張偉

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

機制砂是指礦山開采的巖石經(jīng)機械破碎、研磨及篩分等工藝流程制成的碎石和石粉砂的混合物，機制砂作為可替代海沙的材料資源，具有取材廣，數(shù)量大的優(yōu)點，且根據(jù)設計要求，通過嚴格的生產工藝流程得到的機制砂質量可控且穩(wěn)定。在滿足填海材料缺口的同時，為了滿足施工進度的要求，必須結合機制砂特性，確定可與之適配的水力吹填設備。香港國際機場第三跑道填海工程（以下簡稱香港三跑工程）引入泵砂船作為水力吹填設備。泵砂船是指將絞吸船絞刀部位改造成儲砂漏斗的新型吹填設備，具有環(huán)保、操作簡單、效率高的優(yōu)點。機制砂和泵砂船轉吹工藝良好的適配性解決了香港三跑工程對于填海材料的需求數(shù)量大、質量高的難題，同時也滿足了工程進度、環(huán)保的要求。

1 機制砂質量規(guī)格

大型填海工程對于填海材料的需求量很大，天然砂作為優(yōu)質的填海材料，但受限于不可再生，日益短缺[1]，國家對天然砂的開采限制愈加嚴格，因此，機制砂的應用和推廣是滿足大型填海工程材料需求的突破口。機制砂生產工藝分為干法和濕法兩種[2]，它的質量主要取決于制備工藝[3]不同，受破碎環(huán)節(jié)、篩分環(huán)節(jié)的影響[4]。在香港三跑工程，根據(jù)設計標準，通過試驗檢測，選定了機制砂的質量規(guī)格，引進了滿足質量規(guī)格的廣東、福建、山東機制砂進場，并開辟了潼湖、泰盛定制生產線，為填海工程所需的機制砂提供了可靠的來源。本工程將不同石場的機制砂根據(jù)質量規(guī)格參數(shù)劃分為A—C 類型，質量參數(shù)主要關注級配、石粉含量、中值粒徑、碳酸鹽含量等指標，具體質量參數(shù)見表1。對于通過63 μm 篩網(wǎng)的機制砂，由于粒徑很小，俗稱此類機制砂所占的百分比為含泥量。

表1 機制砂的物理力學和化學特性參數(shù)Table 1 Physical mechanical and chemical properties parameters of manufactured sand

2 新型泵砂船吹填設備

傳統(tǒng)的填海工程多采用絞吸船進行吹填，絞吸船在進行海底直接開挖取砂或者蓄泥坑轉吹時，對海洋生物多樣性以及海洋生態(tài)環(huán)保帶來破壞。近年來，填海工程對環(huán)保的要求愈加嚴格，新型泵砂船[5]取代絞吸船的方案進一步得到推廣，實際應用率逐步增大。本工程采用的新型泵砂船是在傳統(tǒng)絞吸船的基礎上進行升級改造，具體結構見圖1，將絞吸船橋梁前端的絞刀結構拆除，用環(huán)保漏斗取代絞刀，之后將環(huán)保漏斗與吸入管口相連。泵砂船基本參數(shù)見表2。

圖1 新型泵砂船結構圖Fig.1 Structure drawing of new type sand pump ship

新型泵砂船通過水力的方式，依靠橋梁內部的水下泵和甲板增壓泵共同作用，在吸入管口形成真空，進而產生壓強差，使環(huán)保漏斗內機制砂與水的混合物經(jīng)過吸入、提升，并經(jīng)泥泵作用，由排泥管輸送到指定的吹填區(qū)。泵砂船吹填設備具有廣泛的適應性，且占用施工水域??；機制砂在環(huán)保漏斗和排泥管中運輸時擴散面小，環(huán)保；設備構造簡單，操作性強；施工效率高，作業(yè)成本低。泵砂船結構泵的參數(shù)見表3。

3 施工工藝分析

泵砂船轉吹機制砂的施工工藝前提條件是機制砂運輸至施工現(xiàn)場，采用皮帶船[6]作為輔助船舶承擔運輸任務。經(jīng)審核合格進場的港澳線皮帶船，手續(xù)齊全，全部符合兩岸相關法例的要求。供應的機制砂經(jīng)由運輸車、散貨船運輸至相應的碼頭，由碼頭設備裝載至皮帶船。裝船過程中，為保證皮帶船卸砂流暢，預先對皮帶船艙的底層進行鋪底，鋪設粒徑均勻的碎石。皮帶船裝載量在5000 t 左右，在裝駁滿載后，航行至施工現(xiàn)場。結合本工程限制條件，皮帶船航行至香港水域，進入龍鼓航道后，經(jīng)過航速限制區(qū)（航速＜10 kn）海洋公園保護區(qū)時需降速并避開保護區(qū)。皮帶船由工地東口進入施工區(qū)域附近，經(jīng)過機制砂驗收合格、量方、砂船現(xiàn)場調配后，依據(jù)船舶安裝的北斗導航系統(tǒng)，按照規(guī)劃好的航線前往泵砂船卸砂，由泵砂船轉吹至指定施工區(qū)域。

本工程對海洋環(huán)境保護要求高，皮帶船到達泵砂船之前，將優(yōu)先靠泊泵砂船附近的海堤、平板駁安裝環(huán)保套管。施工準備工作就緒后，皮帶船在泵砂船附近水域調整船位，將環(huán)保套管口的位置與泵砂船環(huán)保漏斗懸空對接，開始卸砂轉吹工作。施工過程中，為保證安全、高效的卸砂，皮帶船需嚴格控制卸砂速度，避免出現(xiàn)橋梁彎折[7]，堵管現(xiàn)象發(fā)生，同時泵砂船需打開沖水系統(tǒng)，促進機制砂形成水砂混合物，便于轉吹，提高施工效率。泵砂船轉吹機制砂工藝流程圖見圖2。

圖2 泵砂船轉吹工藝流程圖Fig.2 Flow chart of reclamation process of sand pump ship

泵砂船進行水力輸送時，主要考慮機制砂的特性對水平和垂直方向的水力輸送影響。結合本工程實際情況，影響水力輸送效率的主要因素是機制砂的粒徑以及不均勻系數(shù)。機制砂的特性根據(jù)設計標準確定，為滿足工程進度的要求，本工程引進的泵砂船規(guī)格，必須符合進度控制要求。

泵砂船轉吹機制砂施工工藝滿足本工程海洋環(huán)境保護要求高，施工水域狹窄，噪聲污染控制嚴格，海堤外水深淺，機場限高區(qū)密集，航速限制區(qū)多，海洋公園保護區(qū)面積大等多項限制條件。

4 結果數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本工程采用泵砂船轉吹機制砂施工工藝過程中，當機制砂粒徑較小時，皮帶船卸載機制砂難度較大，速率較低，同時機制砂在泵砂船環(huán)保漏斗內易形成黏稠狀聚合物不易轉吹，故對于粒徑小的機制砂，在裝船時應對皮帶船進行碎石鋪底，并應在泵砂船環(huán)保漏斗側壁加裝沖水裝置；當機制砂粒徑較大時，皮帶船卸載速率較大，但由于泵砂船轉運能力受限，大量的機制砂極易在泵砂船吸入管口堵塞，故對于粒徑大的機制砂應做好皮帶船與泵砂船效能的合理適配。通過對本工程采用的A—C 類型不同規(guī)格的機制砂[8]與泵砂船適配數(shù)據(jù)統(tǒng)計，選取具有代表性的數(shù)據(jù)進行列表，并對泵砂船轉吹工藝綜合施工效能進行分析。泵砂船轉吹工藝效能統(tǒng)計表見表4。

表4 泵砂船效能統(tǒng)計Table 4 Statistics of sand pump ship performance

根據(jù)機制砂試驗檢測報告顯示，所采用的機制砂最大粒徑在8～10 mm 范圍波動，故認為最大粒徑為定值，不作為效能影響因數(shù)分析。采用的泵砂船為“天獅”輪，在吹距為1000 m 的條件下進行轉吹，通過數(shù)理統(tǒng)計分析方法對列表數(shù)據(jù)進行處理，得出：泵砂船轉吹機制砂施工工藝在應用過程中，泵砂船施工產能隨著機制砂中值粒徑的增大而降低；機制砂隨著含泥量的增大導致皮帶船卸砂效率降低，導致泵砂船施工產能降低。

5 結語

機制砂作為填海材料應用于大型填海工程，在當下具有很高的借鑒意義，該種材料解決了天然砂來源減少、開采審批難、進度慢的問題，滿足了香港三跑工程對于材料的需求。同時，泵砂船在本工程的應用表明，相較于傳統(tǒng)的吹填設備，其具有環(huán)保、成本低、操作簡單安全等優(yōu)勢，特別適用于對環(huán)保有著高要求的填海工程。泵砂船轉吹機制砂工藝的應用滿足了本工程各項限制條件，同時還保證了工程的進度和質量。