（水利工程专业论文）绞吸船挖岩工艺研究.pdf

中文摘要 随着疏浚技术的进步和发展，疏浚对人类社会作用越来越大。近年来疏浚建 设市场呈现出蓬勃发展的态势，对于疏浚施工企业来说，施工技术水平的高低和 现场管理的好坏已经成为直接关系到企业生存发展的重要课题。面临这些挑战， 加强对疏浚工程的现场管理，进行技术研究，对促进疏浚技术的进步和发展具有 重要作用。在大型疏浚工程方面，对于淤泥和沙质底床的疏浚，目前已经有比较 成熟的工艺，但对于礁、岩类底质，尚缺乏系统的研究。 论文在对疏浚基本原理和绞吸船施工设备进行简要介绍的基础上，结合现有 理论和大量疏浚工程施工实践对珊瑚礁、鹅卵石、风化岩等疏浚施工技术进行了 系统的理论分析、研究和归纳，总结出具体的挖岩施工工艺，为建立礁、岩类底 质合理的疏浚工艺流程奠定了基础。本文的具体研究内容和结论如下：为了说明 礁岩类疏浚施工的工艺，本文结合苏丹港开挖珊瑚礁工程，对疏浚施工影响因素 与控制措施进行探讨，解决了磨损等问题，并对单泵开挖珊瑚礁疏浚工艺进行了 理论计算和实际施工：结合秦皇岛港鹅卵石开挖工程，对短管线三泵串连工艺进 行了研究，给出了计算论证过程，提高了生产效率；论文最后还比较了国内外在 挖岩疏浚方面的差异，给出了进一步提高我国疏浚水平的建议。理论分析和实践 应用表明，利用绞吸船开挖风化岩、珊瑚礁、鹅卵石，具有生产效率高，可形成 连续生产能力，成本低廉等优点。 关键词：疏浚工程；绞吸式挖泥船；挖岩施工工艺；磨损；苏丹港；秦皇岛港 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s sa n dd e v e l o p m e n to fd r e d g i n gt e c h n o l o g y , t h ed r e d g i n gi s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt ot h es o c i e t y w h i l et h ed r e d g i n gm a r k e ti s b o o m i n gi nr e c e n ty e a r s ，t h ed r e d g i n gt e c h n i q u ea n df i e l dm a n a g e m e n th a v eb e c o m e v e r yi m p o r t a n tt o p i c sf o rt h es u r v i v a la n dd e v e l o p m e n to fd r e d g i n ge n t e r p r i s e s f a c i n gt h ea b o v ec h a l l e n g e s ，i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l et op r o m o t et h ep r o g r e s sa n d d e v e l o p m e n to fd r e d g i n gt e c h n o l o g yb ye n h a n c i n gt h e f i e l dm a n a g e m e n ta n d t e c h n i c a li n n o v a t i o n f o rl a r g ed r e d g i n gw o r k , t h e r ea r ec u r r e n t l ym a t u r e dp r o c e d u r e s f o rt h ed r e d g i n go fm u d d ya n ds a n d yb o t t o m ，b u tt h e r ea r ef e wr e s e a r c h e so nt h e d r e d g i n go f r o c ka n dc o r a lr e e f a f t e rt h eb r i e fi n t r o d u c t i o no ft h eb a s i cp r i n c i p l eo fd r e d g i n gw o r ka n dt h ec u t t e r s u c t i o nd r e d g e re q u i p m e n t s ，b a s e do nt h ed r e d g i n gt h e o r ya n dt h ee x p e r i e n c eo f d r e d g i n gw o r kp r a c t i c e ，t h es y s t e m a t i ca n a l y s i sa n d s u m m a r i z a t i o nf o rt h ed r e d g i n go f c o r a lr e e f , c o b b l e s t o n e ，w e a t h e r i n gr o c kw e r ec a r r i e do u ti nt h ep r e s e n tt h e s i s t h e s p e c i f i ct e c h n i c so fd r e d g i n gr o c ka r ep r e s e n t e d ，w h i c hb u i l d su pt h ef o u n d a t i o nf o r t h er e a s o n a b l ep r o c e d u r eo fr o c kd r e d g i n g t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w i n g ：f o rt h ec o r a lr e e fd r e d g i n gi np o r ts u d a n ，t h ed i f f e r e n ti n f l u e n c e sa n d c o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e a s u r e sw e r ee x p l o r e d , t h ea b r a s i o no fp i p e l i n ei sr e d u c e dt o s o m ed e g r e e ，a n dt h em e t h o do fd r e d g i n gt h ec o r a lr e e fb yu s i n gs i n g l ep u m pw a s c a r r i e do u t ；f o rt h ec o b b l e s t o n ed r e d g i n gi nq i n g h u a d a op o r t ，t h ed r e d g i n gm e t h o db y t h es h o r tp i p e l i n ew i t ht h r e ep u m p sc o n n e c t e di n s e r i e sw a sc a r r i e do u ta n dt h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yw a si m p r o v e d t h ec a l c u l a t i o np r o c e s si n d e t a i li sp r e s e n t e d t h ed i f f e r e n c e so fd r e d g i n gr o c kb e t w e e nt h ec o m p a n i e sa b r o a da n di nc h i n aa r e p r e s e n t e da n dt h es u g g e s t i o n sf o ri m p r o v i n gt h ed e v e l o p m e n to fd r e d g i n gi nc h i n a a r eg i v e n i ti ss h o w nt h a tt h ea p p l i c a t i o no fc u t t e rs u c t i o nd r e d g e ri nr o c k , c o r a lr e e f a n dc o b b l e s t o n ed r e d g i n gh a sa d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n ，c o n t i n o u s d r e d g i n ga n dc h e a pc o s t k e yw o r d s ：d r e d g i n gw o r k ，c u t t e rs u c t i o nd r e d g e r , t e c h n i c so fr o c kd r e d g i n g ， a b r a s i o n ，p o r ts u d a n ，q i n g h u a d a op o r t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：九彤年f 2 1 月名日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 丞鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：力彩年 导师签名： 枨何 签字日期：w 年，2 月7 日 第一章引言 1 1 课题研究的背景 第一章引言 随着疏浚技术的进步和发展，疏浚对人类社会进步、经济发展和环境保护的 作用越来越大，对人类可持续发展的影响也越来越明显。近年来疏浚建设市场呈 现出蓬勃发展的态势，越来越多的国内外施工企业开始关注这片市场，竞争也越 来越激烈。对于疏浚施工企业来说，施工技术水平的高低和现场管理的好坏已经 成为直接关系到企业生存发展的重要课题。 众所周知，疏浚包括港口航道加深或水深维护，为防洪疏通河道、湖泊、库 区，为环境改善清淤去污，为围海造地发展需要而吹填等方面。为适应社会与经 济日益发展的需要，疏浚设备的大型化、智能化、环保化趋势越来越明显。面临 这些挑战，加强对疏浚工程的现场管理，进行技术研究，对促进疏浚技术的进步 和发展具有非常有意义的作用。 在大型疏浚工程方面，对于淤泥和沙质底床的疏浚，目前已经有比较成熟的 工艺，但对于礁、岩类底质，尚缺乏系统的研究。为此，本文将在现有理论知识 和大量疏浚工程施工实践的基础上，对珊瑚礁、鹅卵石、风化岩等疏浚施工中的 工艺技术进行系统的研究和总结，为建立礁、岩类底质的合理疏浚工艺流程奠定 基础，为疏浚施工企业从事挖岩工程项目的管理和技术研究提供借鉴【l 】。 1 2 目前挖岩施工情况和发展趋势 在疏浚工程逐步繁荣的局面下，疏浚行业对于挖岩疏浚施工已经极为重视， 世界上大的疏浚公司都在技术上和设备上做了较为充分的准备。就礁岩疏浚而 言，目前所采用的主要疏浚设备为绞吸式挖泥船，一些大疏浚公司订购了新型绞 吸式挖泥船，例如比利时d r e d g i n gi n t e r n a t i o n a l ( d e m e ) 公司2 0 0 3 年1 2 月1 3 日在荷兰i h c 建造的一艘自航绞吸挖泥船，总装机功率将达2 8 5 0 0 k w ，成为世 界上较大的自航绞吸船之一，其基本技术指标如下：船长1 2 4 m ，船宽2 4m ，装机 功率2 8 5 0 0k w ，其中绞刀功率6 0 0 0k w ，挖深3 6 m 。该挖泥船安装了高压冲水， 提高了岩石疏浚的效率，新船还将配备一套装驳系统【2 1 。 j a n d en u l 公司建造了另一艘大型绞吸式挖泥船。这艘绞吸船( j f j d e n u l 号) 由荷兰i h c 建造，属于新一代的绞吸船，总长1 4 2 m ，宽2 7 8 m ，吃水6 m ， 航速1 2 节，总装机功率2 7 1 5 0 k w ，其中绞刀功率6 0 0 0 k w ，总泥泵功率1 5 8 0 0 k w ， 第一章引言 绞刀架重1 4 5 0 t ，便于开挖岩石，挖深从6 5 m 到3 5 m ，绞刀架装有2 套耳轴。可 开挖砂、黏土和岩石。疏浚土可直接通过管径l n l 的管线吹岸，也可以通过四艘 3 7 0 0 立方米的泥驳卸泥。它采用柴油一发电组的驱动方式，即柴油机驱动三台 发电机，供电至所有用电部位包括绞刀马达、泵马达，绞车马达等。 另外，新型绞刀也在挖岩实践中不断得到应用。d 4 0 型绞刀头已经在苏伊士 运河以南进行了第一次实地试验，它被安装到挖泥船a lk h a t t a b 和a ls e d i e k 上，对以前难以挖掘的“岩石 进行挖掘，d 4 0 使疏浚“硬点成为可能，而且 也更为经济了。美国e s c o 公司采用先进的计算机设计系统可根据不同的复杂土 质条件进行模拟、分析和设计各种绞刀【3 】。 除绞吸式挖泥船外，日本在抓斗式挖泥船挖岩方面取得了历史性突破，抓斗 斗容已达2 0 0 m 3 ，最大生产能力达6 0 0 0m 3 h 。 虽然利用绞吸式挖泥船进行挖岩的实践已有不少，但如何根据具体情况合理 设计挖岩工艺，目前还缺乏系统研究。因此，结合实际疏浚工程确定挖泥船挖岩 工艺成为本文研究的主要内容。 1 3 课题研究的主要内容 针对礁、岩类疏浚施工问题，本文将着重阐述和探讨以下问题： 1 为了对疏浚工程有系统的了解，本文第二章首先将对疏浚工程概念，特 别是各种疏浚工程设备进行简要介绍。 2 由于在礁、岩类施工中主要采用绞吸式挖泥船进行施工，因此，本文第 三章将重点对绞吸式挖泥船施工原理进行阐述。 3 为了说明礁岩类疏浚施工的工艺，本文第四章将结合苏丹港开挖珊瑚礁 工程，对疏浚施工影响因素与控制措施进行探讨。 4 本文第五章进一步结合苏丹港开挖珊瑚礁工程实际情况，对单泵开挖珊 瑚礁疏浚工艺进行了探讨。 5 本文第六章结合秦皇岛港鹅卵石开挖工程，对短管线三泵串连工艺进行 了研究。 6 第七章介绍了国外疏浚公司开挖岩石的经验。 7 最后给出了全文的结论和进一步研究的建议。 第二章疏浚工程的概念与挖泥设备简介 第二章疏浚工程的概念与挖泥设备简介 2 1 疏浚工程的概念 采用人力、水利或机械方法为拓宽、加深水域而进行的水下土石方开挖工程， 称为疏浚工程。疏浚工程由来已久，古代疏浚工程是靠人力使用简易的手工工具 进行的，后逐步为机械所替代，现代机械方式的疏浚通常使用挖泥船来实施。 疏浚工程的主要目的是挖深河流或海湾的浅段以提高航道通航或排洪能力， 开挖港池、进港航道等以兴建码头及港区。近百年来疏浚工程已进一步扩展到其 它基础施工领域，其中最主要是吹填造陆工程和环保疏浚工程。吹填就是将挖泥 船挖取的泥砂，通过排泥管线输送到指定地点进行填筑的作业，环保疏浚主要是 清除水底污染淤泥以改善水质。 由于现代疏浚工程主要通过挖泥设备实现，因此下面将着重对各种挖泥设备 进行介绍【4 j 。 2 2 挖泥设备的类型 挖泥船可分为机械式和水力式两大类。其中，机械式挖泥船主要用各种斗和 铲来挖取水下疏浚物并提取到水面，又可分为链斗式挖泥船、抓斗式挖泥船和 铲斗式挖泥船。水力式挖泥船主要是利用离心泵将水和疏缓物混合成的泥浆经管 道从疏缓现场输送到卸泥地点，水力式挖泥船可分为绞吸式挖泥船、耙吸式挖泥 船。由于水底土质不一、操作条件不同，机械式和水力式挖泥船有着各自不同的 用途。 2 3 机械式挖泥船 2 3 1 链斗式挖泥船 链斗式挖泥船是利用一连串带有挖斗的斗链，借上导轮的带动，在斗桥上连 续转动，使泥斗在水下挖泥并提升至水面以上，同进收放前、后、左、右所抛的 锚缆，使船体前移或左右摆动来进行挖泥工作。挖取的泥土，提升至斗塔顶部， 倒入泥阱，经溜泥槽卸入停靠在挖泥船旁的泥驳，然后用托轮将泥驳拖至卸泥地 区卸掉。链斗式挖泥船多为非自航式，即便能自航也专用于调迁和移泊，挖泥时 第二章疏浚工程的概念与挖泥设备简介 的作业方式为非自航船相同。 链斗式挖泥船对土质的适应能力较强，可挖掘除岩石以外的各种泥土，且挖 掘能力甚高，挖槽截面规则，误差较小，最适用港口码头泊位，水工建筑物等规 格要求较严的工程施工，因此有着一定的应用范围【5 1 。 2 3 2 抓斗式挖泥船 抓斗式挖泥船是利用旋转式挖泥机的吊杆及钢索来悬挂泥斗；在抓斗本身重 量的作用下，放入海底抓取泥土。然后开动斗索绞车，吊斗索即通过吊杆顶端的 滑轮，将抓斗关闭，升起，再转动挖泥机到预定点( 或泥驳) 将泥卸掉。挖泥机 又转回挖掘地点，进行挖泥，如此循环作业。 抓斗式挖泥船多为非自航，能自航的则带有泥舱，可以自载、自运、自卸； 有设置一台挖泥机的，也可设置两台或四台挖泥机，大都布置在船艏部或艏中部。 抓斗式挖泥船采用抛锚定位进行挖泥，依靠设在舟首、舟尾部的绞车，收放锚缆 使船体移动。 。 抓斗式挖泥船虽然生产连续性差，能力也较小，但由于挖深调节简便，抓斗 的形式与结构，又可根据不同土质选择配置，所以应用范围很广。尤其是在狭窄 的角域，码头岸壁施工或挖掘较大石块等障碍物，更有其独特之优点。抓斗式挖 泥船主要用于挖取粘土、淤泥、卵石、不宜抓取细砂、粉砂。 2 3 3 铲斗式挖泥船 铲斗式挖泥船是单斗挖泥船的一种，它可以集中全部功率在一个铲斗上，进 行特硬挖掘。它利用吊杆及斗柄将铲斗伸入水中，插入河底、海底进行挖掘，然 后由绞车牵引将铲斗连同斗柄，吊杆一起提升，吊出水面，至适当高度，由旋回 装置转至卸泥或泥驳上，拉开斗底将泥卸掉，再反转至挖泥地点。如此循环作业。 铲斗式挖泥船一般为非自航式。可以利用自身的铲斗和后桩，或是抛描来移动船 位。挖掘时，则将前桩压入水底，抬高船身( 约半米左右) ，以固定船体并抵抗 挖泥时所产生的后座力。 铲斗挖泥船适用于挖掘珊瑚礁、卵石、砾石、大小块石和粘土、粗砂及混合 物，而生产率不变。这是所有其它形式的挖泥船在使用相等功率条件下不能做到 的。它非常适于其它挖泥船所不能胜任的特殊挖掘任务。如打捞大型沉物及排除 水下障碍物；拆毁旧堤等。现代铲斗式挖泥船的斗容已达2 2 m 3 ，挖深为1 8 m 。 斗刃水平切削力1 2 0 t 。 第二章疏浚工程的概念与挖泥设备简介 2 4 水力式挖泥船 2 4 1 耙吸式挖泥船 耙吸式挖泥船属于水力式挖泥船一种。通过泥泵的真空与离心力作用，将耙 头挖掘的泥浆，经吸管进入泥泵排入自身泥舱后，自航至卸泥区卸掉或直接将泥 浆排至舷外，称为边抛式；有的还可以将装在舱内的泥浆通过泥泵再吸出与岸上 排泥管联接而吹填于陆地。 耙吸式挖泥船的特点是挖一装一运一卸都可自身完成，尤其适于航道的疏 浚，对其它船只的航行没有影响，不但能耙吸砂和淤泥，而且能耙吸硬粘土和碎 石；船的主、副机可自动控制，可以遥控、集中操纵；便于管理，并担负着挖泥、 运输的双重任务。 舱容量的数值大小表示了挖泥船的生产能力。泥舱容量越大，相应的泥泵， 泥泵主机功率也就越大。耙吸式挖泥船适用于具一定水深的水域，如果航道狭小 水浅，往往不能开展工作【6 】。 2 4 2 绞吸式挖泥船 绞吸式挖泥船是目前世界上应用最广泛的一种水力式挖泥船。它具备了其它 类型挖泥船的一些优点，能够将挖泥、运泥、卸泥等疏浚工艺一次完成，在施工 过程中能够连续作业。因此它是一种效率较高、成本较低的挖泥船，在疏浚业得 到广泛应用。 2 4 3 吸砂船 吸砂船现在正在逐步被推广应用，尤其是在深海取沙工程，以及松散的细砂 区域吸砂和吹填工程中，发挥了成本低廉，效率较高，适应于大规模的吹填施工。 该种船型与绞吸船的主要区别是：吸砂船没有绞刀，可以自航。 第三章绞吸式挖泥船施工原理 第三章绞吸式挖泥船施工原理 3 1 绞吸挖泥船简介 绞吸式挖泥船于1 8 8 0 年首次在英国得到使用，距今已有一百多年的历史， 是当今世界上数量最多的一种挖泥船。绞吸式挖泥船属于水力式挖泥船的一种类 型。它是利用装在绞刀架前端的绞刀，将水底泥土绞松后，形成混合泥浆，由吸 泥管自水底吸起，通过离心泥泵产生的真空和离心作用，再由排泥管排到陆地和 泥区而完成挖泥工作的。作业时，绞吸式挖泥船采用定位桩和锚缆定位来移动。 绞吸式挖泥船多为非自航式，其特点为挖运一卸可以一次完成，能连续不 断地进行工作。效率高、经济性能好，适用于除岩石以外的任何土质，是目前应 用最广泛的一种挖泥船，对于开河筑港、填土造陆、开挖码头、船坞、疏浚航道、 抽水抗旱、吹淤改良土壤及开挖渠道任务均能胜任【7 1 。 绞吸式挖泥船的第一个主要疏浚性能是生产量( m 3 h ) ： 生产量= 泥浆流量泥浆深度 ( 3 1 ) 其中，泥浆流量单位为m 3 h ，浓度一般为1 0 - 2 0 。从上式可以看出，要获得 高生产量，通过提高流量和浓度均可达到。 绞吸式挖泥船的第二个性能是挖深( m ) 。很明显挖深增大，浓度降低。如果 要求同样的生产量则需加大流量，这样就要将机械功率加大。 绞吸式挖泥船的第三个性能是排距( m ) ，也就是泥浆从船上接到卸泥区的距 离。显然，在其它条件全相同的情况下，排距越大则所需主机功率越大。 绞吸式挖泥船的重要工具是绞刀。 3 2 绞吸式挖泥船的工作原理 绞吸挖泥船的工作原理比较简单，主要是通过安装于桥梁前端的绞刀运动来 实现破土，连续运动的绞刀不断地将海( 河) 底泥( 沙、石等) 绞松，经绞刀绞 松的泥土，与水混合成泥浆，混合后的泥浆在大气压的作用下，被压入到绞刀后 部的吸泥管中，进入吸泥管的泥水混合物，经泥泵加压( 能) 后，经排泥管输送 到吹填区( 或指定的卸泥区) ，从而完成绞吸挖泥船从挖泥、运泥、卸泥等连续 作业的疏浚过程1 8 j 。 绞吸式挖泥船大多数都安装有钢桩( 钢桩台车) 或三缆定位装置( 也有的绞 第三章绞吸式挖泥船施工原理 吸挖泥船同时具有钢桩和三缆定位装置) ，配备钢桩的起落设备，用于完成挖泥 作业过程中对挖泥船的定位、船体的横移摆动以及纵向前移等。置于桥梁前部的 左右边锚和锚缆，用于控制挖泥过程中船舶的左右摆动( 横移) 。在施工中，通 常采用将定位桩置于挖槽中心线上，并以此作为挖泥船摆动中心来实现挖泥。控 制从挖槽中心线挖到左边线与挖到右边线的摆动角度相等，从而达到控制挖泥宽 度的目的。 绞吸式挖泥船在施工中的定位，现在普遍采用d g p s 来实现，以提高其平面 定位精度。 一般说来，绞吸挖泥船在挖掘过程中，以定位桩作为挖泥船的摆动中心，靠 桥梁的自重实现绞刀的入土，以绞刀桥梁起落钢缆控制绞刀的下放深度，在绞刀 马达转动的同时，利用左右摆动缆交替收放，实现绞刀左右摆动挖泥。当完成一 个步长的挖掘工作后，靠倒钢桩( 台车) 实现船舶进步( 前移) ，其前移距的大 小则根据挖掘土质而定【9 】。 所以，也可以说绞吸挖泥船是机械式挖泥船和水力式挖泥船的有机结合的产 物，采用机械实现破土，利用水力实现将疏浚弃土搬运到指定的地点或场所。 浆体在管道输送过程中，势必要克服管道内壁对浆体产生的摩擦力( 即管壁 切应力) 及浆体内部产生的摩擦阻力做功，产生水力坡度，使水头下降，从而产 生管路损失。由于输送的泥水混合物不均匀及管路的路由变化等诸多因素，造成 整个管路中各段的水力坡度为变量，且为输送介质、路由变化及浆体能量的函数。 如何正确描述泥水混合物在管路中的流态，是解决水力输送的关键问题，它是我 们如何提高管道输送能力的重要技术指标。因为在管道输送过程中，当泥泵传递 给介质的总能量大于浆体输移过程中的能量损失时，管道泥浆流就能持续；反之， 当泥泵传递给介质的总能量不足以抵消浆体产生的各项能量损失之和时，浆体就 以自行调整泥沙流速来保持新的平衡。一旦泥沙的流速小于其淤积流速时，泥沙 就会在管道内沉积，堵塞现象就会产生，这种现象在水力输送过程中是绝对应该 避免的。绞吸式挖泥船在施工过程中，在充分利用设备有效功率的条件下，必须 密切注意管路流态的变化。合理控制浆体的流速、浓度和管路排出压力，是提高 绞吸式挖泥船生产效率的关键【l 们。 3 3 绞吸式挖泥船的主要设备构成 绞吸式挖泥船主要由船体、桥梁( 桥架) 、绞刀、绞刀马达、泥泵、定位装 置( 钢桩或三缆) 、排泥管等构成。绞吸挖泥船构成如图3 2 所示。 第三章绞吸式挖泥船施工原理 3 4 绞刀 图3 2 绞吸挖泥船简图 绞刀是绞吸挖泥船的主要挖掘设备，安装于绞刀架的最前端，主要由轮毂、 大圈、刀臂和绞刀片( 齿) 等组成，通过轴与绞刀原动机相连接。在施工中，靠 原动机驱动其旋转来实现水下挖掘，被绞松或被切削下来的疏浚物与水混合后形 成浆体送入绞刀腔内，通过置于绞刀腔内的吸泥口进入泥泵。所以绞吸挖泥船的 施工作业首先是由绞刀来完成的。故此，绞吸挖泥船绞刀挖掘性能的好坏，将直 接影响船舶的生产效率和施工成本。 绞刀的类型按绞刀的基本结构形式来分，可分为开式、闭式、篮式、皇冠式、 齿式、斗轮式和刀轮式绞刀等多种，如图3 3 3 4 所示。其中开式绞刀早已不 在使用，故此，这里不再介绍【l l 】。 3 4 1 绞刀的分类 按挖掘的疏浚物来分，绞刀又可分为挖泥绞刀、挖砂绞刀、挖黏土绞刀和挖 岩绞刀等几种： 按绞刀切削刀片的结构形式来分，绞刀可分为刀片式( 也称平刃式) 、刀齿 式、斗轮式和刀轮式绞刀等几种。 目前，当今世界上具有代表性的绞刀设计、制造商有：美国的e l l i c o t t 、 e s c o ，荷兰的i h c ，德国的v o s t a 等，其中e s c o 和v o s t a 两家公司设有专门的 绞刀设计、研究机构。选择什么样的绞刀对绞吸挖泥船来说，在很大程度上取决 于所做的工程和船舶的挖掘能力，换句话说，是取决于所需要挖掘的土质和绞刀 第三章绞吸式挖泥船施工原理 图3 3 刀轮式绞刀 刀 功率。对于同一条船，在挖掘不同的土质时，应选择不同形式的绞刀。实际上， 同一条挖泥船应根据其船舶性能，配备挖掘不同土质的绞刀。特别是对于大型绞 吸挖泥船来讲，更应该避免一条船只配备一把绞刀的不合理做法。例如比利时杨 德努( j a nd en u l ) 公司的“j f j d en u l ”号，就配备了绞刀功率6 0 0 0k w ， 绞刀直径3 o o 3 6 0 m 不等的1 2 只绞刀。 对于绞刀系统，我们所关心的参数应该是绞刀功率、转速、绞刀直径、横移 绞车的功率和横移速度。 对于工程疏浚，我们所关心的应该是土质( 淤泥、粘土、砂、砾石、岩石等) 的力学特性和各种土在施工区域的分布分层情况【1 2 】。 3 4 2 绞刀的作用与要求 绞刀所起的作用有： ( 1 ) 能切削水下被疏浚物，使之变形而破碎； ( 2 ) 使破碎的被疏浚物与水混合后形成浆体被送往吸泥口。 疏浚施工对于绞刀的要求有： ( 1 ) 既能切，又能碎，以保证被切削下来的疏浚物与水能最大程度的混合： ( 2 ) 泄漏量最小，吸入阻力和造成堵塞的可能性最小； ( 3 ) 所需切削功率最小； 第三章绞吸式挖泥船施工原理 ( 4 ) 船在不同工况条件下，绞刀与绞车、泥泵应良好匹配； ( 5 ) 结构简单、制造拆卸方便，刀臂磨损较小，且磨损后容易修理，使用 寿命长。 不同绞刀的结构形式见图3 4 。 - 、闭式绞刀 c ，改良型篮式绞刀 y 尖齿 b 、篮式绞刀 d 、皇冠式绞刀 3 4 3 绞刀参数 1 绞刀功率( n ) 的估算( 统计资料) 绞刀的尺度是由绞刀驱动装置的功率和转速决定的，绞刀直径越大，所需的 驱动功率也越大，这也就是同一条船要根据挖掘不同的土质配备不同绞刀的目的 所在。对于任何一条绞吸挖泥船都可以根据绞刀的有效功率计算出绞刀所产生的 第三章绞吸式挖泥船施工原理 切削力，并结合绞车的最大拉力，计算出切削力的最大值。绞刀功率的计算有以 下几种方法。 ( 1 ) 以泥泵功率为估算依据 图3 5 显示了绞刀功率与泥泵功率的关系。 绞刀 功率 k 1 泥泵功率k w 泵功率 图3 5 绞刀功率与泥泵功率关系图 绞刀功率泥泵功率= 0 1 6 7 - - - 0 3 或1 6 1 3 ( 早期船多选小值，近代船多 选大值0 2 5 - - - 0 3 ) 【13 1 。 ( 2 ) 以挖泥船的生产率为估算依据 绞刀功率生产率= 0 2 9 - 0 3 7 k w ( m 3 h )( 3 2 ) 。绞刀功率与土质及挖掘率而异，而泥泵功率及生产率，因输泥量及排距而异， 二者之间并没有规律联系。上面两个公式只反映一般通用型船舶的概况。 ( 3 ) 荷兰i h c 公司经验值 绞刀功率n 0 0 7 3 5 d 2( 3 3 ) 式中，d 为吸入管直径( c m ) ，n 为绞刀功率( k w ) ，对于挖硬土( 软岩) 时， n 0 3 3 3 d 2 ；对于挖软粘土时，n 0 0 3 8 6 d 2 。 2 绞刀转速( 拧) 的估算 现在的新型绞吸挖泥船绞刀转速大多数在0 3 6 转分，且为无级变速；以 前的绞吸挖泥船的绞刀转速：前苏联取1 2 - 1 8 转分；日本取1 3 2 0 转分；美 国取1 4 1 6 转分，且大多数为分档调速。绞刀转速的估算公式为： 刀= 6 0 玑d ( r m i n ) ( 3 4 ) 式中，见为绞刀头平均直径( m ) ，砟为绞刀切削速度( m s ) 。 3 绞刀直径的估算【1 4 】 绞刀直径d 可按下列经验公式估算( 对松软土质) 第三章绞吸式挖泥船施工原理 d = k , d d = 0 2 3 q d - 3 y ( 对松软土质) d = 0 2 1 q 2 3 5 ( 对密实土质) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 式中，d 为吸管直径( m ) ，q 为产量( m 3 h ) ，k 为系数( 墨= 2 3 1 3 5 0 ) 。 3 5 桥架 绞刀桥架( 桥梁) 通常为一箱形钢结构件，它可以在一个垂直于水平面中做 上下运动。在绞刀桥架上除了安装绞刀外，还装有吸泥管、绞刀动力设备( 绞刀 电机或液压马达) 、水下泵( 早年的绞吸挖泥船一般不安装水下泵) 、水下泵动力 设备 l - 52 8 第四章苏丹港珊瑚礁施工管理研究 3 气象资料 苏丹港位于苏丹北部，属热带沙漠性气候，全年只分雨季和旱季，室外温度高 达6 2 。c ，施工时要注意防暑降温【3 1 1 。 工程区域年平均降水量少于l o o m ，主要集中在十月份。 表4 2 列出了工程区1 0 0 年、5 0 年和1 0 年中的风暴持续时间和风速。 表4 2 工程区域风暴持续时间和风速统计资料 1 0 0 年5 0 年1 0 年 3 h2 6 m s2 5m s2 2 m s l h 2 9 m s2 8m s2 5m s 0 5 h3 0 m s2 9m s2 6 m s 最大狂风 4 5m s4 3m s3 8 m s 4 土质资料 由于s p c 未提供完整的钻孔资料( 挖泥区没有布设钻孔) ，根据其提供的工程 地质资料判断，该工程主要疏浚物为珊瑚礁，其指标如表4 3 所列。从钻孔资料 及钻探的方法来看，表层一1 0 o m 大部分为金刚钻取样，强度较大( 此部分无力 学指标) ，一1 0 o m 以下取样率较低。根据开工前采集的岩样，委托水利部天津 水利水电勘测设计研究院科研所采用非标准试件检测其抗压强度为1 3 0k g c m 2 。 而施工船开挖口门时，反映土质的硬度比原有资料反映的硬度要大，从堵泵的珊 瑚礁石取样进行实验，三组试块的指标如表4 4 所列【3 2 1 。 表4 3 工程地质资料 l 标准贯入击数标贯值最大 平均值最大抗压强度 最小抗压强度 i o 5 05 12 0 2 3 6 k g c m 2 5 7 7k g c m 2 表4 4 疏浚物力学指标 平均无侧限抗压强度最大无侧限抗压强度平均容重 1 9 8 1 3 k g c m 2 2 5 1 3k g c m 2 1 8 2 7 9 c m 3 在硬岩区域的施工中，施工人员采取了各种办法，以确保疏浚工程的正常进 行。但由于硬岩的强度太大，1 2 o m 以下的灰岩平均抗压强度达3 2 6 3 m p a ，其中 d 9 钻孔的抗压强度达到3 9 o m p a ，大大超过浚2 1 5 船的设计挖岩强度3 0 o m p a 的指 标。尽管采取了减少下刀厚度，减慢横移速度，正刀空摆，反刀挖泥等措施，在 第四章苏丹港珊瑚礁施工管理研究 “达玛”施工中，还是发生t 2 0 0 1 年8 月9 日“天重”绞刀本体三个刀片有较大裂缝的 情况。在8 月9 日至9 月1 0 日一个月的生产中，“日本绞刀有1 3 个齿座被掰掉， 三个齿座有较大裂缝，本体刀片前后各一道裂缝，其中后部裂缝长度达l o c m 。 以上两个绞刀在“绿地”疏浚工程一年的施工过程中，未曾出现上述本体受损的 情况，这足以说明钻探资料中抗压强度指标与实际施工硬岩情况是相符的t 3 3 】。 4 1 3 施工船舶 施工船的选择、配套原则为技术上可行、经济上合理。施工水域分为口门和 港池两个区，施工土质为坚硬珊瑚礁，资料显示珊瑚礁抗压强度为5 7 5 k g c m 2 2 3 6k g , c m 2 ，个别点的标贯大于5 0 击。8 m 3 抓斗试挖生产率很低，难以胜任该工 程，必须选择绞刀功率大，破土挖掘能力强的大型绞吸式挖泥船。天津航道局投 入大型绞吸式挖泥船“津航浚2 1 5 ( 2 5 0 0 m 3 h ) 及其配套船舶“津航艇2 2 ”实 施该工程。施工中采用了两种泵系组合，即正常情况下的水下泵与1 舱内泵串联 的双泵施工工艺，以及有限定条件的水下泵单泵施工工艺。表4 5 列出了“津航 浚2 1 5 ”船舶的主要技术性能【3 4 j 。 表4 5 津航浚2 1 5 船舶主要技术性能表 总长( m ) 1 1 3 0 挖宽( m ) 3 0 1 0 0 总宽( m )1 9 5挖深( m )6 3 0 型深( m ) 5 8 排距( m ) 5 0 0 n 呐4 5 0 0 总高( m )2 7 5舱内泵功率( k w )2 9 4 0 2 空载吃水( m ) 3 5 9 水下泵功率( k w ) 9 0 0 满载吃水( m ) 船尾 4 7 l 绞刀电机功率( k w )7 5 0 x 2 公称生产率 2 5 0 0 m 3 h 管径7 0 0 m m 4 2 绞刀齿、座磨耗主要影响因素分析及应对措施 经过一段时间的施工后，我们发现影响生产率及时间利用率的因素有环境、 设备、机械、施工工艺等方面，下面对主要影响因素进新分析。 4 2 1 绞刀齿及齿座的磨损与断裂情况 由于口门处珊瑚礁硬度较大，绞刀齿座及绞刀齿损坏较多。苏丹港没有维修 厂家，只能由津航浚2 1 5 船靠自身的力量来维修，修理绞刀一项工作占用了大量 第四章苏丹港珊瑚礁施工管理研究 的人力、物力及有效的工作时间，使施工受到很大影响。 以“达玛”疏浚工程为例，绞刀齿及座都是日本进口的，损坏齿4 3 9 个，齿 座6 2 个，表4 6 详细列出了损耗统计。图4 1 和图4 2 显示了每个齿位的刀齿、 齿座损耗情况统计。从绞刀齿损坏柱状分析图可以看出，不同编号绞刀齿损坏程 度由大到小依次为8 、7 、6 、2 、3 、5 、4 、1 ：齿座损坏依次为8 、3 、1 、6 、4 、 5 、7 、2 。从施工分区的角度看，口门通道、下层施工，损耗的最多。 造成绞刀齿损断的原因除了珊瑚礁坚硬外，还有齿座本身的质量问题；开挖 区珊瑚礁标高为正负零，开挖上层时绞刀受力状态不好：施工地形受限制，船舶 布锚角度不好，横移锚下的太靠近船舷等因素。 损断的齿座大部分在齿座销孔眼处断开，少部分断至刀臂平齐处，在断口处 可看到有气泡孔存在；单独掉的刀齿全是因为销孔与销子尺寸不符，齿座装上刀 齿和销子后还有很大的活动量，用电焊点焊钢销后效果稍好，但挖岩后钢销很快 脱焊，绞刀齿便被掰掉。 表4 6 津航浚2 1 5 船消耗齿与座数量表 共耗绞刀齿平均每万方耗齿消耗齿座每l o 万方耗齿座 整个工程 4 3 9 个 5 6 个 6 2 个7 9 个 其中口门通 1 1 6 个9 8 个1 9 个1 2 6 个 道施工损耗 图4 1 绞刀齿损坏分布 第四章苏丹港珊瑚礁施工管理研究 4 2 2 损断原因分析 图4 2 绞刀齿座损坏分布 根据绞刀齿和齿座的损坏情况分析，损断的原因主要有： 1 三缆柔性定位施工对绞刀的冲击较大，采用“三缆定位 施工，是开挖通 道必须使用的临时性方法，但它是软性定位，损断的齿座和绞刀齿较多，不适用 于挖岩石。存在以下不利因素：( 1 ) 由于三缆系柔性定位，不能准确固定船位， 施工中，底质坚硬，绞刀齿及齿座受力大，船体就随之上下、左右跳动，跳动不 稳的船体会使绞刀齿和齿座产生一个很大的突变应力，当该应力大于齿座的抗剪 强度时，齿座即断损。( 2 ) 由于三缆不能准确固定船位，当开挖到挖槽边线时， 驾驶员不能准确、有效地控制绞刀的实际位置( 与挖泥断面显示器和g p s 屏幕显 示的位置产生误差) ，容易造成绞刀过摆，使整个绞刀碰到边线陡峭的珊瑚岩墙 上，+ 刀齿的瞬间受力剧增，损断刀齿或齿座。( 3 ) 由于口门处地质条件的限制， 横移锚下地比较吊，加上边缆的作用，当绞刀摆动接近边线时，造成船位前移， 绞刀撞击在前方直立的原状珊瑚岩墙上，端部的绞刀齿受力变大，损断刀齿。 2 开挖表层珊瑚礁强度较大，水深很浅，挖泥切入角度不好等。施工区的原 泥面标高为+ 0 4 m 一1 0 m ，开挖上层时，绞刀大圈有0 6 m 左右露出水面，受桥 梁起高的限制，第一层的开挖较厚，为0 8 m 1 5 m 不等。进步时需顶挖，这样绞 第四章苏丹港珊瑚礁施工管理研究 刀齿挖岩切入角不好，挖层又薄厚不均，受力状态不良，导致绞刀齿或齿座损坏。 3 后期在开挖下层较硬底质时，珊瑚礁硬度较大。从绞刀桥梁上和舱内泵掏 出的岩石表面看，其密实性大，稍有纹理，用1 2 磅铁锤难以击碎。尤其是下层 经现场取样做抗压试验，其无侧限抗压强度可达到2 9 0 k g c m 2 。损坏的座、齿也相 对较多。 4 环海船厂铸造的齿座大部分在销孔眼处断损，检查断口可见有大小不一的 气泡孔，齿座本身的铸造质量和工艺方面不能满足挖岩要求( 齿座的应力小于齿 的应力) 。 4 2 3 减小损坏的主要措施 为了减小绞刀齿、座的损坏，提高生产效率，需要在施工中采取一系列了措 施。具体实行的措施有： 1 改进施工方法。在“达玛 工程中采用了反刀开挖，正刀快速空摆的施 工方法，视土质情况进行正刀作业，尽量减小刀齿的受力。 控制挖掘厚度。开挖厚度根据珊瑚礁的硬度要适量调整，尽量使绞刀满刀开 挖，这样既提高了生产率又相对地保护了刀齿，以减少个别刀齿受力不均的几率。 控制施工的前移距。在施工中，尽可能的加大前移距的距离，使多个刀片上 的刀齿能均匀受力，减少齿和座的消耗量，前移距尽量保持在1 5 米左右。 2 根据现场的船舶施工情况判断珊瑚礁土质软硬程度，合理选择切削厚度， 横移电流和速度，绞刀电流和转速。 对于硬质珊瑚礁，绞刀电流反映并不大，但电流极不稳定，船体抖动较为厉 害，对船舶设备极为不利。所以，开挖硬质珊瑚礁控制绞刀电流不超过3 0 0 - 4 0 0 a ， 横移电流不超过2 5 0 a ，对于开挖土质较软的珊瑚礁控制绞刀电流不超过 6 0 0 7 0 0 a ，横移电流不超过2 0 0 a ，这对保护绞刀齿、齿座有较好的效果。 横移速度的控制，施工中要根据实际情况来增、减绞车转速，土质硬则减， 反之则加，绞车电流不应超过3 0 0 a 。 根据土质的变化情况要正确调整绞刀的转速，在珊瑚礁较硬区域应加大转 速，在较软区域应降低绞刀转速，转速一般控制在8 0 0 r p m ，绞刀电流在施工中 应使其在许可范围内尽量大，但不易超过7 0 0 a 。 3 改进齿座的焊接工艺，焊接齿座以前要对焊接处高温加热，加大堆焊量， 在焊接过程中要认真仔细，防止焊缝不均而造成的焊接强度下降。由于现场条件 受到限制，达不到工艺要求，但在焊接时要尽可能的精工细做，焊接前先将齿座 与刀片的接合处刨光，再用气焊进行燎、烤，尽量加高接处点的温度，并在接处 点上精心加焊，保证焊接质型”】。 第四章苏丹港珊瑚礁施工管理研究 4 刀齿的安装，在安装刀齿时应使刀齿与齿座咬合严实，在安装前要检查胶 销和钢销的紧密度，保证安装后刀齿的稳固，对存在活动量较大的刀齿应在齿销 处进行点焊，以防止刀齿脱落。 5 在装绞刀齿座和换绞刀齿时，尽量使用材质和铸造工艺较好的日本齿和齿 座。而且两者安装以后，结合较好，降低了在挖掘珊瑚礁过程中对齿和齿座的冲 击，减少了绞刀齿脱落和齿座损伤的机率。 6 施工中经常检查绞刀，发现掉齿要及时更换，安装时要注意安装质量，并 用电焊把绞刀齿销焊在刀齿上，防止刀齿脱落，如果绞刀齿座损坏数量较多应及 时更换绞刀【3 6 】。 4 3 胶皮套磨耗情况分析及防护措施 在苏丹港绿地工程的施工中，开挖的珊瑚礁平均容重1 8 2 7 9 c m 3 ，平均抗压 强度1 9 8 1 3 k g c m 2 ；达玛工程的珊瑚礁所测试块抗压强度高达3 9 0 k g c m 2 。由于 珊瑚礁强度大，开挖后棱角分明，开挖和输送珊瑚礁对排泥设备，特别是胶皮套 和蛇形胶管的磨耗比较严重。如何防护橡胶软管成为开挖珊瑚礁施工的关键问题 之一。 4 3 1 胶皮套磨损情况 自2 0 0 0 年7 月1 3 日开工后，管线磨损尤其是胶皮套的损坏比较严重，原因是 珊瑚礁经过绞刀破碎后