双斗轮式挖泥船的改进与应用

汤丽军，邢荣亮，郭 东，赵明时，邵明浩

（天津深基工程有限公司，天津 300222）

引言

在围海造陆广泛应用的充填袋结构，作为临时围堰需要拆除时。常规方法一般采用抓斗挖泥船，但对于水深不足、工作面狭窄、须分段施工的工程，需使用灵活性高的绞吸式挖泥船进行作业，袋布缠绕铰刀造成的水下拆除难度大、工作效率低等缺点尤为突出，铰刀需要改进才能顺利完成作业。

1 工程概况

中国海监唐山维权执法基地建设项目码头岸线长度1 120 m，共计9个泊位，设计为地连墙板桩码头结构型式。

本项目距离码头前沿15 m采用土工布围堰，围堰长度1 220 m，围堰外侧为300 g/m2防老化短纤针刺非织造土工布进行防护，围堰袋体采用230 g/m2丙纶机制长丝土工布，海底原泥面高程在-1.5～-4.2 m，围堰施工时不进行海底开挖，直接坐落在原泥面上。待码头岸线建成后围堰即完成了使命，需进行全部拆除。

2 面临的问题

围堰充填袋拆除施工时，由于地连墙板桩码头进行分期施工，围堰拆除需要分段施工，拆除的工程量小。

如果采用抓斗式挖泥船一般需要足够的水深，受水深的限制，且费用较大，采用抓斗式挖泥船不可行。

目前现有疏浚的小型绞吸式挖泥船，适合本工程工况要求，但采用常规的绞刀头无法满足施工要求，主要原因是水下拆除围堰时，围堰土工布缠绕绞刀头的旋转轴，需要人工清理，施工难度大。在围堰拆除初期尝试使用传统冠形绞刀和单斗轮进行施工，结果均以失败告终，在人工清理绞刀和斗轮缠绕的土工布上花费了很多时间，造成了工作效率低下。

一般情况下，挖泥船的选型主要根据土壤的种类进行选择，而本工程充填袋围堰分段拆除的工程特殊性，如何解决袋布缠绕问题显得尤为突出。

3 方案比选

3.1 方案一采用抓斗式挖泥船

抓斗式挖泥船除流态淤泥外，各种土质均适用。挖粗砂和中砂效率甚佳。主要适用于小型工程疏浚，不适合大工程施工[2]。

1）优点

①开挖深度较大，最大挖深可达30 m以上；

②自航式抓斗挖泥船，移动无需辅助船舶，机动灵活性高；

③驳船运土，受运距影响较小；

④设备简单，机械的磨损部件较少；

⑤可适用于狭小水域等特殊工程。

2）缺点

①挖运设备之间的影响大，工作效率较低；

②开挖深度不易控制，工作面不平，施工质量较差。

③对液态淤泥难以清除；

④施工费用高；

⑤对受水深限制较大。

3）结论

此方案无法解决袋布缠绕铰刀问题。

3.2 方案二采用绞吸式挖泥船

绞吸式挖泥船是近年来最常见、使用最广泛的一种水力式挖泥船[2]。

1）优点

①常规地质条件下，可连续作业、施工效率较高、成本低；

②挖掘、输送、排出工作一次性完成；

③挖掘完成的工作面平整，边坡和深度容易控制，施工质量好；

④适应性强。主要应用在大型疏浚工程，工作面较窄的小流域工程可选择小型绞吸式挖泥船；

⑤技术成熟，应用广泛。

2）缺点

①现有条件下围堰土工布缠绕绞刀，造成了工作效率较低；

②需要人工清理绞刀部位土工布，存在安全风险。

3）结论

此方案无法解决袋布缠绕铰刀问题。

3.3 方案三采用双斗轮式挖泥船

斗轮是由多个无底泥斗按圆环均布而形成的切割部件[1]。斗轮式挖泥船是由绞吸式挖泥船发展演变而来的[2]，它利用泥浆泵配合斗轮进行水下开挖作业。在施工时通过斗轮旋转对水底的土壤进行切削，同时由泥浆泵通过吸、排泥管将泥水混合物输送至堆积处或岸上[3]。

斗轮式挖泥船与绞吸式挖泥船相比较，除挖掘设备不同以外，其余基本相同。绞吸式挖泥船绞刀头转动轴平行于支臂，而斗轮式挖泥船斗轮转动轴与支臂成一定的角度。

斗轮式挖泥船不仅具有绞吸式挖泥船的挖运一体、连续作业、施工质量好、生产效率高、成本低的优点[2]，还具有它本身的特点，具体如下：

1）优点

①与绞吸式挖泥船相比，挖泥船的切割和挖掘能力较强，可挖掘硬质土；

②适合挖掘土质范围广；

③施工质量好，经疏浚挖掘后的工作面平整；

④双斗轮作业，运转速度快，较上述两种方案施工效率较高；

⑤无需人工短时间清理斗轮，安全系数较低。

2）缺点

①薄层清淤能力差；

②受排距影响较大，超过额定排距须增加接力泵，成本显著提高，但由于本工程施工范围小，该项不涉及；

③非自航挖泥船，机动灵活性较差。

3）结论

此方案可解决袋布缠绕铰刀问题。

经综合比较分析，采用方案三。

4 双斗轮式挖泥船的设计改进

4.1 结构设计改进

根据设备既有特点，双斗轮式挖泥船是以斗轮式挖泥船为基础对绞刀头进行了设计改进：①在绞刀架端头的两侧各对称设置一个斗轮，可在围堰拆吹作业时对袋布形成向外的撕扯力，将袋布撕碎防止袋布缠绕造成铰刀堵塞；②将处于中间传动轴的位置进行密封处理，防止袋布裹挟缠绕传动系统，造成辅机斗轮液压系统损坏。

4.2 实体结构和操作要点

改装后的双斗轮挖泥船的甲板机械采用液压系统传动，主要有以下部分：

1）斗轮驱动装置。由液压马达通过减速箱在水下驱动斗轮进行切削泥沙；

2）斗轮桥架起落装置。由液压马达带动斗轮卷筒收放缆索进行起落桥架，可以改变斗轮对泥层的切削深度；

3）横移绞车装置。挖泥时，通过联合操作可以连续的收放系于锚柄上的缆索，以定位桩为中心进行左右摆动，使斗轮在连续切削泥沙时可形成一定的开挖宽度。

4.3 施工工序

将双斗轮式绞吸船停靠至需开挖区域，通过桥架绞车将斗轮下放至适当深度，在重力的作用下，斗轮头下压在土层上[3]，在定位桩的配合下横移绞车，通过缆索以定位桩为中心从一边以弧形轨迹移动横扫至另一边，斗轮始终以一个方向连续转动并切削当前断面的泥层，通过泥泵将被切削的泥沙吸进排泥管，这样就完成了斗轮的一个工作挖掘宽度。

通过不断执行斗轮的多个工作挖宽，把当前剖面挖到断面设计深度后，通过桥架绞车提起斗轮，同时操作定位桩台车液压系统，使船体沿开挖中心线前进一个步长，再次下放斗轮至适当深度，开始一个新的剖面开挖。如此反复，最终完成工作段的挖掘任务。

5 依托工程实效

5.1 成功验证

本工程地连墙板桩码头前沿疏浚施工中，针对绞吸式挖泥船在工作存在的问题，在斗轮式挖泥船的基础上提出了双斗轮挖泥船设计改进方案，并利用现场实际工作实施情况进行了验证。实践结果表明，挖泥船双斗轮的改进效果显著，成功地解决了中国海监唐山维权执法基地建设项目码头前沿充填砂袋围堰拆除的施工难题。

双斗轮式挖泥船与抓斗式挖泥船相比，具有开挖能力强、泥沙泄露较少、挖槽平整和生产成本低等优点，施工质量可靠。

5.2 经济效益

双斗轮挖泥船在本工程的应用大大提高了挖泥的施工效率。双斗轮式挖泥船疏浚单价远远小于抓斗式挖泥船，且双斗轮式挖泥船的投入使用使得整个工期缩短近50天，共节约成本近77万元。在码头内港池全线拆除施工过程中，既保证了施工质量，又大大提高了工效，节约了施工成本。

5.3 社会效益

通过双斗轮挖泥船在本工程的成功应用，为斗轮式挖泥船的改进提供了灵感和思路，增添了设备多样化的设计和选择，为设备施工效率的提高开启了新的篇章，同时加强企业之间的信息交流，推动了设备的创新和发展，提高了社会生产力。

5.4 应用前景

该改进方案设计出了双斗轮式施工工艺，优化了齿轮排列方式，提高了拆除效率，施工效果良好、作用显著，保证了质量、进度的同时，降低了施工成本，对于普通斗轮式挖泥船适用的条件，双斗轮式挖泥船均适用。且因该设备具有两个斗轮，挖泥速度约是普通斗轮式挖泥船的两倍，应用前景非常广阔，这种工艺在以后类似施工中可推广应用。