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今天了解一下水下溝槽開挖的創(chuàng)新知識。
一、傳統(tǒng)水下溝槽開挖工藝概述
(一)挖泥船開挖工藝
抓斗挖泥船:抓斗挖泥船通過吊桿懸掛抓斗,利用抓斗的自重張開斗口,沉入水底后抓取泥土,再提升至水面,將泥土卸入泥駁或其他運輸工具。這種工藝適用于開挖較硬的粘性土、礫石等土質(zhì),在一些內(nèi)河及近岸工程中較為常用。然而,其開挖精度相對較低,難以滿足對溝槽尺寸和邊坡要求較高的工程,且對周邊水體擾動較大,易造成泥沙擴散。
鉸吸式挖泥船:鉸吸式挖泥船利用鉸刀裝置將水底泥土攪松,通過泥泵將泥漿吸入管道,并輸送至指定地點。它具有連續(xù)作業(yè)、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點,適用于開挖淤泥、松散砂土等土質(zhì)。但該工藝對設(shè)備的依賴性強,設(shè)備投資大,且在開挖過程中需保證管道的暢通,遇到復(fù)雜地形或大塊障礙物時,施工難度較大。
(二)爆破開挖工藝
對于巖石地質(zhì)條件下的水下溝槽開挖,爆破開挖是常用方法之一。通過在水下鉆孔、裝藥、起爆,將巖石炸碎,然后利用挖泥船等設(shè)備將破碎的巖石清除。爆破開挖能夠快速破碎堅硬巖石,但爆破作業(yè)風(fēng)險高,對周邊環(huán)境影響大,容易引起水體震動、沖擊波以及飛石等安全問題,同時也需要嚴格控制爆破參數(shù),以避免對周圍建筑物和生態(tài)環(huán)境造成破壞。
二、創(chuàng)新的水下溝槽開挖工藝
(一)射流沖挖工藝
原理與設(shè)備:射流沖挖工藝利用高壓水槍產(chǎn)生的高速水流沖擊水底泥土,使其松散并懸浮于水中,再通過泥漿泵將泥漿抽送至指定地點。該工藝主要設(shè)備包括高壓水泵、水槍、泥漿泵以及配套的管道系統(tǒng)等。例如,在某沿海城市的海底電纜敷設(shè)工程中,采用了一種新型的組合式射流沖挖設(shè)備,該設(shè)備將高壓水槍與泥漿泵集成在一個工作平臺上,能夠靈活調(diào)整水槍的噴射角度和壓力,以適應(yīng)不同的土質(zhì)條件。
優(yōu)勢與應(yīng)用案例:射流沖挖工藝具有開挖效率高、對周邊環(huán)境擾動小的優(yōu)點。在土質(zhì)為淤泥質(zhì)砂土的區(qū)域,相較于傳統(tǒng)抓斗挖泥船,射流沖挖工藝的開挖速度提高了近 30%,且泥漿排放集中,減少了對水體的污染范圍。在實際工程應(yīng)用中,某跨江輸氣管道工程采用射流沖挖工藝進行水下溝槽開挖,成功克服了江底淤泥層較厚、水流速度較快的難題,高效完成了溝槽開挖任務(wù),保障了管道鋪設(shè)的順利進行。
(二)水下機器人輔助開挖工藝
機器人系統(tǒng)構(gòu)成:水下機器人輔助開挖工藝借助先進的水下機器人技術(shù),實現(xiàn)對水下溝槽開挖的控制。水下機器人通常配備有高清攝像頭、傳感器、機械臂以及各種開挖工具,如銑輪、切割器等。通過遠程操控或預(yù)設(shè)程序,機器人能夠在水下復(fù)雜環(huán)境中自主作業(yè)。例如,一款用于水下溝槽開挖的智能機器人,采用了先進的聲吶導(dǎo)航系統(tǒng)和圖像識別技術(shù),能夠?qū)崟r感知周圍環(huán)境,自動規(guī)劃開挖路徑,并根據(jù)土質(zhì)變化調(diào)整開挖參數(shù)。
獨特優(yōu)勢與實踐成果:該工藝具有高精度、低風(fēng)險的顯著優(yōu)勢。在狹窄空間或?qū)﹂_挖精度要求極高的工程中,水下機器人能夠準確地按照設(shè)計要求進行溝槽開挖,誤差可控制在幾厘米以內(nèi)。在某核電站的取水管道水下溝槽開挖項目中,由于施工區(qū)域靠近核電站核心設(shè)施,對施工安全和精度要求極高。采用水下機器人輔助開挖工藝,不僅避免了傳統(tǒng)施工方法可能帶來的安全隱患,還確保了溝槽開挖的精度,為后續(xù)管道安裝提供了良好的基礎(chǔ),得到了業(yè)主和監(jiān)理單位的高度評價。
(三)定向鉆穿越結(jié)合水下開挖工藝
工藝流程與協(xié)同作業(yè):在一些大型水下管道穿越工程中,采用定向鉆穿越結(jié)合水下開挖的綜合工藝。首先,利用定向鉆在陸地上鉆出一個從起點到終點的導(dǎo)向孔,然后通過擴孔將孔徑擴大至滿足管道鋪設(shè)要求。在管道穿越水域部分,當定向鉆完成導(dǎo)向孔后,在水域兩側(cè)設(shè)置工作坑,采用水下開挖設(shè)備對工作坑及管道穿越區(qū)域的溝槽進行開挖,最后將預(yù)制好的管道通過定向鉆牽引至溝槽內(nèi)。例如,在某大型過江輸油管道工程中,定向鉆從南岸出發(fā),穿越長江后在北岸鉆出導(dǎo)向孔,同時在兩岸工作坑內(nèi)采用抓斗挖泥船配合水下清淤設(shè)備進行溝槽開挖,確保管道順利穿越長江。
適用場景與顯著成效:這種工藝適用于長距離、大口徑管道穿越寬闊水域的工程場景。它充分發(fā)揮了定向鉆穿越的高精度和水下開挖的靈活性,減少了水下作業(yè)的時間和風(fēng)險。通過該工藝,成功實現(xiàn)了大口徑輸油管道在復(fù)雜江底地質(zhì)條件下的穿越,與傳統(tǒng)水下開挖工藝相比,施工周期縮短了約 40%,大大提高了工程建設(shè)效率,同時降低了工程成本。
三、創(chuàng)新工藝實踐中的關(guān)鍵問題與解決措施
(一)設(shè)備可靠性與維護
常見問題:在創(chuàng)新的水下溝槽開挖工藝中,新設(shè)備的應(yīng)用較為廣泛,但這些設(shè)備往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在水下惡劣環(huán)境中運行時,容易出現(xiàn)故障。例如,水下機器人的電子元件可能因受潮、腐蝕而損壞,射流沖挖設(shè)備的高壓水槍噴嘴易磨損,影響施工效率和精度。
解決措施:為提高設(shè)備可靠性,研發(fā)單位采用了先進的防水、防腐技術(shù),對設(shè)備進行密封處理,并選用耐腐蝕材料制造關(guān)鍵部件。同時,建立了完善的設(shè)備維護保養(yǎng)體系,在施工前對設(shè)備進行全面檢查和調(diào)試,施工過程中實時監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài),定期對設(shè)備進行維護和保養(yǎng),及時更換易損件,確保設(shè)備的正常運行。例如,水下機器人配備了自動檢測系統(tǒng),當檢測到電子元件濕度超標時,能夠自動啟動除濕裝置,并向操作人員發(fā)送警報信息,以便及時采取措施。
(二)施工精度控制
精度影響因素:水下溝槽開挖的精度受到多種因素影響,如水流速度、土質(zhì)變化、設(shè)備操作誤差等。在水流速度較大的區(qū)域,射流沖挖產(chǎn)生的泥漿容易被水流沖走,導(dǎo)致溝槽形狀不規(guī)則;水下機器人在作業(yè)過程中,若受到水流沖擊或信號干擾,可能偏離預(yù)定開挖路徑。
控制策略:為解決施工精度問題,采用了多種技術(shù)手段。通過建立水流模型,預(yù)測水流對開挖過程的影響,提前調(diào)整施工參數(shù)。例如,在水流速度較快的區(qū)域,適當增加射流沖挖的壓力和泥漿泵的吸力,確保泥漿能夠及時被抽離。利用高精度的測量定位系統(tǒng),如水下 GPS、聲吶定位儀等,實時監(jiān)測開挖設(shè)備的位置和姿態(tài),對開挖路徑進行控制。水下機器人配備了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和姿態(tài)傳感器,能夠在信號丟失的情況下,依靠自身的導(dǎo)航系統(tǒng)繼續(xù)保持穩(wěn)定的開挖作業(yè),確保施工精度。
(三)環(huán)境保護與生態(tài)影響
環(huán)境影響分析:水下溝槽開挖過程中,無論是傳統(tǒng)工藝還是創(chuàng)新工藝,都可能對水體環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成一定影響。開挖產(chǎn)生的泥漿排放可能導(dǎo)致水體渾濁,影響水生生物的生存環(huán)境;爆破開挖產(chǎn)生的沖擊波可能對魚類等水生生物造成傷害。
環(huán)保措施實施:在創(chuàng)新工藝實踐中,高度重視環(huán)境保護。采用泥漿處理設(shè)備對開挖產(chǎn)生的泥漿進行凈化處理,將泥漿中的有害物質(zhì)去除后,再進行排放或回收利用。例如,某工程采用了新型的泥漿分離設(shè)備,通過多級過濾和沉淀,將泥漿中的泥沙、重金屬等雜質(zhì)分離出來,凈化后的水達到排放標準后排放,分離出的泥沙用于陸域填方。在爆破開挖工程中,優(yōu)化爆破參數(shù),采用微差爆破、預(yù)裂爆破等技術(shù),減少爆破沖擊波對周邊生態(tài)環(huán)境的影響。同時,在施工區(qū)域設(shè)置生態(tài)保護監(jiān)測點,實時監(jiān)測水生生物的數(shù)量和種類變化,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工方案,將生態(tài)影響降至更低。
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