吴松华，孙安

（1.中交水利水电建设有限公司，浙江宁波 315200；2.中交上航（福建）交通建设工程有限公司，福建厦门 361028）

0 引言

随着船舶技术的发展，绞吸挖泥船的生产能力得到大幅度提升，主流绞吸船的生产能力已达到3 500 m3/h及以上，管线直径达到850 mm以上，泥浆流速可达6.5 m/s，在吹填工程中效用显著。杨关信[1]首次将大功率绞吸船应用于防波堤砂垫层吹填施工。曾群等[2]采用小型绞吸船，用于吹填砂筑堤。高伟等[3]总结了绞吸船施工存在的普遍问题，并提出了解决措施。刘美荣等[4]从减小泥泵汽蚀的角度，提出绞吸船吹填细粉砂时，应采用低流速、高浓度施工方法。徐玉华等[5]分析了绞吸船施工与柴油机和泥泵工况、管路特性及操作措施的关系。苏文广[6]通过改造排泥管线，将大型绞吸船应用于袋装砂围堤吹填施工。钱柚钢等[7]利用绞吸挖泥船吹砂分层修筑围区子堰，主要为吹填3 m以上厚度的残积砂质粉质黏土和中粗砂。窦硕等[8]选取小型绞吸式挖泥船，使用无围堰开敞式吹填珊瑚砂施工。

某回填工程采取先筑堤，再进行场地吹泥及软基处理等后续施工，施工工艺为“吹泥+软基处理+砂垫层”，围堤断面宽度为60 m左右，吹填砂厚度只有1 m。采用3 500 m3/h绞吸船+850 mm大口径管线进行围堤及陆域形成吹填砂施工时，存在以下问题：吹砂管出砂口扩散半径达90 m，围堤吹砂断面无法有效控制，吹填砂流失大；场地内吹填砂厚度较薄，接管频繁，绞吸船功效降低；接管、移位容易在吹填区形成沙坑或沙堆，吹填面平整度、标高控制差，机械整平费用高。研究改用3 500 m3/h绞吸船+大口径主管线（850 mm铁管）+转换装置（五通）+多个分支的小口径管线（450 mmPE管）进行浅薄砂层及围堤吹砂的可行性。

1 转换装置——五通的设计及选用

转换装置的设计及选用主要考虑以下方面：1）要能够把大口径主管和小口径支管进行密切连接；2）在主管、支管管径一定的条件下，选择合理的分支个数；3）为了达到减少绞吸船吹砂过程中停工拆接管线的时间，提高吹砂效率的目的，要在转换装置每个支管连接处设置一个独立闸阀；4）要尽量减少水头损失。

工程前期在对较厚砂层施工过程中一直采用850 mm铁管，因此本研究仍采用该管线做为主管线。通过对市场的调查，结合以往的施工经验，决定选用市面上使用较多的450 mmPE管（聚乙烯）作为支管线。由此计算得出：直径850 mm的主管线截面面积S1=0.567 m2，直径450 mm的支管线截面面积S2=0.159 m2，S1衣S2=3.56。

因此在暂不考虑水头损失的情况下，转换装置应至少保证3根支管线同时施工才能确保绞吸船的施工效率和船舶各类设备工作状态不产生较大改变。为了达到增加转换装置后，减少绞吸船停工拆接管线时间，提高船舶吹砂效率的目的，还需配备更多的支管线进行交替施工。综合以上考虑决定将转换装置设置为五通，见图1。

图1 五通场地内吹砂Fig.1 Sand blowing in five way pipe

2 支管开启数量和铺设长度

根据现场吹砂施工记录，在主管线长1 760 m、吹填细砂工况下，得到主管内流速在支管线延长和开启不同数量支管情况下的变化规律，见图2。

图2 支管线长度与主管流速变化规律曲线Fig.2 Curve of branch pipe length and main pipe velocity

由图2可看出，当采用1或者2根支管吹砂时，支管延伸长度超过100 m后流速降到4 m/s以下，根据施工经验极易发生堵管现象。当开启4或者5根支管线时，为了维持主管流速，绞吸船泥泵需超负荷运转，对绞吸船各类设备产生很大的损害。

为保持最优施工状态，以开启3根支管线同时施工为宜，且支管线最大延伸长度可达150 m。

3 应用效果分析

3.1 在狭长围堤吹砂施工中的应用

对各种方案的实测断面和设计断面进行数据分析，见表1。

表1 各方案吹砂围堤断面数据分析表Table 1 Analysis of section data of sand blowing cofferdam in each scheme

采用绞吸船+850 mm铁管的施工工艺进行吹砂，该施工方案由于采用绞吸船功率大，吹砂管径粗，出砂口能量大，导致大量砂流失到设计断面外，造成极大损失。吹砂厚度3 m的情况下，吹砂范围达到180 m，远超过设计围堤断面宽度60 m，导致回填砂损失率达到33.12%，从经济效益上来说是完全不可接受的。此外，该方案后期整平过程中需要投入大量整平、修坡机械，对经济效益和施工进度都造成极为不利的影响。

采用绞吸船+五通装置+450 mm的PE管进行吹砂施工后，砂的流失量大幅减少，需回挖工程量也大幅减少，整平、修坡机械台班费用明显降低，但损失率仍较高。

对绞吸船+五通装置+450 mm的PE管施工工艺进一步改进，将出砂口布置在围堤轴线上，同时在出砂口位置布置挖机，在出砂口两侧与吹填砂进度同步修筑临时子埝起围挡作用，抬高出砂管口位置回填砂的标高，确保实际吹填工程量达到设计工程量。通过对吹砂口施工工艺改进后，流失到设计断面外的砂量极大减少。后期整平过程中，仅需要通过装载机对超高部分转运推平，无需采用效率较低的挖机先进行回挖，整平效率得到极大提高。虽然前期增加挖机的投入，但是减少了回填砂的损失和后期回挖过程中挖机的投入，经济效益仍得到很大提高。

3.2 在场地浅薄砂层吹砂施工中的应用

同时开启3根支管线进行吹砂施工，当支管线接长达到150 m后进行主管线延伸接长。本研究所采用的支管线单根管长14 m，在软基处理砂垫层吹填1.5 m厚度的情况下，每3 h需要对支管线接管1次，经过2~3 d支管线接长度达到150 m左右，理论上绞吸船可以连续施工2~3 d，只有当主管线需要拆卸、接长时，绞吸船才需要停工接管，这就极大地延长了绞吸船作业时间，提高吹砂施工效率。

根据绞吸船船舶报表，五通吹砂和单管吹砂生产率相差约200 m3/h。考虑拆接管线对绞吸船停工产生的影响，采用五通吹砂每天理论吹砂时间可以达到21 h，而采用单管吹砂每天理论吹砂时间只有14 h。采用五通吹砂产量比单管吹砂产量多1万m3/d左右。

4 操作要点

吹砂工艺流程为：运砂船向储砂坑抛砂寅绞吸船从储砂坑吸砂寅850 mm主管线输砂寅五通分流寅450 mm支管线输砂寅吹填到指定位置和标高。与传统绞吸船吹砂的主要区别就在于增加了1个五通装置和支管线。

1）为保证绞吸船在有效施工排距范围内，在稳定的施工状态和额定功率下，能够维持足够的流速不发生堵管现象，根据理论计算和现场实际施工情况，在正常施工条件下应保持3根支管线同时进行吹砂施工，其余2根支管线处于关闭状态备用。当3根正在施工的管线中某1根管线吹填标高到位后将该支管线的阀门关闭，进行拆接支管线作业，同时将1根备用支管线的阀门打开，继续保持3根支管线同时施工作业。

2）受水头损失的影响，当支管线接伸长度达到一定长度后，如果继续延长会导致水头损失增大、主管流速降低，容易发生堵管现象。因此在这个时候需要绞吸船暂时停工，对主管线进行接伸延长，此后再连接五通和支管线继续下一个循环的施工作业。

3）采用五通吹砂后，由于多个支管线要轮流拆接，管线班组的工作强度会明显增大，管线作业施工机械和施工人员都要相应的增加才能满足频繁接管的要求。但是采用五通吹砂可以极大地减少整平施工工程量，加快工程进度。

5 结语

1）通过应用五通转换装置，可有效降低出砂口流量，在直接吹砂成堤施工中可将砂的损失率从33%降至17%，而在浅薄砂层施工中可以扩大出砂口作业面，有效控制砂层的厚度和平整度，解决了传统大型绞吸船不适用于狭长围堤和浅薄砂层吹砂施工问题。

2）根据现场施工条件，通过管线沿程阻力损失计算结合实际施工流速变化规律，可以确定五通转换装置的支管线最佳开启数和最大延伸长度，且五通中的任一通道进行拆接不影响其余通道施工，可减少绞吸船停工接管次数。