大型耙吸船受限區(qū)域施工工藝研究

余洪強(qiáng) 中交水利水電建設(shè)有限公司

在耙吸船疏浚施工中由于航道設(shè)計(jì)的多樣性和水深環(huán)境的復(fù)雜性，經(jīng)常會(huì)遇到需在受限區(qū)域施工的情況，特別于大型耙吸船來(lái)說(shuō)，受限區(qū)域施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)都急劇增大。受限區(qū)域根據(jù)類型可以分為單側(cè)受限和多側(cè)受限，以往遇到受限區(qū)域通常采用船型更小的耙吸船進(jìn)行施工，但是在海外施工中由于船舶資源有限，并且受限區(qū)域往往是業(yè)主急需疏浚的區(qū)域，所以如何利用現(xiàn)有設(shè)備對(duì)受限區(qū)域進(jìn)行疏浚是一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

新?；?輪是中交水利水電建設(shè)有限公司自有的10,000m3自航耙吸挖泥船,有艏吹裝置，船長(zhǎng)130.3m，船寬27m，2016年2月5日進(jìn)入巴西巴拉那瓜港施工。在施工期間多次遇到受限區(qū)域施工的情況，經(jīng)過(guò)不斷地摸索與嘗試，從多個(gè)方面優(yōu)化工藝，最終圓滿的完成了全部區(qū)域的施工任務(wù)。

1.工程概況

巴拉那瓜港口是世界上最重要的海上貿(mào)易中心之一，是巴西第二大港。2017年2月13日由中交上海航道局承建的巴西巴拉那瓜基建疏浚工程開工。

該工程由巴西共和國(guó)港口總統(tǒng)秘書處出資，在原航道基礎(chǔ)上的拓寬、增深，航道全長(zhǎng)34.546千米，分為Alfa、Bravo1、Bravo2、Charlie1、CHarlie3、Surdinho六個(gè)區(qū)段。設(shè)計(jì)水深14.5-16.5米，設(shè)計(jì)超深0.2米。合同工期為17個(gè)月，工程量為1799萬(wàn)立方米，合同總價(jià)6.6億人民幣。

圖1 需要施工區(qū)域圖像（14.5米水深過(guò)濾）礁石輪廓（13.0米水深過(guò)濾）

Surdinho區(qū)段為一個(gè)不規(guī)則的進(jìn)港航道，航道總長(zhǎng)為1470米，最大寬度255米，最小寬度165米，與主流向夾角為17°，北側(cè)有不規(guī)則礁石，南側(cè)為碼頭。航道為感潮河段，潮汐為不正規(guī)半日潮，最高潮位1.8m，最低潮位-0.2m，平均流速2節(jié)。由于在該工程中投入的耙吸船為萬(wàn)方艙容的大型耙吸挖泥船新海虎9輪，船舶尺寸大，船舶姿態(tài)控制難度高，同時(shí)施工區(qū)域狹窄，工前槽底起伏大，存在硬底質(zhì)的礁石區(qū)域，航道兩側(cè)均有障礙物，且流壓角大，在施工該區(qū)域時(shí)，極易出現(xiàn)壓耙、耙頭斷齒甚至是耙管斷裂的現(xiàn)象。在這些不利條件的影響下，如何安全高效完成該區(qū)域的施工成為項(xiàng)目部施工過(guò)程中一個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)。

2.工藝優(yōu)化路線

2.1 采用多波束測(cè)量方法精確繪制工前圖

多波束測(cè)深系統(tǒng)，又稱為多波束測(cè)深儀、條帶測(cè)深儀或多波束測(cè)深聲吶等，最初的設(shè)計(jì)構(gòu)想就是為了提高海底地形測(cè)量效率。與傳統(tǒng)的單波束測(cè)深系統(tǒng)每次測(cè)量只能獲得測(cè)量船垂直下方一個(gè)海底測(cè)量深度值相比，多波束探測(cè)能獲得一個(gè)條帶覆蓋區(qū)域內(nèi)多個(gè)測(cè)量點(diǎn)的海底深度值，實(shí)現(xiàn)了從“點(diǎn)—線”測(cè)量到“線—面”測(cè)量的跨越，其技術(shù)進(jìn)步的意義十分突出。巴拉那瓜項(xiàng)目部采用的是RESON 7125多波束測(cè)深儀，測(cè)量深度0.5米到400米，具有512道波束數(shù)，水深分辨率6毫米。為了兼顧測(cè)量效率和精度，測(cè)量過(guò)程中調(diào)整發(fā)射器開角為120度，測(cè)區(qū)平均水深按照13米計(jì)算，一次可以掃測(cè)45米寬度的地形，經(jīng)水深處理后，形成精確的1m×1m間距的水深文件。在Surdinho區(qū)域開工之前，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了多波束掃測(cè)，并根據(jù)掃測(cè)結(jié)果對(duì)水下礁石區(qū)域進(jìn)行了進(jìn)一步的確認(rèn)。將水深文件按照13.0米的目標(biāo)水深過(guò)濾后得到礁石輪廓位置圖如圖1，可以指導(dǎo)施工，避免耙頭進(jìn)入礁石區(qū)域，導(dǎo)致耙頭損傷。

2.2 采用DGPS高精度定位信號(hào)指導(dǎo)施工

目前民用普通GPS系統(tǒng)提供的定位精度是優(yōu)于10米，工程開工之前，考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的情況，需要進(jìn)一步提高定位精度，確保安全施工。我們通過(guò)對(duì)比采用了偽距差分原理的信標(biāo)差分信號(hào)，其定位精度可以達(dá)到米級(jí)。再運(yùn)用先進(jìn)的SCADA系統(tǒng)，通過(guò)耙臂位置傳感器中的數(shù)據(jù)修正，計(jì)算出實(shí)時(shí)的耙頭水下位置并顯示在監(jiān)測(cè)屏幕上，從而指導(dǎo)駕駛員及時(shí)修正船舶航向，實(shí)現(xiàn)精確下耙，防止耙頭與水底礁石碰撞。

2.3 合理采用分帶施工區(qū)域

將施工區(qū)域分為三個(gè)平行航道的施工帶，其中航道兩側(cè)的施工帶安排在白天施工，中間帶夜間施工，排班上兩側(cè)帶以大副、二副班為主，中間較為安全的帶以三副班為主。新?；?輪的耙頭寬度為5米，但是加上大功率泥泵的作用，實(shí)際一次過(guò)耙影響寬度可達(dá)10米，所以在每個(gè)施工帶預(yù)先排布10米間距作業(yè)線，指導(dǎo)駕駛員施工。

2.4 根據(jù)流向合理安排施工區(qū)域

施工區(qū)域?yàn)楦谐焙佣?，潮汐為不正?guī)的半日潮，每天轉(zhuǎn)流頻繁，由于施工區(qū)域狹小，如果船速過(guò)大，將大大增加船舶的控制難度，耙吸船施工中優(yōu)先采用頂流施工，頂流施工舵效好，易于控制船向、船位，施工安全。順流施工船舶受水流助推，可以用較小的推進(jìn)功率獲得較高的對(duì)地航速，挖泥效果相對(duì)較好，但是舵效差，若航速較快往往難以控制避讓，如果遇到水底障礙物，對(duì)耙頭耙管更不利。所以在施工安排上順?biāo)┕ず降乐虚g，頂水施工航道兩側(cè)的方式，這既確保了施工安全也利用了順?biāo)较虻男省?/p>

2.5 采用進(jìn)倒車施工工藝

施工區(qū)域由于航道寬度不足，北側(cè)為礁石區(qū)域，南側(cè)為碼頭，雙側(cè)受限，同時(shí)流壓角大，無(wú)法在施工區(qū)域內(nèi)部完成調(diào)頭。此外，施工區(qū)域西側(cè)為集裝箱碼頭泊位，該泊位常年有船只靠泊，東側(cè)為單向航道，港口繁忙，每天平均6-8艘船舶進(jìn)出，如果耙吸船在西側(cè)港池或者東側(cè)航道進(jìn)行頻繁調(diào)頭的話，將影響到港口的運(yùn)營(yíng)。為了盡量減少施工對(duì)于港口生產(chǎn)的影響，我們采用調(diào)頭施工和進(jìn)倒車施工相結(jié)合的方法，在分散淺點(diǎn)區(qū)域選擇進(jìn)出口船間隙采用常規(guī)調(diào)頭施工工藝，在淺點(diǎn)集中區(qū)域采用進(jìn)倒車施工工藝，采用進(jìn)倒車工藝不僅減少了調(diào)頭期間的無(wú)效施工時(shí)間，同時(shí)由于耙頭在淺點(diǎn)集中區(qū)域進(jìn)行來(lái)回往復(fù)地開挖，還大大的提高了淺點(diǎn)的清除效率，節(jié)省了施工時(shí)間。

2.6 合理調(diào)整波浪補(bǔ)償器壓力

波浪補(bǔ)償器系統(tǒng)是一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，可使耙吸挖泥船在海面有波浪或水底地形有起伏的情況下使耙頭始終貼緊水底泥面。通過(guò)波浪補(bǔ)償器的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用使耙頭始終保持對(duì)水底泥面一定的壓力。由于存在礁石區(qū)域，為了防止船舶操控失誤導(dǎo)致耙頭鉤掛礁石，從而發(fā)生耙頭損壞甚至耙管斷裂的事故，必須對(duì)波浪補(bǔ)償器進(jìn)行合理的調(diào)整。波浪補(bǔ)償器的壓力降低，可以在遇到淺區(qū)的時(shí)候迅速的彈起，防止耙頭鉤掛礁石，但是過(guò)低的壓力會(huì)導(dǎo)致耙頭對(duì)地壓力不足，破土力降低，導(dǎo)致挖泥效率降低，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)我們將波浪補(bǔ)償器行程調(diào)整至三分之一處，壓力為4.0MPa，遇到礁石時(shí)可以有效彈起，同時(shí)保持了一定的破土力。

3.施工效果

經(jīng)過(guò)上述工藝優(yōu)化之后，在Surdinho施工期間未發(fā)生一起險(xiǎn)情，同時(shí)施工區(qū)域多波束1米測(cè)點(diǎn)的驗(yàn)收結(jié)果為槽中合格率100%，邊坡合格率98%，達(dá)到了合同要求的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

雖然大型耙吸船在施工碼頭受限水域時(shí)難度極大，但通過(guò)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素、船機(jī)性能的分析研究，進(jìn)行工藝優(yōu)化，細(xì)化部署后，證實(shí)大型耙吸船能夠在施工水域受限的條件下，良好地完成合同中規(guī)定的施工任務(wù)。

4.結(jié)束語(yǔ)

海外工程與國(guó)內(nèi)工程不可同日而語(yǔ)，在無(wú)法得到國(guó)內(nèi)有效支持的情況下，只能依靠船舶充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，積極開拓創(chuàng)新，優(yōu)化工法和工藝，將船舶的性能發(fā)揮到極致，才能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。