絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法

《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》是中交天津航道局有限公司、中國港灣工程有限責任公司完成的建築類施工工法，完成人是周泉生、高偉、趙鳳友、閆永桐、關巍。適用於絞刀功率1500千瓦以上的大型絞吸船開挖抗壓強度在40千克/立方厘米以下的珊瑚礁灰岩、風化岩土質的疏浚與吹填工程。

《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》主要的工法特點是裝配專門挖岩絞刀頭和挖岩尖齒，並通過絞刀齒、齒座的改進；對排泥管進行了改造，增加耐磨層厚度；使用了三葉輪泥泵。

2011年9月，《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2009-2010年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法
• 工法編號：GJEJGF296-2010
• 完成單位：中交天津航道局有限公司、中國港灣工程有限責任公司
• 主要完成人：周泉生、高偉、趙鳳友、閆永桐、關巍
• 套用實例：蘇丹港綠地疏浚吹填工程
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

珊瑚礁是以造礁珊瑚為主體，與石灰質藻類、貝殼等膠結堆積而形成的有孔隙的鈣質礁岩體，在世界上分布較為廣泛。隨著經濟的發展，海運物流急速增加，世界各國都在增大基建投入，特別是擴大港口規模建設。由於很多港口都擬建在珊瑚礁海岸帶上，珊瑚礁作為一種特殊的疏浚物質，給疏浚行業帶來新的機遇和挑戰。中交天津航道局有限公司和中國港灣工程有限責任公司自2000年以來，實施了多項珊瑚礁開挖工程，取得了大型絞吸船開挖珊瑚礁的實踐經驗，經總結、完善、創新形成了成熟的開挖珊瑚礁灰岩施工工法。

工法特點

《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》的工法特點是：

1.此工法裝配專門挖岩絞刀頭和挖岩尖齒，並通過絞刀齒、齒座的改進，較大地增強了其挖掘性能；有效地保護挖掘機具，減少絞刀齒座和刀齒的損耗，節約成本，提高效益。

2.針對開挖珊瑚礁，提出並驗證了“正刀空擺、反刀挖岩”關鍵施工工藝，解決了1500千瓦功率的絞刀挖掘、破碎珊蝴礁灰岩的難題。使開挖珊蝴礁生產效率有較大提高，同時施工的殘留層較少，有利於保證施工質量。

3.對排泥管進行了改造，增加耐磨層厚度，提高了抗磨性能。

4.設計使用了三葉輪泥泵，明顯減少了堵泵時間，提高了吸、輸能力和泥泵生產效率。

5.絞刀加裝防石環，可避免過大的塊石進入管道和泥泵，造成堵泵和堵管。

操作原理

適用範圍

《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》適用於絞刀功率1500千瓦以上的大型絞吸船開挖抗壓強度在40千克/立方厘米以下的珊瑚礁灰岩、風化岩土質的疏浚與吹填工程。

工藝原理

《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》的工藝原理敘述如下：

絞吸挖泥船主要依靠絞刀頭旋轉，帶動絞刀齒撞擊來破碎珊蝴礁的，由於珊瑚礁特有的物理特性和地質結構，其強度大、韌性高、絞刀挖掘時強大的反力容易導致刀齒受力不均造成一定的損壞，根據絞刀頭旋轉切岩和絞刀頭平移方向相互關係，分為正刀切削與反刀切削兩種，其受力情況見圖1、圖2。

從圖中不難看出，絞刀正刀向下切削時，絞刀與被切削土體受力相似於側限剪下，並且橫移運動對絞刀線速度施加反向拉力，這意味著絞刀的挖掘力變小；土質堅硬又會使絞刀齒切入困難，並對橋樑產生支起的效果，絞刀臂、刀齒、齒座受力會相當大；這時絞刀橫移速度與轉速不匹配比率使船舶產生振幅較大的跳動和瞬時加速，致使絞刀齒、齒座的受力突變斷損及“滾刀”情況的發生。

當絞刀反刀向上切削時，其受力相似於無側限剪下，而且橫移運動對絞刀線速度施加同向拉力，這樣橫移絞車與絞刀共同作用產生所需要的最大挖掘力。由乾絞刀在難體內側向上切削。難體上方無約束，在絞刀挖掘力的作用下較容易破碎；而且絞刀齒、齒座的受力均勻且大大小於正刀挖掘；另外絞刀掘進礁體後被前部礁體約束著平穩運行，不會出現“滾刀”現象。

另外，絞刀正刀向下切削時，絞刀切削下的礁體一部分被刀片擠壓進刀腔內被泥泵吸走，一部分從絞刀下方被挖起，拋向絞刀挖過的後方形成遺漏。

當絞刀反刀向上切削時，礁體被絞刀向上方切離、破碎，礁體大部分被擠壓進刀腔內由泥泵吸走，同時亦有部分被拋離到絞刀前上方（與挖掘向一致），但隨著絞刀挖掘前移，礁體會被再次吸挖進刀腔內；施工的殘留層較少，容易保證施工質量，這就是反刀挖掘比正刀挖掘遺漏少的原因。

由此可見，在同樣的邊界條件下，與正刀挖岩相比。反刀挖岩時每個刀齒受外力小，刀臂、刀齒、齒座受力均勻，受力變化的幅度小，絞刀斷齒、斷座數量少，而吸入濃度高，生產率高，且反刀時不會出現“滾刀”現象。也正因此，在開挖堅硬的岩石時，由於船舶橫移速度低，與其將約一半時間花費在生產率低、易斷齒、易“滾刀”的正刀開挖上。還不如用少量時間用乾正刀快速回擺。而大部分時間用於反刀開按上。其優點在於不會出現“滾刀”現象。目反刀挖岩生產率高，根據公司挖岩數據

統計表明∶正刀空擺、反刀挖岩要比正、反刀都挖岩時的生產率高。

此外，在挖岩時，將泥泵葉輪由5片葉輪改為3片葉輪，增大了泥泵可通過的塊石粒徑，增強了大塊的珊蝴礁輸送能力，可提高船舶生產效率。而在絞刀吸口處加裝防石環，又可避免過大的塊石進入管道和泥泵，造成堵泵和堵管。

珊瑚礁塊石菱角突出且較為鋒利，對吸排泥管系磨損較為嚴重，為延長管線的使用壽命，應採用加厚鋼管及加筋膠皮套。條件許可的情況下，可採用球形接頭代替膠皮套。

採用白鋼焊條加白鋼耐磨防護層對各挖（排）泥機具進行防護。船舶吸排泥管系需進行內覆板處理，特別是彎管易磨耗位置，須進行內外覆板，覆板接縫處採用白鋼焊條堆焊，可以增強管系的抗磨耗能力，延長管系使用壽命，減少管線安拆次數。

施工工藝

• 工藝流程

《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》的工藝流程圖如圖3。

圖3 工藝流程圖

操作方法

《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》的操作要點如下：

利用船舶主樁為定位樁，船舶副樁為步進樁，採用定吸、步進橫挖交替進行施工。施工中根據開挖泥層厚度，進行分層施工，在一個開挖斷面上控制絞刀逐次下放分層開挖至設計深度。

1.分條施工

分條寬度宜等於鋼樁中心到絞刀頭水平投影的長度，硬土質分條可窄一些，以保證絞刀、錨、纜受力處於較佳的幾何狀態。

2.分層施工

根據土質類型、船舶絞刀功率及直徑等因素進行分層施工。由於開挖的珊蝴礁灰岩厚度大，且堅硬有韌性，採用1500千瓦功率的絞刀挖掘須分層厚度宜控制在0.2~0.7米，其中，上層分層較厚，最後一層應薄一些，並適當放慢橫移速度，使泥土能吸乾淨，以保證工程質量。

3.採取“正刀空擺，反刀挖岩”的施工工藝

灰岩對絞刀強大的反作用力造成絞刀齒、座的損毀還是相當嚴重的。因此，宜採用“正刀空擺反刀挖掘”的施工工藝對珊蝴礁灰岩分層進行開挖，其操作流程如下∶

利用橫移錨拉力將絞刀擺至右挖泥邊線→下放絞刀（切泥厚度為2/3絞刀長度）→左橫移挖泥（橫移速度8～10米/秒為宜，橫移電流不超負荷）→至左挖泥邊線，停止橫移（絞刀在原位稍作停留，以充分吸泥）→起絞刀橋樑（起橋高度以不扛橋樑為標準）→快速向右空擺，到位後，下放絞刀進行下一刀施工作業。如此循環，逐漸開挖至分層深度→進步（進步距離為1/2絞刀長度）→進行下一斷面施工。上層施工完畢後，退船進行下層施工，循環作業。

其挖岩軌跡如圖4。

圖4 正刀空擺，反刀挖岩軌跡示意圖

操作要點

“正刀空擺反刀挖掘”的施工工藝是成功開挖珊蝴礁灰岩的核心工藝，其關鍵口訣如下；開挖上層及岸坡；正刀空擺，反刀挖岩。開挖中、下層；正反刀結合挖岩，正刀小切厚，反刀大切厚；“進2退3”拾遺，反刀收底。具體操作要點如下∶

1.在施工中儘量加大步進和吃刀量，吃刀厚度應大於半個絞刀，以增加工作刀片，使更多的刀片聯合作戰，避免單齒受力，以將刀齒損耗降到最低。當絞刀齒座損毀約1/3須更換絞刀，根據絞刀齒、座損毀情況進行改進（改變切削角）和加固。操著順序見圖5。

圖5 正刀空擺，反刀挖岩操作流程圖

2.橫移錨串聯（一大一小），表層珊瑚礁堅硬，橫移錨難以入土，抓著力不夠，一大一小橫移錨串聯增大橫移抓著力。

3.在保證設備安全的情況下，駕駛員要精心操作，注意絞刀轉速與橫移速度的匹配，儘量以穩定的絞刀電流，較高絞刀轉速、匹配的橫移速度、穩定的濃度進行施工作業。

4.挖掘水面以上避免水下泵吸口吸空氣現象。

5.在礁質變化層，在設備允許的條件之下，可適量加大切層厚度與橫移速度，並適時採用正反刀都挖掘工藝來提高生產率。

6.開挖厚岩面時局部可能發生塌方現象，為防止絞刀“扛脖子”，分層施工時，根據實際情況，以台車行程為依據，採取進2退3的“拉抽屜”式施工方法。

7.最後收底，切層厚度要小，以便使能夠吸淨。在施工的過程中要靈活掌握，合理運用。

材料設備

《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》所用的材料及設備明細如下：

材料

1.燃、潤油：船用輕、重柴油及潤滑油。

2.挖泥機具備配件及耗材。主要包括絞刀（含齒座、刀齒）和泥泵，為保證珊瑚礁開挖的適應性，質量上乘為佳。建議使用美國ESCO公司或日本三菱重工生產的54D絞刀及配件。為保證珊瑚礁岩的輸送，建議採用大流道泥泵或三片葉輪施工。

3.管線及工程機械耗材。主要包括管線、膠皮套（或球形接頭）及浮筒。材質為16MN材料的鋼管對珊瑚礁岩的適應性較好。

• 機具設備

1.挖泥船

實施該工法施工的主船為大型絞吸式挖泥船。在蘇丹港達瑪疏浚吹填工程、蘇丹港綠地疏浚吹填工程、蘇丹港新貨櫃泊位疏浚工程進行開挖珊蝴礁的挖泥船為公司的津航浚215絞吸式挖泥船，見圖6，基本性能見表1。

圖6 津航浚215船

2.輔助船舶

配備施工主船的輔助船舶為一艘專業錨艇，它的主要功能是輔助施工主船移錨、移船、調整水上浮筒管線等。與津航浚215配套的輔助船舶津航艇22如圖7。

圖7 津航艇22

3.工程機械

配備裝載機、挖掘機、推土機各1台，它們的主要功能是管線運送、接卡、吹填區整平等。

質量控制

《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》的質量控制要求如下：

質量執行標準

1.《疏浚工程技術規範》JTJ 319-99；

2.《疏浚工程質量檢驗標準》JTJ 324-2006；

3.《水運工程測量規範》JTJ 203-2001。

質量控制措施

1.嚴格按照工程施工質量管理體系要求，開展各項質量管理工作，確保施工全過程得到有效控制。

2.制定質量工作計畫，分析影響質量的因素，找尋對策。

3.針對質量管理開展工作，通過PDCA循環不斷解決、改進質量難題。

4.向施工船作詳細技術交底，明確質量控制內容，嚴格執行操作規程。

控制超深措施

1.工前疏浚主管會同挖泥船船長對挖泥絞刀下放深度指示器進行校核，誤差控制在正負0.1米以內。

2.碼頭基槽斷面不得超挖，港池、航道斷面控制在允許值內。

3.嚴格執行檢測制度，掌握自檢與專檢的誤差規律，總結分析不同土質造成的殘留程度，及時調整絞刀的下放深度。

控制超寬措施

1.套用先進的DGPS定位系統指導施工，配備計算機輔助決策系統，實時跟蹤挖泥絞刀所處的平面位置。

2.施工技術人員根據開挖土質情況、設計坡比及挖泥機具特性等，設計出正確合理的開挖蝶止線碼頭根部安全距離嚴禁超挖。

3.施工船駕駛人員應根據DGPS指示的絞刀位置、設計開挖終止線、土質塌坡情況等確定絞刀到線後的回擺時機，防止超挖和欠挖。

4.加強檢測，根據檢測數據修正設計挖泥終止線及操作工藝後進行正確的挖泥控制操作，將平均超寬值嚴格控制在規範、標準規定值以內。

安全措施

採用《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

一、安全工作方針

堅持“安全第一，預防為主”的方針，認真貫徹執行《安全生產法》，執行當地有關安全生產規定。

二、安全工作目標

重大、大責任事故，船舶、車輛交通事故，職工重、輕傷事故零起。

三、建立健全安全組織機構和安全管理體系，設立專職安全員

四、安全工作制度

1.堅持“五同時”制度：每個人在計畫、布置、檢查、總結、考核生產的同時，計畫、布置、檢查、總結、考核安全工作。

2.在安全管理上實行“四全”管理制度：對安全工作實行全員、全過程、全方位、全天候管理。

3.堅持“四不放過”原則：事故原因未查清不放過，事故責任者未受到處罰不放過，民眾未接受教育不放過，防範措施未落實不放過。

4.執行安全生產責任制：明確安全生產責任人，把安全生產的指標落實到工地各個單位、各個崗位和每個人。貫徹“誰負責生產、誰負責安全”的原則。

5.執行安全例會和安全檢查制度：經理部每月召開一次安全例會（可與生產調度會合併召開），總結工地安全工作情況，排查事故隱患，制定整改措施。由經理部兼職安全員牽頭負責按有關規定定期開展安全檢查。

6.認真貫徹執行崗位安全操作規程和安全規定，嚴禁違章指揮和違章操作。

五、安全工作措施

1.施工避讓措施

在工程開工前要求業主以及當地港口、海事等部門共同制定船舶避讓方案，避讓各方必須嚴格執行，定期聯絡解決避讓中存在的問題。

2.制定各項應急預案

制定火災、觸電、職工疾病、船舶進水、船舶機損、溢油等應急預案。

3.危險源因素辯識與方案管理

為了加強安全工作管理，根據公司危險源因素清單進行辨識，形成重大危險源因素清單，並結合工程當地情況進行補充，根據重大危險源因素清單制定管理方案加強安全工作。

環保措施

《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》的環保措施如下：

• 環境保護方針和目標

1.方針

堅決貫徹“科學管理、防止污染、嚴格控制、保護環境”的方針，積極接受當地有關環保部門的指導、監督和檢查，把環境保護工作做好。

2.目標

海洋環境污染事故為零，人身傷害事故為零。

• 環境保護措施

1.嚴格遵守《海洋保護法》，嚴格執行國際有關組織及工程所在地關於海洋環境保護的各項規定。

2.督促施工船編制環保實施細則和操作規程，制定環保預警和應急救援預案，並指定專人負責環保工作的實施。

3.工程所有船舶均須採取有效措施，集中油污、污水並妥善處理，嚴防油污、污水泄漏到施工水域中。加裝燃、潤油時做好全過程管理，做好溢油事故的應急處理方案。

4.在施工水域和生活區的垃圾，放置到專用垃圾袋箱內，聯繫當地環保部門妥善處理。

5.積極配合當地海洋環保部門的工作，做好當地海洋環保部門要求的其他工作。

• 環境因素辨識與管理方案

為了加強環境保護與管理，應對環境因素清單進行辨識，形成項目經理部和船舶的重要環境因素清單，結合工程當地情況進行補充，根據重大環境因素清單制定管理方案，加強環境保護工作。

效益分析

《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》的效益分析是：

在蘇丹港綠地疏浚吹填工程、蘇丹港新貨櫃泊位疏浚工程、蘇丹港達瑪成品油碼頭疏浚工程等使用了“絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法”，採用“正刀空擺，反刀挖岩”施工工藝，解決了正刀挖岩時滾刀問題，有效地保護了絞刀齒和齒坐，提高了產量，取得了很好的經濟效益。

在蘇丹港開挖珊瑚礁灰岩施工過程中對正、反刀施工進行跟蹤，採集、分析、比較各運轉參數。絞刀轉速24轉每分，艙內泵機轉速500轉每分，水下泵開3檔，前移距1.5米。正刀開挖層厚0.7米，橫移速度10米/分鐘左右，吸入濃度平均僅為0.5%-3%左右，而且齒座、刀齒損耗嚴重，時有“滾刀”現象發生。反刀開挖1.2米層厚時，橫移速度7~12米/分鐘，吸入濃度平均為3%-6%，而且齒座、刀齒的消耗量較正刀少，沒有滾刀現象發生。正反刀的生產效率計算過程如下：

“正刀空擺、反刀挖泥”施工時的生產率822.7立方米/小時；考慮倒樁、吹水及開挖上層等因素影響的時間，這些時間約占35%，綜合生產率為822.7x65%=534.8立方米/小時。

“正反刀全部挖泥”施工時的生產率734.4立方米/小時，考慮到樁等其他時間約為35%，綜合生產率為477.3立方米/小時。

根據現場數據統計計算，一般情況下，正刀空擺、反刀挖岩要比正、反刀都挖岩時的生產率高出12%。

另外，從環保角度分析，這種岩石按2009年前的施工經驗，是不能開挖的，需要爆破施工，爆破施工將造成極大的生態破壞。從經濟角度分析，中國之外爆破、疏浚此類工程平均單價約35美元/立方米，則該工程每立方米節省約30美元，按在蘇丹港挖岩300萬立方米計算，節省費用9000萬美元。

註：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

套用實例

《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》的套用實例如下：

• 實例1：蘇丹港綠地疏浚吹填工程

綠地工程計畫工期：2000年11月6日-2001年7月21日，實際2000年11月11日-2001年4月30日竣工，比計畫工期提前工期82天，設計工程量：107.0568萬立方米，實際完成工程量：106.0182萬立方米，實現經濟效益約62萬美元。在蘇丹綠地疏浚吹填工程施工中，套用“正刀空擺，反刀挖掘”施工工藝成功的挖掘了珊蝴礁灰岩，使工程得以順利實施和竣工。

• 實例2：蘇丹港“達瑪”成品油碼頭疏浚工程

達瑪成品油工程：設計疏浚工程量：78萬立方米；竣工工程量79.86萬立方米。按2001年6月1日“達瑪”工程開工計算，實際2001年10月24日竣工，比計畫工期2002年1月15提前工期38天，實現利潤66萬美元。

• 實例3：蘇丹港新貨櫃泊位疏浚工程

蘇丹港新貨櫃泊位疏浚工程，2007年2月1開工，2007年8月26日竣工；設計挖岩工程量109萬立方米，實際完成工程量116萬立方米，新貨櫃工程套用該工法施工，使工程提前21天完工，實現經濟效益約70萬美元。

榮譽表彰

2011年9月，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2009-2010年度國家級工法的通知》建質[2011]154號，《絞吸船開挖珊瑚礁灰岩施工工法》被評定為2009-2010年度國家二級工法。