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大型絞吸挖泥船開挖黏土夾鈣質(zhì)結(jié)核物施工對策

2014-12-18 11:19戴劍波張日國馬興華
中國港灣建設(shè) 2014年8期
關(guān)鍵詞:排泥土質(zhì)鋪設(shè)

戴劍波,張日國,馬興華

(1.中交上海航道局有限公司東方疏浚工程分公司,上海 200136;2.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200120)

1 工程概況

連云港港30萬噸級航道先導(dǎo)試挖工程疏浚工程H1.1標(biāo)段的施工范圍和內(nèi)容為:連云港港30萬噸級航道里程樁號(hào)A0+000—W12+300段疏浚吹填工程,施工土質(zhì)為淤泥、黏土、砂、鈣質(zhì)結(jié)核,分布不均。本標(biāo)段航道A0+000—W5+577段采用絞吸船施工,處于開敞海域。為不規(guī)則半日潮,潮流方向W1+577以內(nèi)基本為東西向,W1+577以外與航道成70°左右夾角。受風(fēng)浪涌浪影響大,同時(shí)航道通航對絞吸船施工干擾較大,施工工況為六級工況。為確保工程質(zhì)量和進(jìn)度,選用大型絞吸挖泥船新海豚輪進(jìn)行疏浚與吹填施工。該船裝備有1臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、功率為2 200 kW的絞刀,完全能夠滿足挖掘工程土質(zhì)的功率要求。

2 施工情況及施工參數(shù)

新海豚輪自2010年6月21日開始施工至2012年4月19日撤出H1.1標(biāo)工地,共參與H1.1標(biāo)基建疏浚施工430 d。

施工分條結(jié)合不同深度的航道坡比設(shè)計(jì)要求,采用兩種方案:-12.5 m以下、坡比為1∶5時(shí),順航道方向分兩條,北條寬為100 m,南條寬為55 m,不重疊。-12.5 m以下,坡比為1∶7時(shí),順航道方向分兩條,北條寬100 m,南條寬105 m,重疊50 m。

施工分層基本按2 m為1層控制。開挖上層淤泥時(shí),分層厚度加大,即第1層以-8.0 m開挖。

排泥管線長度920~7 447 m,其中水下排泥管線最長時(shí)為6 000 m,采用兩泵串聯(lián)施工時(shí)管線最長為5 116 m,排泥管內(nèi)徑均采用φ850 mm。

施工流速從最初≥4.0 m/s調(diào)整至4.8 m/s;泥漿濃度從最初≤45%調(diào)整至35%,遇鈣化結(jié)核層泥漿濃度降低至20%左右;水下泵電機(jī)功率不低于1 100 kW;甲板泵柴油機(jī)負(fù)荷不低于70%。有關(guān)施工數(shù)據(jù)分析見表1所示。

表1 新海豚輪主要施工數(shù)據(jù)分析表Table 1 Analysis of the main construction data of Xinhaitun dredger

3 主要施工難點(diǎn)和應(yīng)對措施

3.1 管道輸送

新海豚輪絞刀設(shè)計(jì)功率為2 200 kW,在H1.1標(biāo)段施工中,絞刀負(fù)荷高的時(shí)候在1 100 kW左右,多數(shù)情況在400~800 kW之間,瞬時(shí)峰值達(dá)到1 700 kW,挖掘工藝實(shí)施難度不大。但對管道輸送過程,由于本工程地質(zhì)分布、構(gòu)成復(fù)雜,現(xiàn)場實(shí)際開挖土質(zhì)與工前地勘土質(zhì)存在較大差異,水力輸送特性與傳統(tǒng)泥漿輸送也有較大不同,造成工程前期輸送堵管情況嚴(yán)重,大大影響了施工工效的發(fā)揮和工程成本的控制。

針對施工過程中出現(xiàn)的各類堵管現(xiàn)象,工程技術(shù)人員對可能引起堵管的各個(gè)因素進(jìn)行了逐一的分析和排查,最后將問題主要集中在高濃度引起堵管、管線泄漏引起堵管、管道中大顆粒物料沉積引起堵管和施工操作不當(dāng)引起堵管四個(gè)方面,并針對性制定了應(yīng)對措施,有效解決了堵管問題。

1) 高濃度引起堵管

在施工初期,由于現(xiàn)場土質(zhì)與原預(yù)期存在差異,按照以往各工程施工經(jīng)驗(yàn),把土質(zhì)當(dāng)做一般淤泥和黏土來對待,選擇了施工流速不低于4.0 m/s,泥漿濃度不高于45%的水力輸送控制參數(shù)。

同時(shí),由于新海豚輪的絞刀功率大,在挖掘施工中還有較大的富裕功率,施工過程中容易產(chǎn)生高濃度,加上該標(biāo)段土質(zhì)黏性大、天然容重大且夾雜一定量的鈣質(zhì)結(jié)核物,管道輸送所需的揚(yáng)程高,當(dāng)高濃度泥漿排泥管中輸送至一定的距離后,泥泵所產(chǎn)生的有效揚(yáng)程無法滿足高濃度泥漿管道輸送所需的揚(yáng)程,就產(chǎn)生了堵管現(xiàn)象。

針對這種情況的堵管,工程技術(shù)和管理人員要求各班組在施工時(shí)根據(jù)多個(gè)參數(shù)綜合判斷(流速、吸入真空、排壓、水下泵艙內(nèi)泵負(fù)荷等),將流速、泥漿濃度控制在規(guī)定范圍以內(nèi),避免因高濃度再次發(fā)生堵管。

2)管道中大顆粒物料沉積引起堵管

在工程開工后對疏浚區(qū)進(jìn)行的補(bǔ)充鉆探中發(fā)現(xiàn),在工程區(qū)-10.5~-14 m之間的土層中分布有含量不等的結(jié)核物,其粒徑多為5~80 mm,個(gè)別達(dá)110 mm。此種結(jié)核物的天然密度大于礫石(達(dá)2.9 t/m3左右),輸送阻力很大。另一方面,由于該標(biāo)段土質(zhì)主要是以硬塑性黏土為主,土質(zhì)黏性大,輸送過程易在管道內(nèi)黏結(jié)成球狀,進(jìn)一步加大了管道泥漿流態(tài)的非均勻質(zhì)流特點(diǎn)。一定量鈣質(zhì)結(jié)核物與硬塑黏土球混雜在一起,在輸送過程中不斷沉積于管道底部,特別當(dāng)局部管線位置處于較低處、管線爬坡處或過度折拗處極易堆積,稍有不慎即出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。

這種堵管問題最為常見同時(shí)也較難處理。因?yàn)檫@種堵管發(fā)生前基本沒有什么征兆,從監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)回放看,施工參數(shù)也都正常。開始階段曾嘗試調(diào)整流速和濃度等施工參數(shù)的方式,將流速提高至4.5 m/s,濃度降至35%以下,但效果不明顯,還是發(fā)生多次堵管。在工程區(qū)發(fā)現(xiàn)有鈣質(zhì)結(jié)核物分布后,將正常土質(zhì)輸送流速進(jìn)一步提高至4.8 m/s,但遇到挖掘鈣化結(jié)核層時(shí),將濃度控制在不超過20%,調(diào)整后解決了堵管問題。

3)管線泄漏引起堵管

由于輸送泥漿中較大顆粒物料的存在,大大加大了輸送料對管線的沖擊和磨損,管線出現(xiàn)破損、泄露的概率增加。當(dāng)管線局部發(fā)生泄漏時(shí),漏點(diǎn)以后的管道中的施工流速變慢,漏點(diǎn)以后管道中的大顆粒泥團(tuán)產(chǎn)生沉積,當(dāng)沉積至一定量后就會(huì)產(chǎn)生堵管現(xiàn)象。

為此,主要是通過對施工參數(shù)的變化來判斷管線是否發(fā)生泄漏,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)組織查找管線漏點(diǎn),修復(fù)管線再施工。

4)施工操作不當(dāng)引起堵管

當(dāng)平均施工流速較大時(shí),施工操作人員一般會(huì)提高泥漿濃度來消耗多余的壓頭。泥漿濃度的增加,使得土顆粒間相互作用的程度加大,也使得水流支持土顆粒懸浮的能量加大,一旦管路的所需總揚(yáng)程小于泥泵機(jī)組產(chǎn)生的有效揚(yáng)程時(shí),施工流速就會(huì)下降。管道中泥漿的紊流狀態(tài)也會(huì)因流速的下降而減弱,一旦低于輸送該種土質(zhì)條件下的臨界流速,管路內(nèi)高濃度的泥漿就會(huì)逐漸沉積,造成管道輸送阻力的上升而引起堵管現(xiàn)象。

對此在進(jìn)一步認(rèn)清工程區(qū)疏浚土特性基礎(chǔ)上,合理改進(jìn)施工操作方法,控制泥漿與清水轉(zhuǎn)換時(shí)的施工步驟,有效避免了堵管現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 管線鋪設(shè)

H1.1標(biāo)段水下排泥管線鋪設(shè)難度大。在土質(zhì)輸送困難且長排距工況條件下,為減小管線阻力,要求管線盡量順直。為確保管線鋪設(shè)質(zhì)量,施工中對水下排泥管線的鋪設(shè)投入很大的時(shí)間和精力。由表1統(tǒng)計(jì)可以看出,管線布設(shè)施工時(shí)間占總時(shí)間的比例達(dá)到13.3%,即平均每天有3.2 h都消耗在管線施工上。管線施工特別是水下排泥管線鋪設(shè)的施工難度主要有以下幾方面:

1)海況及氣象條件影響。施工區(qū)域?yàn)殚_敞區(qū)域,受風(fēng)、浪、流影響大,沉管鋪設(shè)過程中易產(chǎn)生管線漂移,形成多個(gè)折彎;

2)管線延伸頻繁。由于施工區(qū)域狹長,不長的相隔時(shí)間內(nèi)就要延伸水下排泥管線,而延伸的水下排泥管線往往由于管內(nèi)空氣不能完全排盡,合泵后先前已沉好的水下排泥管線又重新浮起,產(chǎn)生二次漂移現(xiàn)象;

3) 水下排泥管線在鋪設(shè)過程中要避開拋泥坑、圍堤、抓斗施工區(qū)等障礙,從而產(chǎn)生多個(gè)轉(zhuǎn)向點(diǎn)。在有風(fēng)、浪、流影響的條件下,多轉(zhuǎn)向點(diǎn)的鋪設(shè)和定位控制技術(shù)難度也較大。

由于上述原因,使得水下排泥管線產(chǎn)生多個(gè)折拗點(diǎn)。同時(shí),因水下排泥管線的二次浮起,在水陸管架頭附近的水下排泥管線也易產(chǎn)生堆積現(xiàn)象,需安排錨艇將其拉順或裁短重接。

在施工過程中,折拗點(diǎn)的橡膠軟管的磨損要遠(yuǎn)大于順直管線中橡膠管的磨損,致使水下排泥管線經(jīng)常發(fā)生泄漏,管線一旦發(fā)生泄漏,必須及時(shí)修復(fù)。由于水下排泥管線長,為了節(jié)約管線施工時(shí)間,一般不將水下排泥管線全部起浮,而是從中間接近漏點(diǎn)處將水下排泥管線吊起,更換破損的橡膠管,修復(fù)后的水下排泥管線再次下沉后會(huì)形成新的折拗點(diǎn)。

H1.1標(biāo)的水下排泥管線長,主要原因是從1號(hào)泥塘向東的圍堤上不允許鋪設(shè)岸管,使水下排泥管線長了約2 000 m左右,在此種工況條件下,水下排泥管線應(yīng)盡可能短,這對提高船舶施工時(shí)間利用率是有積極意義的。

4 結(jié)語

連云港港30萬噸級航道先導(dǎo)試挖工程疏浚工程的施工實(shí)踐表明,夾含鈣質(zhì)結(jié)核物的黏性土質(zhì)具有特有的管道水力輸送特性,為避免易發(fā)的堵管現(xiàn)象,可采用的有效工程技術(shù)措施有:

1)采用高濃度泥漿管道輸送時(shí),應(yīng)充分重視疏浚土質(zhì)的差異,根據(jù)不同土質(zhì)的輸送特性合理確定和控制有關(guān)施工參數(shù);

2)鈣質(zhì)結(jié)核物與硬塑黏土在管道輸送過程中易產(chǎn)生堵管,將輸送流速提高至4.8 m/s、濃度控制在20%以下可解決堵管問題;

3)鈣質(zhì)結(jié)核物與硬塑黏土產(chǎn)生堵管后,采用反向倒打清水的疏通方式較好;

4)對于管線鋪設(shè)難度大,施工時(shí)間長但又易磨損泄露的問題,需在總結(jié)成功現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探索采用新型管線材料和水下排泥管線鋪設(shè)工藝。

[1] 連云港港30萬噸級航道一期工程(H1.1標(biāo)段)巖土工程勘察報(bào)告[R].南京:江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)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]新海豚輪連云港港30萬噸級航道先導(dǎo)試挖工程疏浚工程H1.1標(biāo)段生產(chǎn)效率調(diào)研測試報(bào)告[R].上海:中交上海航道局有限公司東方疏浚工程分公司,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] 疏浚技術(shù)培訓(xùn)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.

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