絞吸船在吹填復(fù)雜土質(zhì)下的施工難點分析及對策研究

■黃宗福

(福建漳龍建投集團(tuán)有限公司，漳州 363800)

1 項目背景

福建省漳州市古雷石化園區(qū)(北區(qū))填海造地工程I標(biāo)段工程位于古雷鎮(zhèn)古雷半島西北側(cè)、東山灣東北部海域。工程范圍為東山灣東部、古雷半島中部近岸區(qū)域，北起西林村岸線、南至油沃村岸線，岸線長度7.65km。

施工內(nèi)容主要包括外護(hù)岸、排洪渠、隔堤、疏浚、吹填與地基處理等，疏浚范圍為南儲砂坑及運砂通道，南儲砂坑設(shè)計底標(biāo)高-13.5m，運砂通道設(shè)計底標(biāo)高-10.5m，總計疏浚量590萬m3。疏浚料吹填至陸域B-1區(qū)、B-2區(qū)內(nèi)。其中南儲砂坑吹填B-1區(qū)時，最遠(yuǎn)吹距約4100m，平均吹距約3500m。運砂通道LH4+350以北吹填B-1區(qū)時，最遠(yuǎn)吹距約6300m，平均吹距約4750m。項目總吹砂量4200萬m3，建安總造價24.7億元。

根據(jù)設(shè)計單位提供的巖土工程勘察報告，南儲砂坑四個鉆探點 (SJ14、SJ15、SJ20、SJ21)的鉆探資料表明，除SJ15鉆探點含有3.8m粉質(zhì)粘土，其余鉆探點以淤泥及淤泥質(zhì)粉砂為主；運砂通道三個鉆探點(SJ23、SJ27、SJ30)的鉆探資料表明，除SJ23鉆探點含0.96m粉質(zhì)粘土，其余鉆探點深度在-4.3m左右至原泥面時，土質(zhì)分布為淤泥，屬于淤泥土類1級。深度在-9.0m至-4.3m時，土質(zhì)分布為淤泥質(zhì)土。

但在實際開挖過程中發(fā)現(xiàn)，南儲砂坑開挖土質(zhì)以粉質(zhì)粘土為主，深度在-7m以下，且遺留養(yǎng)殖垃圾過多；運砂通道在樁號K6+400～K6+700及以北范圍，表層1～2m為粉細(xì)砂，屬于砂土類7級，且分布大量漁網(wǎng)等垃圾，下層為硬黏土，屬于粘性土類5①級。南儲砂坑及運砂通道實際土質(zhì)與勘察報告所揭示的土質(zhì)嚴(yán)重不符，造成破土效率低及需經(jīng)常清理絞刀，進(jìn)而嚴(yán)重影響絞吸船舶的施工效率和時間利用率。

本文通過對古雷填海造地工程實例的分析，介紹絞吸船在應(yīng)對復(fù)雜土質(zhì)下的施工工藝及施工方案優(yōu)化，通過現(xiàn)場實際施工驗證，經(jīng)優(yōu)化后的施工效果良好，對類似工程施工具有一定指導(dǎo)意義。

2 疏浚施工技術(shù)

2.1 施工方法

絞吸船施工方法為橫挖法，橫挖法又分為對稱鋼樁橫挖法、定位樁臺車橫挖法、錨纜橫挖法。對稱鋼樁橫挖法和定位樁臺車橫挖法原理極其相似，定位樁臺車橫挖法相比對稱鋼樁橫挖法多一個臺車系統(tǒng)，臺車鋼樁定位精度更高，更能有效避免重挖、漏挖現(xiàn)象，且移船就位極為方便快速。在施工區(qū)域流速過大時，可采用錨纜橫挖法。錨纜橫挖法是以艏(或艉)錨為擺動中心，利用絞車收緊橫移方向邊錨纜，同時放出反方向的邊錨纜進(jìn)行左右移動橫移挖泥。自挖槽一邊挖至另一邊后收進(jìn)主錨前移適當(dāng)距離，在向反方向橫移開挖。以船艏為擺動中心，其絞切平面軌跡成反月牙形。

古雷項目絞吸船施工采用定位樁臺車橫挖法。

2.2 順逆流施工

在不考慮在內(nèi)河施工的情況下，絞吸船施工需考慮漲落潮來選擇合適的施工方向。類似古雷工程此類絞吸船近海施工作業(yè)工程，受潮流影響大，不宜進(jìn)行橫流施工。橫流會對鋼樁造成一定威脅，橫流對定位鋼樁施加了一個橫向的作用力，有使鋼樁彎曲變形的潛在風(fēng)險。而且橫流會增加絞刀頭散落量，會在一定程度上降低施工效率。

圖1 吹填施工平面布置圖

2.3 分條施工

絞吸船最大挖寬：一般不宜超過船長的1.1～1.2倍，視當(dāng)?shù)厮髁魉佟M移錨纜拋放長度和該土質(zhì)下橫移錨的抓地能力而定。一般來說，流速越大、土質(zhì)越松散，最大開挖寬度越小，反之亦然。

絞吸船最小挖寬：當(dāng)浚前水深小于挖泥船的吃水時，最小挖寬等于絞刀頭挖到邊線時，艏船體兩角不至于碰撞岸坡時的最小寬度。當(dāng)浚前水深大于挖泥船的吃水時，最小挖寬采用等于挖泥船前移換樁時所需的擺動寬度。以8527型絞吸船為例，其最大挖寬和最小挖寬分別約120m和80m。

2.4 分層施工

分層挖泥的厚度應(yīng)根據(jù)土質(zhì)和挖泥船絞刀的性能確定，宜取絞刀直徑的0.5～2.5倍，對堅硬土取較低值，對松軟土取較高值；分層的上層宜較厚，以保證挖泥船的效能；最后一層應(yīng)較薄，以保證工程質(zhì)量；當(dāng)浚前泥面在水面以上，或水深不足挖泥船的吃水時，最上層開挖深度應(yīng)滿足挖泥船吃水和最小挖深的要求。當(dāng)泥層過厚時應(yīng)在高潮挖上層，低潮挖下層，以減少坍方。

3 吹填施工難點

在疏浚施工中，由勘查資料表明，南儲砂坑及運砂通道內(nèi)土質(zhì)以淤泥及淤泥質(zhì)粉砂為主，屬于淤泥土類1級，吹填施工較為容易。但實際施工時發(fā)現(xiàn)南儲砂坑及運砂通道開挖土質(zhì)以粘土為主，且表層存在大量漁網(wǎng)、竹竿、石柱等垃圾。導(dǎo)致絞吸船施工時頻繁包裹絞刀頭，并有堵管的風(fēng)險，影響施工效率，進(jìn)而對本就緊張的工期造成影響。

絞吸船在對粘土與淤泥質(zhì)土施工時，因這兩種土質(zhì)的輸送性不同，淤泥質(zhì)土吹送濃度及流速較高，而粘土的吹送濃度不宜過高。其流量和流速的控制有著很大差異，尤其是在長排距下，造成的差異更加明顯。長排距下粘土極易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。如果是水上管被堵，則需要1～2天時間來搶修；如果是沉管被堵，首先堵塞位置不易確認(rèn)，且確認(rèn)之后難以處理修復(fù)，若出現(xiàn)錨艇無法吊起被堵沉管的問題，則修復(fù)需要花費大量時間和精力。

根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，南儲砂坑和運砂通道的最遠(yuǎn)吹距分別達(dá)到了4100m、6300m。遠(yuǎn)大于現(xiàn)場施工船舶開挖粘土的最佳吹距。管線堵塞的風(fēng)險大大增加。究其原因大致如下：

3.1 表層養(yǎng)殖垃圾過多

圖2 垃圾及粘土包裹絞刀頭

對現(xiàn)場施工區(qū)域進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)南儲砂坑及運砂通道曾為漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)，開挖表層覆蓋大量漁網(wǎng)、鐵錨等養(yǎng)殖垃圾。當(dāng)絞刀頭被垃圾包裹后，極易附著粘土，絞刀幾乎沒有破土能力，會出現(xiàn)滾刀現(xiàn)場。吸入真空增大，流速下降，當(dāng)流速小于粘土球臨界啟動流速后，粘土球沉積在管內(nèi)造成堵管。

3.2 施工工藝不合適

對現(xiàn)有工況、施工船舶開挖操作方式結(jié)合粘土特性進(jìn)行研討分析，討論現(xiàn)有操作方式在開挖粘土?xí)r是否適用。經(jīng)會議討論與分析，一致認(rèn)為在現(xiàn)有工況條件下，施工區(qū)距離吹填區(qū)過遠(yuǎn)，長排距和粘土土質(zhì)已是既定事實無法改變，開挖淤泥質(zhì)土的施工工藝并不適用，不能一味追求高濃度、高產(chǎn)量。需改進(jìn)施工工藝，施工時首先考慮降低堵管風(fēng)險，保證船舶順利施工。

3.3 管線布設(shè)不平緩

對現(xiàn)場包括相鄰標(biāo)段在內(nèi)的所有船舶、管線進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查是否有其他船舶、管線干擾導(dǎo)致施工船舶管線布設(shè)不平緩、多處大角度彎頭、爬坡角度過大，輸送阻力增大的現(xiàn)象存在。調(diào)查結(jié)果顯示，有兩艘7025型絞吸船在南儲砂坑施工，一艘8527型絞吸船在運砂通道施工，因南儲砂坑及運砂通道空間有限，船舶管線布設(shè)相互影響，水上管及沉管不能按照最佳線路布設(shè)，粘土輸送收到影響。

4 工程重點、難點及相應(yīng)對策

4.1 改進(jìn)開挖操作方式

粘土和淤泥因其不同的土質(zhì)特性，適用的開挖操作方式也不同。粘土因為粘性大、附著力強、流動性差，對排泥管內(nèi)的濃度和流速要求高，開挖和輸送難度大于淤泥，尤其是長排距的情況下。需要對開挖操作進(jìn)行改進(jìn)，降低堵管的風(fēng)險。

(1)改進(jìn)切土厚度

挖泥船在開挖的過程中，絞刀的切土厚度主要是由絞刀的尺寸和土質(zhì)情況而定。開挖淤泥時一般不會大于絞刀的平均直徑。開挖粘土?xí)r則要縮減切土厚度，其主要原因是：①粘土硬塑性高于淤泥，土質(zhì)較硬，切土困難；②切土厚度越大，在管道內(nèi)形成的粘土球體積越大，也越難輸送。8527型絞吸船在開挖淤泥時，切土厚度4m左右；開挖粘土則調(diào)整為2～3m。通過降低切土厚度，減少開挖粘土?xí)r的濃度，保證粘土的流速，避免因流速過低導(dǎo)致粘土在管道內(nèi)淤積。

(2)改進(jìn)前移距離及橫移速度

控制前移距離及橫移速度的目的是為了控制泥泵吸入的泥漿濃度。開挖淤泥時，為了提高生產(chǎn)效率，必然會提高泥漿濃度，而泥泵對于淤泥和粘土的吸入及輸送能力是不同的。在開挖粘土?xí)r，如果前移距離及橫移速度過大、過快，會產(chǎn)生兩種不良后果：①單位時間內(nèi)絞刀切土量大于泥泵吸入量，會遺留部分土方在水底，影響施工質(zhì)量及成本；②單位時間內(nèi)泥泵吸入泥漿濃度過高，使泥泵輸送阻力增大，排壓增大，流速下降，當(dāng)流速低于粘土球的臨界啟動流速時，粘土球沉積在排泥管底部，導(dǎo)致排壓進(jìn)一步增大，惡性循環(huán)下，極易發(fā)生堵管現(xiàn)象。8527型絞吸船開挖淤泥時前移距離1m，橫移速度12m/min；根據(jù)以往開挖粘土的施工經(jīng)驗及本工程工況條件，結(jié)合試挖過程中的各種參數(shù)變化，調(diào)整開挖粘土的前移距離為50cm～70cm，橫移速度 8m/min～10m/min。將泥漿濃度控制在 1.2t/m3，流速控制在 4.5m/s～5.2m/s范圍內(nèi)。

對于開挖粘土來說，高濃度并不等于高產(chǎn)量。需調(diào)整前移距離及橫移速度，找到最佳的泥漿輸送濃度和流速，使排壓和泵機負(fù)荷不至于過高，保證船舶的正常施工。既能降低堵管風(fēng)險，也能提高生產(chǎn)效率。

(3)規(guī)范起錨、換臺車時的操作

絞吸船在開挖過程中起錨、換臺車時，會出現(xiàn)排壓下降的現(xiàn)象，導(dǎo)致流速降低，一旦流速低于臨界流速，就可能出現(xiàn)堵管問題。因此駕駛員在進(jìn)行起錨、換臺車的操作前，需調(diào)節(jié)管內(nèi)濃度及流速，空出一定的預(yù)留量，避免因起錨、換臺車造成堵管。

4.2 優(yōu)化管線布設(shè)

管線的布設(shè)對于粘土的輸送也有很大影響。管線的彎曲角度越大、爬坡角度越大、鋪設(shè)不平緩等因素，都會增加泥漿輸送時的局部水頭損失，相當(dāng)于增加了管線長度，導(dǎo)致輸送阻力增加，加大堵管風(fēng)險。

吹填區(qū)內(nèi)的管線要著重標(biāo)高控制，采用分塊分條吹填的方式，確保吹填區(qū)內(nèi)無死角和后期整平的效率結(jié)合?，F(xiàn)場管線作業(yè)施工隊要多和施工船舶進(jìn)行溝通，可結(jié)合修理、加油、測量、移船等生產(chǎn)間歇來配合接管改管，充分提高時間利用率。

4.3 利用錨艇進(jìn)行拖耙清理

針對施工區(qū)域表層垃圾較多的問題，項目部根據(jù)現(xiàn)場水深等工況條件，自制耙頭進(jìn)行拖耙清理。經(jīng)過拖耙后，施工區(qū)表層垃圾大大減少，不僅降低了堵管的風(fēng)險，也提高了船舶施工的時間利用率。經(jīng)過錨艇拖耙后，船舶清理絞刀頭的時間占比(清絞刀時間比運轉(zhuǎn)時間)由拖耙前的19%降低至5%。

通過以上措施改善施工工藝，優(yōu)化管線布設(shè)及運用創(chuàng)新技術(shù)自制耙平器清理輔助施工后，絞吸船舶的施工效率和有效時間利用率都得到明顯改善，產(chǎn)量顯著提升，工期得到保障?，F(xiàn)場實采數(shù)據(jù)詳見表1～4。

表1 改進(jìn)開挖操作方式前后相關(guān)數(shù)據(jù)對比

表2 優(yōu)化管線布設(shè)前后相關(guān)數(shù)據(jù)對比

表3 應(yīng)用自制耙平器進(jìn)行拖耙清理前后相關(guān)數(shù)據(jù)對比

表4 施工總體優(yōu)化前后相關(guān)數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)語

目前，許多國家和地區(qū)采取了吹填造陸的方式來增加土地面積，本吹填工程采用以上措施改進(jìn)提升后，經(jīng)測量觀測，船舶堵管風(fēng)險降低，清理絞刀表面垃圾時間及頻率減小，施工效率得到大幅提高，為今后此類吹填工程提供了實例參照。