抓斗挖泥船开挖强风化岩可行性探讨

1重型抓斗挖泥船开挖强风化岩可行性探讨江建明(长江重庆航道工程局，重庆400010)摘要：抓斗式挖泥船在进行港池、航道等的风化岩石开挖方面有其独特的优势。本文结合工程实际，多角度地介绍了重型抓斗挖泥船开挖强风化岩的施工工艺、技术措施、质量控制等，对其直接开挖强风化岩的可行性进行了探讨。关键词：抓斗；挖泥船；强风化岩；可行性TheFeasibleResearchofExcavatingBadlyWeatheringRockbyHeavy-dutyGrabBucketDredgerJIANGJian-ming(ChangjiangChongqingWaterwayEngineeringBureau)Abstract:Thegrabbucketdredgerhasitsuniqueadvantagesofexcavatingweatheredrockinharbourbasinandchanneletc.Thispaperintroducestheconstructiontechnology,technicalmeasuresandqualitycontroloftheheavy-dutygrabdredgerexcavatingbadlyweatheredrock,andinvestigatesthefeasibilityofdirectlyexcavatingbadlyweatheredrock.Keywords:grabbucket；dredger；badlyweatheringrock；feasibility引言随着水工建筑物大型化和深水化的发展，超深度的港池航道挖泥和超大型重力式码头的基槽开挖工程逐渐增多，硬质粘土及风化岩石类开挖越来越普遍，各施工单位为了适应工程需要，近几年增置了多艘18m3以上的重型抓斗式挖泥船。本文以目前国内最大的50m3抓斗式挖泥船为施工技术装备，以港池强风化岩的开挖工程为施工背景，结合本人施工和管理经验，对重型抓斗式挖泥船开挖强风2化岩的可行性作一些探讨。1抓斗挖泥船的基本原理及适用范围1.1抓斗挖泥船基本原理及作业流程抓斗挖泥船属机械式挖泥船，在它的船体上安装有一台进行水下泥沙挖掘和抓取的旋转式吊机。运用悬吊在吊机钢缆上的抓斗，并依靠其自身的重力作用，张开抓斗放入水中一定深度，通过斗齿切入泥层和闭合抓斗，来挖掘和抓取泥沙。然后，通过操纵船上的旋转式起重吊机，将装满泥沙的抓斗提升出水面一定高度，回旋至靠泊在挖泥船舷旁的泥驳上方，开启抓斗，将挖掘的泥沙直接卸入泥驳。卸空后的抓斗，再通过旋转式吊机的回转，返回至挖泥处，进行下一轮的挖泥作业，如此周而复始地循环作业。其具体的作业流程为：平面定位→下斗深度确定→下斗开挖→提升旋转→装驳→挖深符合要求后→移船到下一位置开挖。2.2抓斗挖泥船适用范围及优缺点抓斗挖泥船适用范围较广，基本不受水深限制，只要挖槽能满足施工吃水便可以施工。一般适用于开挖基槽、基坑、码头泊位区，开挖坝体，陆地开河等施工区。其优点是很容易增加挖泥深度，只要将抓斗钢缆放长，就能使抓斗在较深地方挖取泥土。抓斗挖泥船施工时占用水域较小，对于狭窄、水浅的施工区域是其他类型挖泥船所不能胜任的，并且不受杂物及块石的影响。其缺点是施工程序为非连续性挖泥，没有固定的挖迹，容易造成平整度差，产生浅点和超深，质量控制较其他类型挖泥船困难。和大方量开挖的绞吸式挖泥船和耙吸式挖泥船不同的是，虽然抓斗式挖泥船开挖方量小，但是由于自身属机械式挖泥船的特点，在狭窄水域开挖基槽、基坑等以及在开挖较硬的粘土及岩石的时候能够充分发挥其优势，在目前内河航道整治、沿海港口疏浚及清碴施工中是一种不可替代的施工设备，仍有较大的市场空间。250m3抓斗挖泥船及依托工程简介2.150m3抓斗挖泥船简介目前国内最大的抓斗挖泥船“长鹰50”，船长67m，船宽27m，型深5m，空船吃水2.5m，满载吃水2.7m，满载排水量5100t，空船排水量3800t，最大挖深60m。“长鹰50”主要疏浚性能及参数如下表一和表二：抓机性能参数统计表表一3参数名参数值参数名参数值参数名参数值最大提升能力200吨下放速度70m/min最大作业半径24m提升速度60m/min旋回速度1.0rPm主机功率4800Ps配置的抓斗参数统计表表二抓斗类型斗重G斗容V重容比C开口值适用土质特重型斗140吨14m3107.8m×3.1m强风化岩、中风化岩重型斗120吨37m33.19.4m×3.2m硬质粘土、强风化岩轻型斗110吨50m32.29.94m×3.9m淤泥、软粘土、沙2.2依托工程简介防城港钢铁项目港池及泊位开挖工程，其土质上层为覆盖层砂、粘土及全风化岩等，下层为强风化岩及中风化岩，其中强风化岩工程量约470万方。施工区强风化泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，虽其标贯击数N≥50，但其原岩结构也已大部分破坏，矿物颗粒间粘结力差，岩芯大多呈土柱状、散状体，部分呈碎块状，用锹或镐可挖掘，故其疏浚岩土类别尚到不了15级稍强岩石类，仍应属于14级弱岩石类。设计对强风化岩的可开挖性评价为：“可选用挖掘能力较强的挖泥设备，另由于施工区岩体多以交互相产出、岩体风化不均，部分强风化岩中局部会存在强度较高的中风化岩块或硬夹层，影响疏浚速度对疏浚形成障碍，为提高疏浚效率或可正常进行，可对局部强度较高的中风化岩或硬夹层、以及下部强风化岩层采用松动爆破方式进行开挖”。本工程强风化岩量大，若采用爆破后清碴的施工方法，一是炸礁量及清碴工作量大，占用时间较多，确保施工质量投入较大；二是炸礁成本较高，安全隐患较大。在对本工程的强风化岩特性以及重型抓斗挖泥船开挖特性进行仔细分析后，我们考虑采用重型抓斗挖泥船“长鹰50”直接对强风化岩进行开挖。3抓斗挖泥船开挖强风化岩的具体实施3.1施工准备工作由于在此之前长鹰50没行进行过类似强风化岩的开挖，对其开挖强风化岩的能力不能确定。为了保证开挖能够顺利进行，我们根据施工区地质资料，在强风化岩比较集中、施工干扰较小的地段划分出一块区域作为试验开挖区域，以摸4索长鹰50开挖强风化岩的能力。开挖强风化岩前，先采用其它船舶清除其表面的覆盖层，然后进行开挖前测图，作好技术交底，向作业人员交代开挖过程中的注意事项。试挖主要目的是初步检验长鹰50开挖强风化岩的可行性，确定开挖强风化岩过程中的一些技术参数，为正式施工作好施工准备。3.2平面位置控制1、船舶定位方式采用信标双GPS卫星导航定位系统，既可以对船舶进行精确的定位，也可以对船舶进行精确的定向。在施工导航软件方面，使用目前疏浚行业较为成熟的中海达测量软件，该软件主要面向国内水下地形测量和沿海疏浚施工船舶开发，操作简单，定位直观，易于接受。在施工前进行好施工任务设置，把施工区的水深图导入软件中，并根据现场情况作好分区分段开挖，操作人员通过电子导航图，能够及时了解施工区域开挖情况，实时调整船位，直观准确。2、移船根据设置好的施工任务，将船舶移到指定开挖区域。长鹰50采用钢桩定位，该船配有两根定位钢桩和一根行走钢桩，每根钢桩总长41m，长度34m，最大可以使用钢桩的开挖深度25m。定位桩设置在船体中部两侧，行走桩设置在船体尾部中间，一次行程可达12米。该装置可以保证船舶在水深在25m以内的水域进行作业面移动而不需要辅助拖轮和锚艇，比使用锚缆定位更加灵活、方便。船艏还配备了450kw侧推装置，可以灵活地调整船艏的方向，达到准确定位的目的。相比于锚缆定位，开工展布和收工集合快，占用水域小，但开挖水深受限制，移船进关的速度较慢，受风浪影响较大。3、开挖过程中的平面位置控制为确保开挖强风化岩的顺利进行，在工艺控制方面，我们要对分条宽度、前移距及下斗间距等几个平面位置控制参数进行了初步确定。分条宽度的确定：分条宽度应满足挖泥船和泥驳停靠所需的水域要求，同时要考虑泥驳靠驳后的影响，开挖过程中受风浪影响等船位的小幅变化，分条宽度要等于或小于船宽。在实际施工中，为保证条与条之间的搭接，一般要小于船舶的宽度。根据长鹰50船舶宽度，将分条宽度设置为25米。5前移距的确定：抓斗挖泥船前移距要根据土质、泥层厚度以及抓斗开口宽度确定，前移距过大时会留有“埂子”，出现漏挖现象；过小时容易出现纵向“倒斗”现象，导致深的地方挖掘更深。考虑开挖强风化岩，土质较硬，使用37方抓斗，为保证纵向搭接的质量，将前移路确定为9米。下斗间距的确定：抓斗下斗间距的确定主要是保证开挖过程中横向搭接的质量。在抓斗即将入水的时刻应使抓斗保持正向，每斗开挖搭接合理。下斗间距过小容易出现横向“倒斗”现象，过大容易出现“浅埂”而形成浅点。在实际开挖过程中，根据操作室的抓斗显示进行控制。3.3挖深控制1、水位控制在施工区附近设置潮位观测站，位置选在受潮流和涌浪影响较小的地方，安装自动潮位遥报仪，对潮位基准高程进行精确测量。在使用过程中，要定期对潮位站进行校测，保证能够随时向挖泥船提供正确的施工水位。2、确定分层开挖厚度，控制下斗深度抓斗挖泥船在施工时，要严格掌握水位变化，及时调整下斗深度，下斗深度通过操纵台深度指示仪来控制，也可在小排钢缆上做好标记来控制。为保证开挖质量，不至于出现浅堆或深坑，一定要确定好分层开挖厚度，我们在使用37方抓斗开挖时，根据强风化岩的特点，将分层开挖厚度确定为1.2-1.5m。3、开挖深度检测日常检测：操作室内的深度仪（或小排钢缆深度标记）和测深砣是日常施工检测开挖深度的常用方式。主要用来指导抓斗操作人员控制下斗深度，在开挖前进行零点校对，开挖过程中定期检查；而测深砣则主要运用于施工过程中的随时检测，但精度较低。定期检测：在开挖过程中，为了及时了解开挖质量，我们至少每半个月对开挖区域进行一次水深测量，测量结果成图，并将每次测图水深数据重新调入导航软件，替换以前的水深数据，指导施工。同时，对开挖区域测图进行比较、分析，如果质量控制较差，则及时调整开挖方法。3.4开挖实施效果1、根据试验区域开挖确认的一些参数和施工方法，我们利用长鹰50对施工6区内强风化岩进行了的大面积直接开挖，每月强风化岩产量可达10万方，开挖的强风化岩最大块石约达到5立方米。施工结果表明：重型抓斗挖泥船开挖强风化岩能力强，开挖效果好。长鹰50开挖的强风化岩图片如下：2、长鹰50属于超重型抓斗挖泥船，相比邻近区域的其他小型抓斗挖泥船，更适合于强风化岩的直接开挖，在实际施工中，通过合理的施工方法，甚至能够直接开挖部分中风化岩。4抓斗挖泥船开挖强风化岩的影响因素及对策4.1船机设备船机设备是否保持正常的运转状态，直接影响到开挖强风化的效率。不同于开挖粘土、沙等覆盖层，抓斗挖泥船在开挖强风化岩时，由于土质较硬，挖掘时抓斗受力较大，斗齿和斗口磨损较快，斗根容易折断；抓斗在闭合和提升时，钢缆磨损也特别严重。在平时施工过程中，操作人员要经常检查抓斗使用情况，每天定时向抓斗加注润滑油，加强日常保养。同时船上要驻有专门的修理人员，在抓斗损坏时能够随时对抓斗进行焊接修理。要加大对易损零配件及常用材料的合理库存力度，如斗齿、钢缆、氧气乙炔、焊条等。4.2自然条件主要指潮流和风浪的影响，开挖强风化岩时，由于底质较硬，船舶定位钢桩无法插入岩石中，在流速和风浪较大的时候，船舶可能移动，无法进行准确的平面位置控制。在开挖强风化岩时，尽可能避免在潮流和风浪较大时施工。4.3地质条件7由于施工区岩体多以交互相产出、岩体风化不均，部分强风化岩中局部会存在强度较高的中风化岩块或硬夹层，使得在开挖时难度加大。在开挖完一层强风化岩后，可以让其浸泡一周左右后再开挖下层，开挖效果会更好。4.4施工方法开挖过程中分条宽度、前移距及下斗间距等控制不好，将导致开挖不平整，土质深度差距较大，容易造成纵向或横向“倒斗”现象，使抓斗损坏严重，开挖质量较差。开挖过程中操作人员要严格控制好合理的搭接宽度，确定合理的分层厚度，严格分层开挖。结束语采用重型抓斗挖泥船开挖强风化岩，开挖可行性良好，比松动爆破成本低，效益好，适于目前大多数项目超深度开挖的发展趋势；开挖工序简单，比松动爆破安全，在疏浚行业中发展前景较好。参考文献：[1]JTJ