡胶管的容许弯曲角在±168°左右）。

⑤耙管的水平位置。在水平方向上，耙头的定位是由上、下两个耙筒的偏移角决定的。一般情况下，耙头的侧向位置是耙头的中心线到舷边的距离2m（尽量减少船的偏转）。在挖泥的过程中，应该将耙管的侧向倾斜角度控制在不大于左右15°（耙头的水平偏移约为左右10m）。特别要注意的是，在挖掘深度比较浅的时候（大约7-10m)，如果横向倾斜角度太大，就会导致上耙管与船体之间的相互挤压，如果处理不好，很容易引起事故（耙管和船体受损）。在施工作业中，操耙手应密切关注耙头的水平分布，对倾角过大的情况应及时进行调整，以保证耙头在最佳状态[3]。

3.3 挖泥航线的确定

在进行施工之前，要在定位系统中将工作线做好，通常情况下，两条工作线之间的距离是船宽加上1个耙头的宽度，耙头第一挖沟与相邻的第二挖沟的中心线间距，要视土壤性质而定。在铺设线路时，要小心其他已经铺设好的线路不能重复铺设。可以通过定位水深系统来指示挖泥耙轨迹的位置。在施工时，应使耙迹线成一条直线，并尽可能使耙迹线的排列均匀，不留缝隙，以减小淤泥表面的不平整。当有了新的测绘图时，应按测绘图上的水深来安排耙迹线，在浅水区，结合每个耙的挖掘深度，安排得稍多些；在经过一定的施工后，可以依据前期耙迹线的分布状况，结合实测图，再结合耙迹的间隔来布线。

3.4 耙吸挖泥船挖泥操船方法

1）由于耙吸式挖泥船的上部结构大多位于船尾，因此，风力对操船的影响比较大。海浪与海流（潮）的作用更为显著。正面来的风、浪、水流，只需要适当提高速度就可以了。对于侧面（斜向或横向）来的风、浪、水流，也要进行速度适当的调节，通常还须朝着风、浪、水流的来向调整船首，并使船保持稳定的风流偏航角，这时才能确保耙迹线为直线。

图1 挖槽内调头示意图

2）当风流的偏航角度（右侧为正）达到±10度至±15度时，操船将变得非常困难。如果超过了±15度，那就更难了。

3）在风、浪、水流等因素的影响下，操作挖泥船时，特别是挖泥船深度较小时，应特别注意防止挖泥船受到船舭部压和耙管的影响。

3.5 耙吸挖泥船调头方法

当挖泥船掉头的时候，原则上，上调头应该将船艏放在下风、下流的一侧，向上风、上流的方向转头，这样可以避免船被压出挖槽。在使用双车双舵的情况下，在必要的时候，利用船艏的横向冲水推进，可以使本船在1.3倍船长的范围内掉头。在施工过程中采用的基本掉头方式，通常转弯需要5-8分钟左右，在适当的风速下，最快需要4分钟左右。

在开阔的水面上且水下没有障碍时也可以用耙头触地或挖泥调头。但是，它的速度必须很慢，转角要小，而且绝对不能向后航行。在狭小的水面上，不能使用耙式转弯，以免发生意外。在调头时，要密切关注耙头的运行状况，尤其是内侧的耙头，一旦耙头的转速接近静止，应及时抬起。

3.6 卸泥方法

考虑到卸泥区的水域、水深、卸载要求、土质类型和卸载过程中的风、流等因素，采用开底卸泥方式，以提高施工效率。在开泥门之前，首先要测水深，以保证泥门的安全，在抛泥的时候，要增加卸泥标志，并对卸泥的顺序进行安排，避免因为卸泥后深度变浅，从而对后面的卸泥造成影响。在卸泥的时候，只能慢速转向和停车停船卸泥，使泥砂卸到规定的位置和规定的高度。此外，还可以用泥门半开法抛泥，等船吃水减小后，再全开泥门来抛清泥。

3.7 扫浅施工方法

1）进退挖泥法。如果遇挖槽比较短，或者只需要浚挖某一小段或局部浅点的时候，或者挖区终端的水域受到限制，很难实施回转调头，或者是考虑到调头航行再调头上线挖泥方式需要花费太多时间时，通常会以水域情况和本船操作条件为依据，采取进退挖泥法。也就是，在挖到终点或挖过浅点之后，起耙并将耙头提高至离开床面以上的安全高度之后，再倒车使船退回，并越过起挖点以外，在确定船已不再存在对地后退惯性运动，转而略微向前时，才能重新放耙着底挖泥。

2）采用“8”字形和“米”字形两种挖掘方法。当疏浚的航道中有零星的浅点和散立浅点时，可采取“8”字形和“米”字形的方式进行浅层清理。

3）横向挖掘法。当航槽浅埂土壤坚硬，垄沟深度相差悬殊时，常规纵向开挖将难以进行。在条件允许的情况下，可以采取横挖的方法，逐步减小沟道中的垄沟深度，并逐步使沟道中的河床变得平坦。施工路线与进退挖泥法相似。

4.结语

总而言之，耙吸挖泥船要想达到精挖的目的，最重要的就是运用动态控制系统，事实证明，通过对该系统的合理运用，不但可以提升作业的自动化程度和精度，而且还可以提升作业的质量和效率，这样，疏浚超标、深度不足等问题就可以很好地解决了。