绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法适用范围

《绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法》适用于绞刀功率1500千瓦以上的大型绞吸船开挖抗压强度在40千克/立方厘米以下的珊瑚礁灰岩、风化岩土质的疏浚与吹填工程。

绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法工艺原理

《绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法》的工艺原理叙述如下：

绞吸挖泥船主要依靠绞刀头旋转，带动绞刀齿撞击来破碎珊蝴礁的，由于珊瑚礁特有的物理特性和地质结构，其强度大、韧性高、绞刀挖掘时强大的反力容易导致刀齿受力不均造成一定的损坏，根据绞刀头旋转切岩和绞刀头平移方向相互关系，分为正刀切削与反刀切削两种，其受力情况见图1、图2。

从图中不难看出，绞刀正刀向下切削时，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，这意味着绞刀的挖掘力变小；土质坚硬又会使绞刀齿切入困难，并对桥梁产生支起的效果，绞刀臂、刀齿、齿座受力会相当大；这时绞刀横移速度与转速不匹配比率使船舶产生振幅较大的跳动和瞬时加速，致使绞刀齿、齿座的受力突变断损及"滚刀"情况的发生。

当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。由干绞刀在难体内侧向上切削。难体上方无约束，在绞刀挖掘力的作用下较容易破碎；而且绞刀齿、齿座的受力均匀且大大小于正刀挖掘；另外绞刀掘进礁体后被前部礁体约束着平稳运行，不会出现"滚刀"现象。

另外，绞刀正刀向下切削时，绞刀切削下的礁体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。

当绞刀反刀向上切削时，礁体被绞刀向上方切离、破碎，礁体大部分被挤压进刀腔内由泥泵吸走，同时亦有部分被抛离到绞刀前上方（与挖掘向一致），但随着绞刀挖掘前移，礁体会被再次吸挖进刀腔内；施工的残留层较少，容易保证施工质量，这就是反刀挖掘比正刀挖掘遗漏少的原因。

由此可见，在同样的边界条件下，与正刀挖岩相比。反刀挖岩时每个刀齿受外力小，刀臂、刀齿、齿座受力均匀，受力变化的幅度小，绞刀断齿、断座数量少，而吸入浓度高，生产率高，且反刀时不会出现"滚刀"现象。也正因此，在开挖坚硬的岩石时，由于船舶横移速度低，与其将约一半时间花费在生产率低、易断齿、易"滚刀"的正刀开挖上。还不如用少量时间用干正刀快速回摆。而大部分时间用于反刀开按上。其优点在干不会出现"滚刀"现象。目反刀挖岩生产率高，根据公司挖岩数据

统计表明∶正刀空摆、反刀挖岩要比正、反刀都挖岩时的生产率高。

此外，在挖岩时，将泥泵叶轮由5片叶轮改为3片叶轮，增大了泥泵可通过的块石粒径，增强了大块的珊蝴礁输送能力，可提高船舶生产效率。而在绞刀吸口处加装防石环，又可避免过大的块石进入管道和泥泵，造成堵泵和堵管。

珊瑚礁块石菱角突出且较为锋利，对吸排泥管系磨损较为严重，为延长管线的使用寿命，应采用加厚钢管及加筋胶皮套。条件许可的情况下，可采用球形接头代替胶皮套。

采用白钢焊条加白钢耐磨防护层对各挖（排）泥机具进行防护。船舶吸排泥管系需进行内覆板处理，特别是弯管易磨耗位置，须进行内外覆板，覆板接缝处采用白钢焊条堆焊，可以增强管系的抗磨耗能力，延长管系使用寿命，减少管线安拆次数。

绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法施工工艺

• 工艺流程

《绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法》的工艺流程图如图3。

• 操作方法

《绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法》的操作要点如下：

利用船舶主桩为定位桩，船舶副桩为步进桩，采用定吸、步进横挖交替进行施工。施工中根据开挖泥层厚度，进行分层施工，在一个开挖断面上控制绞刀逐次下放分层开挖至设计深度。

1.分条施工

分条宽度宜等于钢桩中心到绞刀头水平投影的长度，硬土质分条可窄一些，以保证绞刀、锚、缆受力处于较佳的几何状态。

2.分层施工

根据土质类型、船舶绞刀功率及直径等因素进行分层施工。由于开挖的珊蝴礁灰岩厚度大，且坚硬有韧性，采用1500千瓦功率的绞刀挖掘须分层厚度宜控制在0.2~0.7米，其中，上层分层较厚，最后一层应薄一些，并适当放慢横移速度，使泥土能吸干净，以保证工程质量。

3.采取"正刀空摆，反刀挖岩"的施工工艺

灰岩对绞刀强大的反作用力造成绞刀齿、座的损毁还是相当严重的。因此，宜采用"正刀空摆反刀挖掘"的施工工艺对珊蝴礁灰岩分层进行开挖，其操作流程如下∶

利用横移锚拉力将绞刀摆至右挖泥边线→下放绞刀（切泥厚度为2/3绞刀长度）→左横移挖泥（横移速度8～10米/秒为宜，横移电流不超负荷）→至左挖泥边线，停止横移（绞刀在原位稍作停留，以充分吸泥）→起绞刀桥梁（起桥高度以不扛桥梁为标准）→快速向右空摆，到位后，下放绞刀进行下一刀施工作业。如此循环，逐渐开挖至分层深度→进步（进步距离为1/2绞刀长度）→进行下一断面施工。上层施工完毕后，退船进行下层施工，循环作业。

其挖岩轨迹如图4。

• 操作要点

"正刀空摆反刀挖掘"的施工工艺是成功开挖珊蝴礁灰岩的核心工艺，其关键口诀如下；开挖上层及岸坡；正刀空摆，反刀挖岩。开挖中、下层；正反刀结合挖岩，正刀小切厚，反刀大切厚；"进2退3"拾遗，反刀收底。具体操作要点如下∶

1.在施工中尽量加大步进和吃刀量，吃刀厚度应大于半个绞刀，以增加工作刀片，使更多的刀片联合作战，避免单齿受力，以将刀齿损耗降到最低。当绞刀齿座损毁约1/3须更换绞刀，根据绞刀齿、座损毁情况进行改进（改变切削角）和加固。操着顺序见图5。

2.横移锚串联（一大一小），表层珊瑚礁坚硬，横移锚难以入土，抓着力不够，一大一小横移锚串联增大横移抓着力。

3.在保证设备安全的情况下，驾驶员要精心操作，注意绞刀转速与横移速度的匹配，尽量以稳定的绞刀电流，较高绞刀转速、匹配的横移速度、稳定的浓度进行施工作业。

4.挖掘水面以上避免水下泵吸口吸空气现象。

5.在礁质变化层，在设备允许的条件之下，可适量加大切层厚度与横移速度，并适时采用正反刀都挖掘工艺来提高生产率。

6.开挖厚岩面时局部可能发生塌方现象，为防止绞刀"扛脖子"，分层施工时，根据实际情况，以台车行程为依据，采取进2退3的"拉抽屉"式施工方法。

7.最后收底，切层厚度要小，以便使能够吸净。在施工的过程中要灵活掌握，合理运用。

《绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法》所用的材料及设备明细如下：

• 材料

1.燃、润油：船用轻、重柴油及润滑油。

2.挖泥机具备配件及耗材。主要包括绞刀（含齿座、刀齿）和泥泵，为保证珊瑚礁开挖的适应性，质量上乘为佳。建议使用美国ESCO公司或日本三菱重工生产的54D绞刀及配件。为保证珊瑚礁岩的输送，建议采用大流道泥泵或三片叶轮施工。

3.管线及工程机械耗材。主要包括管线、胶皮套（或球形接头）及浮筒。材质为16MN材料的钢管对珊瑚礁岩的适应性较好。

• 机具设备

1.挖泥船

实施该工法施工的主船为大型绞吸式挖泥船。在苏丹港达玛疏浚吹填工程、苏丹港绿地疏浚吹填工程、苏丹港新集装箱泊位疏浚工程进行开挖珊蝴礁的挖泥船为公司的津航浚215绞吸式挖泥船，见图6，基本性能见表1。

2.辅助船舶

配备施工主船的辅助船舶为一艘专业锚艇，它的主要功能是辅助施工主船移锚、移船、调整水上浮筒管线等。与津航浚215配套的辅助船舶津航艇22如图7。

3.工程机械

配备装载机、挖掘机、推土机各1台，它们的主要功能是管线运送、接卡、吹填区整平等。

《绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法》的工法特点是：

1.此工法装配专门挖岩绞刀头和挖岩尖齿，并通过绞刀齿、齿座的改进，较大地增强了其挖掘性能；有效地保护挖掘机具，减少绞刀齿座和刀齿的损耗，节约成本，提高效益。

2.针对开挖珊瑚礁，提出并验证了“正刀空摆、反刀挖岩”关键施工工艺，解决了1500千瓦功率的绞刀挖掘、破碎珊蝴礁灰岩的难题。使开挖珊蝴礁生产效率有较大提高，同时施工的残留层较少，有利于保证施工质量。

3.对排泥管进行了改造，增加耐磨层厚度，提高了抗磨性能。

4.设计使用了三叶轮泥泵，明显减少了堵泵时间，提高了吸、输能力和泥泵生产效率。

5.绞刀加装防石环，可避免过大的块石进入管道和泥泵，造成堵泵和堵管。

珊瑚礁是以造礁珊瑚为主体，与石灰质藻类、贝壳等胶结堆积而形成的有孔隙的钙质礁岩体，在世界上分布较为广泛。随着经济的发展，海运物流急速增加，世界各国都在增大基建投入，特别是扩大港口规模建设。由于很多港口都拟建在珊瑚礁海岸带上，珊瑚礁作为一种特殊的疏浚物质，给疏浚行业带来新的机遇和挑战。中交天津航道局有限公司和中国港湾工程有限责任公司自2000年以来，实施了多项珊瑚礁开挖工程，取得了大型绞吸船开挖珊瑚礁的实践经验，经总结、完善、创新形成了成熟的开挖珊瑚礁灰岩施工工法。

《绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法》的质量控制要求如下：

• 质量执行标准

1.《疏浚工程技术规范》JTJ 319-99；

2.《疏浚工程质量检验标准》JTJ 324-2006；

3.《水运工程测量规范》JTJ 203-2001。

• 质量控制措施

1.严格按照工程施工质量管理体系要求，开展各项质量管理工作，确保施工全过程得到有效控制。

2.制定质量工作计划，分析影响质量的因素，找寻对策。

3.针对质量管理开展工作，通过PDCA循环不断解决、改进质量难题。

4.向施工船作详细技术交底，明确质量控制内容，严格执行操作规程。

• 控制超深措施

1.工前疏浚主管会同挖泥船船长对挖泥绞刀下放深度指示器进行校核，误差控制在正负0.1米以内。

2.码头基槽断面不得超挖，港池、航道断面控制在允许值内。

3.严格执行检测制度，掌握自检与专检的误差规律，总结分析不同土质造成的残留程度，及时调整绞刀的下放深度。

• 控制超宽措施

1.应用先进的DGPS定位系统指导施工，配备计算机辅助决策系统，实时跟踪挖泥绞刀所处的平面位置。

2.施工技术人员根据开挖土质情况、设计坡比及挖泥机具特性等，设计岀正确合理的开挖蝶止线码头根部安全距离严禁超挖。

3.施工船驾驶人员应根据DGPS指示的绞刀位置、设计开挖终止线、土质塌坡情况等确定绞刀到线后的回摆时机，防止超挖和欠挖。

4.加强检测，根据检测数据修正设计挖泥终止线及操作工艺后进行正确的挖泥控制操作，将平均超宽值严格控制在规范、标准规定值以内。

《绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法》的效益分析是：

在苏丹港绿地疏浚吹填工程、苏丹港新集装箱泊位疏浚工程、苏丹港达玛成品油码头疏浚工程等使用了“绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法”，采用“正刀空摆，反刀挖岩”施工工艺，解决了正刀挖岩时滚刀问题，有效地保护了绞刀齿和齿坐，提高了产量，取得了很好的经济效益。

在苏丹港开挖珊瑚礁灰岩施工过程中对正、反刀施工进行跟踪，采集、分析、比较各运转参数。绞刀转速24转每分，舱内泵机转速500转每分，水下泵开3档，前移距1.5米。正刀开挖层厚0.7米，横移速度10米/分钟左右，吸入浓度平均仅为0.5%-3%左右，而且齿座、刀齿损耗严重，时有“滚刀”现象发生。反刀开挖1.2米层厚时，横移速度7~12米/分钟，吸入浓度平均为3%-6%，而且齿座、刀齿的消耗量较正刀少，没有滚刀现象发生。正反刀的生产效率计算过程如下：

“正刀空摆、反刀挖泥”施工时的生产率822.7立方米/小时；考虑倒桩、吹水及开挖上层等因素影响的时间，这些时间约占35%，综合生产率为822.7x65%=534.8立方米/小时。

“正反刀全部挖泥”施工时的生产率734.4立方米/小时，考虑到桩等其他时间约为35%，综合生产率为477.3立方米/小时。

根据现场数据统计计算，一般情况下，正刀空摆、反刀挖岩要比正、反刀都挖岩时的生产率高出12%。

另外，从环保角度分析，这种岩石按2009年前的施工经验，是不能开挖的，需要爆破施工，爆破施工将造成极大的生态破坏。从经济角度分析，中国之外爆破、疏浚此类工程平均单价约35美元/立方米，则该工程每立方米节省约30美元，按在苏丹港挖岩300万立方米计算，节省费用9000万美元。

注：施工费用以2009-2010年施工材料价格计算

采用《绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法》施工时，除应执行国家、地方的各项安全施工的规定外，尚应遵守注意下列事项：

一、安全工作方针

坚持“安全第一，预防为主”的方针，认真贯彻执行《安全生产法》，执行当地有关安全生产规定。

二、安全工作目标

重大、大责任事故，船舶、车辆交通事故，职工重、轻伤事故零起。

三、建立健全安全组织机构和安全管理体系，设立专职安全员

四、安全工作制度

1.坚持“五同时”制度：每个人在计划、布置、检查、总结、考核生产的同时，计划、布置、检査、总结、考核安全工作。

2.在安全管理上实行“四全”管理制度：对安全工作实行全员、全过程、全方位、全天候管理。

3.坚持“四不放过”原则：事故原因未查清不放过，事故责任者未受到处罚不放过，群众未接受教育不放过，防范措施未落实不放过。

4.执行安全生产责任制：明确安全生产责任人，把安全生产的指标落实到工地各个单位、各个岗位和每个人。贯彻“谁负责生产、谁负责安全”的原则。

5.执行安全例会和安全检查制度：经理部每月召开一次安全例会（可与生产调度会合并召开），总结工地安全工作情况，排查事故隐患，制定整改措施。由经理部兼职安全员牵头负责按有关规定定期开展安全检查。

6.认真贯彻执行岗位安全操作规程和安全规定，严禁违章指挥和违章操作。

五、安全工作措施

1.施工避让措施

在工程开工前要求业主以及当地港口、海事等部门共同制定船舶避让方案，避让各方必须严格执行，定期联络解决避让中存在的问题。

2.制定各项应急预案

制定火灾、触电、职工疾病、船舶进水、船舶机损、溢油等应急预案。

3.危险源因素辩识与方案管理

为了加强安全工作管理，根据公司危险源因素清单进行辩识，形成重大危险源因素清单，并结合工程当地情况进行补充，根据重大危险源因素清单制定管理方案加强安全工作。

《绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法》的应用实例如下：

• 实例1：苏丹港绿地疏浚吹填工程

绿地工程计划工期：2000年11月6日-2001年7月21日，实际2000年11月11日-2001年4月30日竣工，比计划工期提前工期82天，设计工程量：107.0568万立方米，实际完成工程量：106.0182万立方米，实现经济效益约62万美元。在苏丹绿地疏浚吹填工程施工中，应用“正刀空摆，反刀挖掘”施工工艺成功的挖掘了珊蝴礁灰岩，使工程得以顺利实施和竣工。

• 实例2：苏丹港“达玛”成品油码头疏浚工程

达玛成品油工程：设计疏浚工程量：78万立方米；竣工工程量79.86万立方米。按2001年6月1日“达玛”工程开工计算，实际2001年10月24日竣工，比计划工期2002年1月15提前工期38天，实现利润66万美元。

• 实例3：苏丹港新集装箱泊位疏浚工程

苏丹港新集装箱泊位疏浚工程，2007年2月1开工，2007年8月26日竣工；设计挖岩工程量109万立方米，实际完成工程量116万立方米，新集装箱工程应用该工法施工，使工程提前21天完工，实现经济效益约70万美元。

《绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法》的环保措施如下：

• 环境保护方针和目标

1.方针

坚决贯彻“科学管理、防止污染、严格控制、保护环境”的方针，积极接受当地有关环保部门的指导、监督和检查，把环境保护工作做好。

2.目标

海洋环境污染事故为零，人身伤害事故为零。

• 环境保护措施

1.严格遵守《海洋保护法》，严格执行国际有关组织及工程所在地关于海洋环境保护的各项规定。

2.督促施工船编制环保实施细则和操作规程，制定环保预警和应急救援预案，并指定专人负责环保工作的实施。

3.工程所有船舶均须采取有效措施，集中油污、污水并妥善处理，严防油污、污水泄漏到施工水域中。加装燃、润油时做好全过程管理，做好溢油事故的应急处理方案。

4.在施工水域和生活区的垃圾，放置到专用垃圾袋箱内，联系当地环保部门妥善处理。

5.积极配合当地海洋环保部门的工作，做好当地海洋环保部门要求的其他工作。

• 环境因素辩识与管理方案

为了加强环境保护与管理，应对环境因素清单进行辩识，形成项目经理部和船舶的重要环境因素清单，结合工程当地情况进行补充，根据重大环境因素清单制定管理方案，加强环境保护工作。

2011年9月，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2009-2010年度国家级工法的通知》建质[2011]154号，《绞吸船开挖珊瑚礁灰岩施工工法》被评定为2009-2010年度国家二级工法。 2100433B

荣誉表彰

2008年01月31日，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2005-2006年度国家级工法的通知》建质[2008]22号，《“一明两暗”盆式开挖施工工法》被评定为2005-2006年度国家一级工法。 2100433B