CN105421286B - 一种反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法,其特征在于:包括以下步骤:施工前期准备、方案制定、淤泥覆盖层清理、钻孔处理、反铲船开挖岩石、扫浅和工程结束进行验收。本发明既满足了航道建设的要求,又减少了生态环境的影响,提高施工效率,降低了安全隐患,符合国家可持续发展战略,推广范围广。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域,特别是一种反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法。
背景技术
随着国际经济交往范围的扩大海运业的发展也在不断加快,国内港口及航道的规模越来越大,大吨位海运船舶需要对进港航行水域不断加深,疏浚工程项目中开挖大量风化岩的情况逐渐增多,坚硬风化岩的开挖给机械能力和开挖效率提出了越来越高的要求。
当岩石抗压强度大于40MPa时,传统大型的施工船舶已很难进行除礁施工。而开挖抗压强度更大的微风化硬质岩时,一般采用凿岩工艺或炸礁工艺。传统的凿岩工艺在水深较深(尤其在水深超过15米)时,凿岩效果已经不明显,被水消耗的能量较大,造成凿岩成本的上升。炸礁工艺对环境的破坏较大,尤其在海洋生物保护区,炸礁工艺对海洋生态破坏严重;在周围有油码头或者危险区施工时,炸礁工艺也存在巨大隐患。
出于对环境保护和在邻近已运营的码头设施航行水域除礁施工时,传统的炸礁工艺存在巨大的安全隐患,不允许用水下爆破施工工艺,这也为水下清除岩石提出了新的施工工艺要求。
发明内容
本发明针对传统疏通航道和挖掘航道的方法不足,提供一种工作效率高、环境破坏小和成本低的反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法。
本发明的技术方案为:
一种反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法,包括以下步骤:
(1)前期准备:地质情况、施工环境条件踏勘以及后勤、补给组织与安排;
(2)方案制定:根据勘测情况制定详细施工方案以及施工流程图;
(3)淤泥覆盖层清理:采用反铲船或抓斗船对淤泥覆盖层进行清理;
(4)钻孔处理:根据勘探报告中岩石硬度大的区域,利用定位系统设定起始钻孔点,并定位布设钻孔点,使用钻孔设备根据定位点钻孔,同时根据施工过程遇到的情况调整钻孔机钻孔间距,并采用钻机穿钻孔进行预处理;
(5)反铲船开挖岩石:经步骤(4)处理的区域和岩石强度小的区域,按照施工方案采用反铲船进行挖岩施工;
(6)扫浅:对步骤(5)施工后的区域进行断面测量,测量合格的进行竣工验收,未满足挖深区域再次钻孔处理然后反铲船开挖岩石;
(7)工程结束进行验收。
以上所述的地质情况勘测是利用钻孔船在施工区域内加密进行钻孔取样,对土样进行检测,形成地质勘探报告;
岩石硬度大的区域为岩石强度大于40Mpa的岩石区,岩石强度小的区域为岩石强度小于40Mpa的区域。
以上所述的步骤(2)方案制定具体的是根据勘探报告,判定施工区内的岩石强度,划分岩石强度区域,再将施工区域进行分区分条。
以上所述的步骤(3)钻孔施工前还需根据勘测的情况并计算出覆盖层的量,然后将岩石上的表面的淤泥杂物清理干净,对岩石强度大于40MPa以上的区域选用反铲式挖泥船或者使用抓斗船挖泥船对岩石表面淤泥、粘土、碎石和强风化岩石进行清理。
以上所述的覆盖层工程量计算采用自检测量数据进行计算,其中使用方格网法进行计算,网格宽度为10m×10m。
以上所述的步骤(5)反铲船开挖岩石时还包括利用DGPS差分定位系统定位,通过计算机辅助决策系统可实时显示船舶平面位置,DGPS定位精度在1m之内,满足疏浚工程精度控制要求;
定位好的施工船采用后退法施工,对施工区域分区、分条和分层进行施工,工作时相应的调整施工船只的位置,同时根据相应的工作效率安排装驳施工船。
以上所述的所述的施工区域分条施工根据挖岩施工综合考虑,设定施工船在的分条宽度为15-17m(反铲船有效挖宽为15m,考虑条带的搭接宽度为2m);所述的施工区域分层根据施反铲船施工时挖掘的效率,也就是每铲开挖厚度根据土质情况不同有较大差别,开挖层厚一般不超过2m。对于上层淤泥类土、砂性土及粘性土等土质,铲斗与土表层角度较大,在挖深不大的情况下,可以达到每铲1.0m~1.5m;对硬质岩石,铲齿与土层表面角度较小,且入岩后需平铲立起,每层开挖厚度为0.5m~1.0m。
以上所述的步骤(5)反铲船开挖岩石时在潮汐工作环境下船舶要保持稳定工作位置,需依靠钢桩升起挖泥船,得到稳定平台,再利用PLC操作系统调节船体的偏差;
所述的施工船移动,施工船上的挖掘工作台车开始从艏钢桩向艉钢桩移动,当挖掘工作台车移动移动到艉钢桩时挖掘施工船抬起钢桩向后移动一个船位。
以上所述的布设钻孔点位采用孔与孔之间的距离为0.5m,钻孔半径为0.05m;所述的根据挖掘硬质岩石的硬度进行增加钻孔密度、钻孔半径和钻孔深度。
以上所述步骤(1)施工环境条件勘测,所勘测内容包括:施工区域的自然环境情况,其中包括气象、水文和工程地质;所述的后勤补给组织与安排,其中包括交通、通讯、医疗卫生、避风、工程机械修理、工程补给和工程机械靠岸点。
以上所述的施工船的挖掘小臂工作挖掘旋转角度范围50-60°。
工作原理:
对反铲式挖泥船无法直接挖掘的硬质岩石(40MPa以上),先将其淤泥覆盖层进行清理,再采用钻机船钻孔预处理,其原理是通过在岩石内部钻孔,破坏岩体的结构构造,降低其密实度,增加孔隙比及裂隙发育,利于硬质岩石剥落;同时使硬质岩石与水充分接触,待硬质岩土含水率增大,力学强度降低,反铲式挖泥船再进行施工。
本施工方法采用反铲式挖泥船,采用钢桩定位台车后退施工方法进行挖泥施工,以船舶挖掘铲斗作为船艏,施工时依靠钢桩定位,台车推动船舶向后行走实现倒退施工。当走完一个台车区域内土体挖掘施工后,抬起台车钢桩并将之推至最后方,下放台车钢桩,同时将两前钢桩抬起,船舶以台车钢桩为轴向后推进一个行程后,两个前钢桩扎入泥中,船舶实现倒退,从而行程一个完整的施工过程。
挖掘破土困难的硬岩时,需要调整挖掘角度以剥落硬岩层,同时需要考虑岩层纹理方向,目的是为了穿透硬岩层。并且小臂在距离挖掘机中心短距离工作时,挖掘和起升能力增加,因而获得较高的最大上升力矩,因此谨慎地操作小臂和铲斗到最合适的角度可以获得最佳挖掘力。通过钻机船的钻孔预处理后,钻孔位置为铲斗施工提供了良好的着力点,利于小臂和铲斗施工角度的调整,充分发挥挖掘能力。
本发明的优点:
对比以往的技术,本专利能带来以下有益效果:
1、本发明采用反铲式挖泥船根据分段、分条施工,从岩石外侧逐步推进,避免在岩盘中施工时周围岩石的影响,增加挖掘难度,同时尽可能可利用钻孔位置提供的着力点,降低开挖难度,提高工作效率。
2、本发明采用钻机船对岩体钻孔预处理,降低了挖掘难度,减少挖掘机具的冲击、磨损和船体振动,保证船上设备的运转安全和人员工作环境。
3、采用反铲式挖泥船和钻机船常规的施工工艺和方法,发挥了两种船舶的各自的优势,通过对岩石进行小间距钻孔后降低岩石整体强度,为发挥反铲式挖泥船的开挖能力创造了条件。
4、本发明可直接对岩石进行处理、挖掘,施工简单,可快速组织施工,提高了工效,缩短了项目建设周期,使工程项目尽早投入使用,大大提高工作效率并保护环境。
5、本发明既满足了航道建设的要求,又减少了生态环境的影响,降低了安全隐患,符合国家可持续发展战略,推广范围广。
附图说明
图1为本发明的实施例的施工总方案示意图;
图2为本发明的的挖掘接驳方案示意图。
具体实施方式
一种反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法,包括以下步骤:
一种反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法,包括以下步骤:
(1)前期准备:地质情况、施工环境条件踏勘以及后勤、补给组织与安排;
(2)方案制定:根据勘测情况制定详细施工方案以及施工流程图;
(3)淤泥覆盖层清理:采用反铲船或抓斗船对淤泥覆盖层进行清理;
(4)钻孔处理:根据勘探报告中岩石硬度大的区域,利用定位系统设定起始钻孔点,并定位布设钻孔点,使用钻孔设备根据定位点钻孔,同时根据施工过程遇到的情况调整钻孔机钻孔间距,并采用钻机穿钻孔进行预处理;
(5)反铲船开挖岩石:经步骤(4)处理的区域和岩石强度小的区域,按照施工方案采用反铲船进行挖岩施工;
(6)扫浅:对步骤(5)施工后的区域进行断面测量,测量合格的进行竣工验收,未满足挖深区域再次钻孔处理然后反铲船开挖岩石;
(7)工程结束进行验收。
以上所述的地质情况勘测是利用钻孔船在施工区域内加密进行钻孔取样,对土样进行检测,形成地质勘探报告;
岩石硬度大的区域为岩石强度大于40Mpa的岩石区,岩石强度小的区域为岩石强度小于40Mpa的区域。
以上所述的步骤(2)方案制定具体的是根据勘探报告,判定施工区内的岩石强度,划分岩石强度区域,再将施工区域进行分区分条。
以上所述的步骤(3)钻孔施工前还需根据勘测的情况并计算出覆盖层的量,然后将岩石上的表面的淤泥杂物清理干净,对岩石强度大于40MPa以上的区域选用反铲式挖泥船或者使用抓斗船挖泥船对岩石表面淤泥、粘土、碎石和强风化岩石进行清理。
以上所述的覆盖层工程量计算采用自检测量数据进行计算,其中使用方格网法进行计算,网格宽度为10m×10m。
以上所述的步骤(5)反铲船开挖岩石时还包括利用DGPS差分定位系统定位,通过计算机辅助决策系统可实时显示船舶平面位置,DGPS定位精度在1m之内,满足疏浚工程精度控制要求;
定位好的施工船采用后退法施工,对施工区域分区、分条和分层进行施工,工作时相应的调整施工船只的位置,同时根据相应的工作效率安排装驳施工船。
以上所述的所述的施工区域分条施工根据挖岩施工综合考虑,设定施工船在的分条宽度为15-17m(反铲船有效挖宽为15m,考虑条带的搭接宽度为2m);所述的施工区域分层根据施反铲船施工时挖掘的效率,也就是每铲开挖厚度根据土质情况不同有较大差别,开挖层厚一般不超过2m。对于上层淤泥类土、砂性土及粘性土等土质,铲斗与土表层角度较大,在挖深不大的情况下,可以达到每铲1.0m~1.5m;对硬质岩石,铲齿与土层表面角度较小,且入岩后需平铲立起,每层开挖厚度为0.5m~1.0m。
以上所述的步骤(5)反铲船开挖岩石时在潮汐工作环境下船舶要保持稳定工作位置,需依靠钢桩升起挖泥船,得到稳定平台,再利用PLC操作系统调节船体的偏差;
所述的施工船移动,施工船上的挖掘工作台车开始从艏钢桩向艉钢桩移动,当挖掘工作台车移动移动到艉钢桩时挖掘施工船抬起钢桩向后移动一个船位。
以上所述的布设钻孔点位采用孔与孔之间的距离为0.5m,钻孔半径为0.05m;所述的根据挖掘硬质岩石的硬度进行增加钻孔密度、钻孔半径和钻孔深度。
以上所述步骤(1)施工环境条件勘测,所勘测内容包括:施工区域的自然环境情况,其中包括气象、水文和工程地质;所述的后勤补给组织与安排,其中包括交通、通讯、医疗卫生、避风、工程机械修理、工程补给和工程机械靠岸点。
以上所述的施工船的挖掘小臂工作挖掘旋转角度范围50-60°。
现实施工中:
首先进行施工前期勘测与设计:
(一)施工区域内的自然条件:
(1)勘测施工区域的自然条件,从资料年限和工程安全方面考虑,勘测施工区域气温、降雨、雾、雷暴、相对湿度及风资料等。
(2)勘测水文情况并计算相关的水位数值:主要勘测的是施工区域内的潮型、基准面及换算关系、潮位特征值、设计水位、乘潮水位、施工水位、台风增水、波浪和潮流等影响施工的水位数据。
(3)工程地质:邀请设计勘测单位对该施工区域进行地质情况,然后根据设计勘测单位提供的疏浚吹填及软基处理工程礁石勘察报告(施工图设计阶段),以上揭示施工区域的地层主要由冲积、冲积洪积形成的地层。
(二)相关施工后勤和补给的组织与安排 :
(1)详细连接施工区域的交通和通讯条件保证,施工设备、工程材料、码头使用设备等可运至现场。
(2)医疗卫生条件了解,根据周边的医院进行后勤保证联系。
(3)船只设备的停泊和补给的方式,选择能够提供施工船只停泊的地方,以及燃料、淡水等补给计划通过专用船舶直接供应到施工船。
(4)施工船只的维修安排,施工期间遇有船舶检修或特殊作业需停靠码头时,可联系附近有关单位在工程基地码头临时停靠,具体位置由项目部与有关部门联系解决。
(5)施工干扰,在不影响施工区域的正常运行的情况下,合理考虑施工区域原有有可能影响施工进程的因素。
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如图1、2所示,本工程位于某港区内,勘测发现疏浚量共约556.7万m³,除礁工程量为15.93万方,设计挖深-17米,超深0.5米岩石淤泥覆盖层48万方,工期紧,任务重。周围有运营的码头,施工水域位于中华白海豚保护区,对施工技术的提出了更高的安全环保要求。
在除礁施工过程中,先投入了某大型绞吸船进行施工,该大型绞吸船采用最大开挖能力开挖完40MPa以下风化岩后,投入挖掘能力更大的某反铲船,该反铲船是目前国内乃至亚洲地区性能最优、挖掘能力最强的反铲式挖泥船。
采用反铲船施工后,仍有部分硬质岩石超出了该反铲船的挖掘能力。某基础建设工程质量检测中心对岩石进行了检测,这部分岩石主要成分为微风化花岗岩,呈灰白、灰黄等色,岩石的矿物成分主要由长石、石英及云母组成,呈块状结构,节理裂隙较发育,饱和单轴抗压强度值在41.7~97.3 MPa,平均为70MPa,该岩石属坚硬岩,岩体基本质量等级为Ⅲ类。
针对这种情况,项目部研究制定“反铲式挖泥船与钻机联合挖岩施工”的施工方法,即对风化硬质岩石开挖前采取钻机船对岩体进行钻孔预处理,再用反铲式挖泥船直接开挖的施工工艺,成功解决了风化硬质岩石的除礁难题,达到了预期效果,保证了工程顺利实施,取得了明显的经济效益和社会效益。
其中具体挖掘施工如下:
依据保证反铲船能够连续施工作业的原则,项目部根据礁石位置情况计划将反铲船施工区域划分为①、②、③三个区。
整体施工顺序安排为①区→②区→③区。待反铲船开舱完成后,计划于首日进入①区,根据分条(由西向东)进行开挖。
反铲船最大挖深约为19.8m,而反铲船在本工程计划施工的①、②、③区设计高程为-15.5m(加上0.5m超深,开挖高程达到-16m)。综合以上情况,分条时按照反铲船的最大挖深19.8m考虑,根据以往的施工经验,挖深-19.8米时,反铲船的有效挖宽为15m。考虑到施工时,每条之间有2米的搭接,因此,分条时宽度为13米。
反铲船施工时,每铲开挖厚度根据土质情况不同有较大差别,对于松散土质,铲斗与土表层角度较大,挖深较大,可以达到每铲500-700mm,对硬质岩石,铲齿与土层表面角度较小,且入岩后需平铲立起,每层开挖厚度为300-500mm。
本工程抛泥地点距离本项目约35km,根据反铲船以往的施工经验,以及本工程开挖效率的预期,选配3条1000m3舱容的泥驳能够满足装驳需要,且能较好地发挥泥驳效率,减少等待时间。
本工程的礁石硬度大,部分位置礁石的抗压强度达到了90Mpa以上,开挖难度较大,但礁石覆盖层主要为淤泥和残积土,开挖难度稍低,结合前期反铲船的开挖情况,拟定综合生产率为300m3/h。
反铲船最大挖深约为19.8m,而本工程礁石区设计标高为-17m和-15.5m,加上超深0.5m,实际开挖标高达到-16m,当潮高大于+4m时,将超出反铲船的挖深范围。综合考虑候潮、避让、靠离泊等因素,拟定时利率为50%。挖掘施工开始到结束总共工作时间为28天。
通过与传统的炸礁工艺相比的费用消耗比较如下:
钻机船用时3个月总钻孔面积9210m2,平均每天钻孔420个,钻孔船船舶租赁费270万,油耗80t,油耗费60万,以总费用为330万元左右的价格完成2万方的岩石钻孔预处理。
反铲船用时1个月完成2万方除礁装驳外抛任务,反铲船挖岩施工施工30天总费用500万元,以415元/m3的成本单价完成了硬质岩石的除礁。
如果采用传统炸礁工艺,该地区每天的放炮时间段为8:00~17:00,受施工时间的限制造成施工成本较高,尤其是在生态保护区,每次放炮前都要花费2个小时以上的时间驱赶珍惜海生动物。 则每天施工时间只有4个小时,长时间的船舶租赁费用及动物驱赶设备费用造成当地炸礁施工单价较高,根据咨询当地相似施工条件的施工单位,炸礁每方高达1000元,因此采用该工法比传统炸礁工艺降低了成本超过1000万元。能大大降低施工成本。
采用本施工方法的好处:
采用该工法,对在油码头、已运营的航道及码头前沿除礁施工的工程项目,大大降低了安全隐患的发生机率,保证周围施工设施的安全,同时减少了对海洋生态环境的影响,符合生态保护区内的施工要求,符合可持续发展的战略要求。
由于可直接对岩石进行处理、挖掘,施工简单,可快速组织施工,提高了工作效率,缩短了项目建设周期,使工程项目尽早投入使用,尽早发挥价值。
以上所述的实施例,只是本发明的较优选的具体方式之一,本领域的技术员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)前期准备:地质情况、施工环境条件踏勘以及后勤、补给组织与安排;
(2)方案制定:根据勘测情况制定详细施工方案以及施工流程图;
(3)淤泥覆盖层清理:采用反铲船或抓斗船对淤泥覆盖层进行清理;
(4)钻孔处理:根据勘探报告中岩石硬度大的区域,利用定位系统设定起始钻孔点,并定位布设钻孔点,使用钻孔设备根据定位点钻孔,同时根据施工过程遇到的情况调整钻孔机钻孔间距,并采用钻机穿钻孔进行预处理;
(5)反铲船开挖岩石:经步骤(4)处理的区域和岩石强度小的区域,按照施工方案采用反铲船进行挖岩施工;
(6)扫浅:对步骤(5)施工后的区域进行断面测量,测量合格的进行竣工验收,未满足挖深区域再次钻孔处理然后反铲船开挖岩石;
(7)工程结束进行验收;
所述的地质情况勘测是利用钻孔船在施工区域内加密进行钻孔取样,对土样进行检测,形成地质勘探报告;
所述的岩石硬度大的区域为岩石强度大于40Mpa的岩石区,岩石强度小的区域为岩石强度小于40Mpa的区域;
所述的步骤(2)方案制定具体的是根据勘探报告,判定施工区内的岩石强度,划分岩石强度区域,再将施工区域进行分区分条。
2.根据权利要求1所述的反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法,其特征在于:所述的步骤(3)淤泥覆盖层清理还包括根据勘测的情况并计算出覆盖层的量,然后将岩石强度大于40MPa以上的区域选用反铲式挖泥船或者使用抓斗船挖泥船对岩石表面淤泥、粘土、碎石和强风化岩石进行清理;
所述的覆盖层工程量计算采用自检测量数据进行计算,其中使用方格网法进行计算,网格宽度为10m×10m。
3.根据权利要求1所述的反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法,其特征在于:所述的步骤(5)反铲船开挖岩石时还包括利用DGPS差分定位系统定位,通过计算机辅助决策系统可实时显示船舶平面位置,DGPS定位精度在1m之内,满足疏浚工程精度控制要求;
定位好的施工船采用后退法施工,对施工区域分区、分条和分层进行施工,工作时相应的调整施工船只的位置,同时根据相应的工作效率安排装驳施工船。
4.根据权利要求3所述的反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法,其特征在于:所述的施工区域分条施工根据挖岩施工综合考虑,设定施工船在的分条宽度为15-10m;
所述的施工区域分层根据施反铲船施工时挖掘的效率,也就是每铲开挖厚度根据土质情况不同有较大差别,开挖层厚一般不超过2m。
5.根据权利要求1所述的反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法,其特征在于:
所述的步骤(5)反铲船开挖岩石时在潮汐工作环境下船舶要保持稳定工作位置,需依靠钢桩升起挖泥船,得到稳定平台,再利用PLC操作系统调节船体的偏差;
所述的施工船移动,施工船上的挖掘工作台车开始从艏钢桩向艉钢桩移动,当挖掘工作台车移动移动到艉钢桩时挖掘施工船抬起钢桩向后移动一个船位。
6.根据权利要求1所述的反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法,其特征在于:所述的布设钻孔点位采用孔与孔之间的距离为0.5m,钻孔半径为0.05m;所述的根据挖掘硬质岩石的硬度进行增加钻孔密度、钻孔半径和钻孔深度。
7.根据权利要求1所述的反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法,其特征在于:所述的施工环境条件勘测,所勘测内容包括:施工区域的自然环境情况,其中包括气象、水深、水文和工程地质;所述的后勤补给组织与安排,其中包括交通、通讯、医疗卫生、避风、工程机械修理、工程补给和工程机械靠岸点。
8.根据权利要求1所述的反铲式挖泥船与钻机船联合挖岩施工方法,其特征在于:所述的反铲船的挖掘小臂工作挖掘旋转角度范围50-60°。
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