一种弧状挖槽的绞吸船开挖方法

技术领域

本发明涉及于疏浚工程技术领域，尤其涉及一种弧状挖槽的绞吸船开挖方法。

背景技术

绞吸船是疏浚工程中最常见的挖泥船类型之一，其一般配备钢桩台车系统、横移系统、挖掘系统等，钢桩底部固定在海底泥土内，钢桩上部与台车连接，在台车液压缸的推动下实现船体前进或后退，绞吸船的绞刀在横移系统作用下绕钢桩做弧形运动，实现连续挖掘。

绞吸船一般开挖航道、港池、泊位等直线型规则区域，此时需要钢桩设置在挖槽的轴线上，挖槽左、右半幅的开挖面积相同。

但当绞吸船遇到船舶调头圆等弧形区域时，挖槽左、右半幅的开挖面积不同时，若绞吸船钢桩落在挖槽轴线上，将导致绞吸船左右横摆的进刀量和挖掘方量不均，内弧一侧进刀量和挖掘方量相对不足，挖掘生产率受到影响，而且这种影响会随着绞吸船进尺增加而不断增大，造成施工参数越来越难以控制、生产率和开挖质量受到越来越大影响。

发明内容

根据以上技术问题，本发明提供一种可在保证挖槽左右半幅挖掘方量相近的情况下减少移船次数，保证挖弧左右侧进刀量相近、挖掘生产率平稳高效，提高绞吸船产能，减少平面施工误差，并且适用于绞吸船开挖各类弧形挖槽的一种弧状挖槽的绞吸船开挖方法。

本发明提供一种弧状挖槽的绞吸船开挖方法，其特征在于具体步骤为：

步骤一：获取绞吸船船体尺度、挖槽左右边线以及轴线的开挖数据，并以此建立数学模型边界条件；

步骤二：获取绞吸船单个台车行程内左右边线相对进尺差，并以此数据为判别指标；

步骤三：计算航道轴线切点坐标和切线方程；

步骤四：获取绞吸船弧状挖槽的施工辅助导行图并保持绞吸船钢桩始终坐落在切线上进行横移挖掘。

所述步骤一中数学模型边界条件的具体计算方法为：

绞吸船钢桩台车行程为0时，设绞刀至钢桩水平距离L，台车最大行程为ΔL，钢桩台车行程最大时，绞刀至钢桩水平距离为

L+ΔL；

航道轴线离散点共m个，离散点Q

在离散点Q

所述步骤一中获取绞吸船船体尺度、挖槽左右边线以及轴线的具体计算方法为：

取连续三个离散点M

点M

挖槽宽度B，则内边线的曲率半径为R

|O

|O

|O

所述步骤二中获取绞吸船单个台车行程内左右边线相对进尺差的具体计算方法为:

过M

O

根据几何关系有：

|O

ΔO

/>

同理，ΔO

所以：

∠EO

弧长

同理：

∠DO

弧长

设弧长

绞吸船单个台车行程内左右边线相对进尺差为ε，设置临界值[ε]：

/>

所述步骤三的具体计算方法为:

通过上式解得x最大值x

|O

|O

则：

|M

|M

验算M

当满足|M

切线方程为：

所述步骤四的具体方法为：

按照步骤一至三所述的具体计算方法继续计算下一个切点及切线，并不断循环得到整个航道轴线各条切点和切线，在此基础上绘制绞吸船弧状挖槽的施工辅助导行图；

绞吸船在开挖时，首先将钢桩坐落在第一条切线上，绞刀与切点位置重合开始弧形开挖，船体沿第一条切线前行，当绞刀挖弧触碰到第二个切点时，绞刀在第二个切点处下放并接触海底，提起钢桩，绞吸船在螺旋桨或辅助船舶的帮助下，船体绕绞刀旋转，当钢桩移动至第二条切线上时下放钢桩，继续沿第二条切线前行开挖，当绞刀触碰到第三个切点时，操作同上，以此类推，直至弧形挖槽开挖结束。

本发明的有益效果为：本发明为可一种弧状挖槽的绞吸船开挖方法，可保证绞吸船挖弧左右侧进刀量相近、挖掘生产率平稳高效，避免内弧侧泥土供给不足导致挖掘生产率下降；同时可根据要求调整左右边线相对进尺差临界值，控制切点数量和间距，在保证挖槽左右半幅挖掘方量相近的情况下尽量减少移船次数，提高开挖效率节约时间；另外，可增大绞吸船挖弧与航道轴线及边线的夹角，优化绞吸船挖掘姿态，减少平面施工误差，提高挖掘精准度。

附图说明

图1为本发明弧形挖槽曲率半径示意图；

图2为本发明弧形挖槽左右边线相对进尺差计算示意图；

图3为本发明弧形挖槽左右边线相对进尺差计算示意图；

图4为本发明弧形挖槽轴线切点坐标计算示意图；

图5为本发明弧形挖槽轴线切线方程计算示意图；

图6为本发明施工辅助导行图。

附图标记：1.挖槽内边线；2.挖槽外边线；3.挖槽轴线；4.轴线切点；5.轴线切线；6.绞吸船。

具体实施方式

实施例1

根据数学模型计算航道轴线切点坐标和切线方程的步骤如下：

第一步：建立数学模型边界条件，计算方法为：

当绞吸船钢桩台车行程为0时，设绞刀至钢桩水平距离为L，则台车最大行程为ΔL，当钢桩台车行程最大时，则绞刀至钢桩水平距离为L+ΔL。

若航道轴线离散点共m个，离散点Q

在离散点Q

第二步：计算弧形挖槽曲率半径

如图2所示，连续三个离散点M

/>

点M

若挖槽宽度B，则内边线的曲率半径为R

|O

|O

|O

第三步：计算左右边线相对进尺差

如图3所示，过M

根据几何关系有：

|O

ΔO

同理，ΔO

/>

所以：

∠EO

弧长

同理：

∠DO

弧长

设弧长

绞吸船单个台车行程内左右边线相对进尺差为ε，设置临界值[ε]：

第四步：计算轴线切点坐标及切线方程

如图4所示，

|O

|O

则：

|M

|M

验算M

当满足|M

如图5所示，切线方程为：

第五步：根据施工辅助导行图进行实地实施

按照以上程序继续计算下一个切点及切线，并不断循环得到整个航道轴线各条切点和切线，在此基础上绘制绞吸船弧状挖槽的施工辅助导行图，如图6所示。

绞吸船在开挖时，首先将钢桩坐落在第一条切线上，绞刀与切点位置重合开始弧形开挖，船体沿第一条切线前行，当绞刀挖弧触碰到第二个切点时，绞刀在第二个切点处下放并接触海底，提起钢桩，绞吸船在螺旋桨或辅助船舶的帮助下，船体绕绞刀旋转，当钢桩移动至第二条切线上时下放钢桩，继续沿第二条切线前行开挖，当绞刀触碰到第三个切点时，操作同上，以此类推，直至弧形挖槽开挖结束。

实施例2

根据实施例1的计算方法，具体施工数据为：

某疏浚工程开挖弧形挖槽，弧形挖槽宽度120m，轴线弯曲半径310m，弧形挖槽角度180度，轴线长度937m。绞吸船钢桩台车行程为0时，绞刀至钢桩水平距离116m，台车最大行程为6m，钢桩台车行程最大时，绞刀至钢桩水平距离为122m。

起初绞吸船钢桩坐落在航道轴线开挖，开挖一个台车行程绞吸船沿轴线前进6m，外侧边线处前进弧长7.68m，内侧边线前进弧长6.34m，二者相差1.34m，左右边线相对进尺差，两侧进尺相差较大，造成绞吸船挖槽内弧侧泥土相对供应不足，挖掘生产率下降。若将绞吸船钢桩坐落在挖槽轴线以外位置，此时难以确定钢桩的桩位。

采用本方法，航道轴线离散点共1200个，间隔均匀，在离散点中每间隔10个数据选取一点，组成的离散点矩阵M，左右边线相对进尺差临界值设置为15％，计算结果为：切点数量16个，切线数量16个，相邻切点间弧长62.5m，形成施工辅助导行图，绞吸船在开挖一个台车行程时，左右边线前进弧长差最大为0.9m(此时内、外侧边线处前进弧长分别为6.5m和7.4m)。绞吸船在开挖时钢桩坐在切线上开挖，当船舶进尺至绞刀接触下一个切点时，移动钢桩并将桩位定位至下一个切线上继续挖掘，采用本方法，综合生产率较钢桩坐落在航道轴线开挖的方法提升4％。

实施例3

某另一疏浚工程开挖弧形挖槽时，弧形挖槽宽度100m，轴线弯曲半径410m，弧形挖槽角度180度，轴线长度1280m。绞吸船钢桩台车行程为0时，绞刀至钢桩水平距离95m，台车最大行程为6m，钢桩台车行程最大时，绞刀至钢桩水平距离为101m。

起初绞吸船钢桩坐落在航道轴线开挖，开挖一个台车行程绞吸船沿轴线前进6m，外侧边线处前进弧长7.76m，内侧边线前进弧长6.21m，二者相差1.55m，两侧进尺相差更大。

采用本方法，航道轴线离散点共1400个，在离散点中每间隔20个数据选取一点，组成的离散点矩阵M，左右边线相对进尺差临界值设置为12％，计算结果为：切点数量21个，切线数量21个，相邻切点间弧长58.4m，绞吸船在开挖一个台车行程时，左右边线前进弧长差最大为0.78m，采用本方法，综合生产率较钢桩坐落在航道轴线开挖的方法提升3.6％。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发明提到的各个部件为现有领域常见技术，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。