洋山深水港區(qū)四期工程碼頭下方清淤技術(shù)

黃飛宇，趙飛，沈偉平*

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交上海航道局有限公司，上海 200136）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來越多的港口建造了高樁碼頭，但受泥沙的回於影響，高樁碼頭下方內(nèi)部會(huì)淤積大量泥沙，導(dǎo)致鋼樁承受泥沙的壓力作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼樁傾倒碼頭局部坍塌。為保持高樁碼頭的長期穩(wěn)定性，必須對碼頭下方進(jìn)行針對性維護(hù)疏浚。

1 工程概況

上海國際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)位于杭州灣口東北部，上海市蘆潮港東南的崎嶇列島海區(qū)嵊泗縣海域，東臨黃澤洋，北鄰長江口。四期工程位于小洋山島鏈最西端，與洋山二期工程相鄰，碼頭總長2 350 m。洋山深水港區(qū)水路北距長江口燈船72 km（江海航道），西距蘆潮港約32 km，南至寧波北侖港90 km，東經(jīng)黃澤洋直通外海，到國際遠(yuǎn)洋航線航距約104 km。陸路由32.5 km的東海大橋與上海南匯區(qū)蘆潮港相連。

疏浚工程范圍包括：四期工程碼頭前沿停泊水域、船舶回旋及連接水域、港內(nèi)航道和碼頭下方疏浚。其中碼頭下方碼頭前沿線向里30 m范圍取1∶3，30 m以外取1∶2[1-2]；與回旋及連接水域之間過渡邊坡取1∶15。施工區(qū)域平均高潮位3.88 m，平均低潮位1.44 m，樁徑分1.5 m樁和1.3 m樁，長樁距60 m，短樁距30 m。本文重點(diǎn)研究的是碼頭下方疏浚的施工技術(shù)。

2 碼頭下方清淤難點(diǎn)

碼頭下方清淤是一種工程量小，但施工難度較大的特殊疏浚工程[3]。其施工主要難點(diǎn)是施工效率相比一般的疏浚工程低很多，且施工安全隱患較大，導(dǎo)致這種情況的主要原因是：

1）有效作業(yè)時(shí)間短。由于碼頭下方水面以上的凈空高度較低，加上碼頭下方有鋼管樁及（軌道）承重梁、預(yù)應(yīng)力橫梁，且受漲落潮水的影響，施工設(shè)備與人員在進(jìn)出碼頭下方排架之間的施工水域作業(yè)時(shí)條件極為苛刻，所以必須抓緊漲落潮時(shí)的適合空間（水面以上凈空高度）進(jìn)行施工，平均每天24 h內(nèi)碼頭下方有效工作時(shí)間僅約10～14 h，有效作業(yè)時(shí)間有限，時(shí)間利用率約為50%。

2）有效作業(yè)天數(shù)少。由于船體較小，采用小型船機(jī)組在碼頭下方清淤施工時(shí)，對涌浪、大風(fēng)和大霧等水文和天氣因素較為敏感，受天氣影響同樣較大，如果工程受臺(tái)風(fēng)影響天數(shù)多，冬季寒潮大風(fēng)頻發(fā)，全年涌浪、大霧和強(qiáng)對流等惡劣天氣較多，將直接導(dǎo)致小型船機(jī)的可作業(yè)天數(shù)較少。在洋山港四期工程中，自2016年10月18日—2017年3月14日日歷天為158 d，實(shí)際碼頭下方清淤作業(yè)天數(shù)為60 d，僅占日歷天的37.97%。

3）安全隱患大，施工效率低。受小型船機(jī)施工設(shè)備、作業(yè)面空間、施工工藝、操作人員施工操作不熟練等因素影響，單艘小型船機(jī)前期疏浚的單位小時(shí)效率僅在25 m3/h左右，施工強(qiáng)度有限，再加上有效作業(yè)時(shí)間少，很難滿足工程進(jìn)度的需要。同時(shí)在碼頭下方施工環(huán)境差，水底存在具有傷害性的垃圾，施工安全隱患較大。

3 施工工藝

洋山四期工程碼頭下方清淤總體施工工藝是通過抓斗船在碼頭前沿挖掘出一道儲(chǔ)泥槽，再通過小型船機(jī)進(jìn)入碼頭下方內(nèi)疏浚作業(yè)，將碼頭下方的泥沙排放到儲(chǔ)泥槽中。本文對傳統(tǒng)施工工藝小型船機(jī)（絞吸型）疏浚和創(chuàng)新的耙斗疏浚船（挖掘型）疏浚進(jìn)行介紹，并在施工效率及安全性上進(jìn)行對比分析。

3.1 小型船機(jī)施工工藝

1）母船定位

在滿足小型船機(jī)生產(chǎn)條件時(shí)，定位船先行定位到指定的區(qū)域，定位母船船首拋2個(gè)交叉錨，內(nèi)錨由碼頭系纜攏岸作業(yè)，錨位上系自亮浮燈警示標(biāo)志保證其他船舶航行安全。船尾拋交叉錨，內(nèi)錨由碼頭系纜樁攏岸作業(yè)，錨位上系自亮浮燈警示標(biāo)志[4]。母船離開碼頭前沿10 m左右，定位完成并把小型船機(jī)放入水中，最后定位小型船機(jī)。

2）小型船機(jī)定位

操作人員把其中2個(gè)卷揚(yáng)機(jī)上的鋼絲繩系在母船，用小船把另外2個(gè)卷揚(yáng)機(jī)的鋼絲繩固定在橋墩上。操作人員穿戴安全帽和救生衣下到小型船機(jī)控制室，操控卷揚(yáng)機(jī)到指定的區(qū)域。放下吸泥泵進(jìn)行施工。

3）小型船機(jī)清淤施工

工作時(shí)小型船機(jī)進(jìn)到碼頭下方，利用船下方的2個(gè)絞刀擾動(dòng)沙土，然后用吸泥泵吸泥并將泥漿噴至事先開挖好的儲(chǔ)泥槽內(nèi)，施工示意圖如圖1所示，機(jī)械達(dá)不到的地方或者遇到障礙物則由人工進(jìn)行處理。

圖1 小型船機(jī)施工示意圖Fig.1 Construction diagram of small boat machine

3.2 耙斗疏浚船施工工藝

3.2.1 耙斗設(shè)計(jì)

針對碼頭下方清淤的工況條件，設(shè)計(jì)出一套水下削坡專用耙泥斗，專門用于碼頭底部削坡清淤的施工作業(yè)。其需要與疏浚船共同使用，簡稱耙斗疏浚船，見圖2。其主要裝備有：

圖2 耙斗疏浚船俯視圖Fig.2 Top view of harrow dredging vessel

1）耙斗。耙斗寬度為1.3 m，長度為4.5 m，在鋼絲繩牽引力的作用下挖進(jìn)泥層，下部焊接的耙齒為耙斗提供了較好的破土能力，見圖3。

圖3 水下削坡專用耙斗圖Fig.3 Mud rake bucket for underwater slope cutting

2）沉塊。沉塊的重量為10 t，基本作用為穩(wěn)定上部的葫蘆片，使挖泥絞纜機(jī)的鋼絲繩通過葫蘆片改變鋼絲移動(dòng)方向，牽引耙斗挖泥。

3）送斗絞纜機(jī)。在碼頭下方的鋼樁上固定一個(gè)葫蘆片，送斗絞纜機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過葫蘆片的轉(zhuǎn)向作用，耙斗鋼絲繩在牽引力作用下，由碼頭外開始向斜上方移動(dòng)，最終移至目標(biāo)挖泥點(diǎn)。

4）倒泥絞纜機(jī)。當(dāng)耙斗裝滿泥沙并移至碼頭外側(cè)的儲(chǔ)泥槽時(shí)，倒泥絞纜機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，使得耙斗向下翻轉(zhuǎn)，泥沙傾瀉而下。

5）沉塊絞纜機(jī)。挖掘型疏浚船定位到指定碼頭下方位置時(shí)，沉塊絞纜機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，使得沉塊緩緩下放至泥層表面，為上部的葫蘆片提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

6）挖泥絞纜機(jī)。當(dāng)耙斗由送斗絞纜機(jī)牽引至目標(biāo)位置時(shí)，挖泥絞纜機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，由于挖泥絞纜機(jī)的鋼絲繩需要經(jīng)過沉塊位置的葫蘆片，耙斗收到斜下方的牽引力挖進(jìn)泥面，在鋼絲繩的作用下移動(dòng)至碼頭外側(cè)，完成挖泥工作[5]，見圖4。

圖4 鋼絲繩絞纜機(jī)Fig.4 Wire rope warping machine

3.2.2 施工工藝

耙斗疏浚船一般可以采用長度在40～50 m的小型駁船，凈噸位在80 t以內(nèi)，改裝后吃水應(yīng)在3 m以內(nèi)，施工展布作業(yè)面小，工作靈活不需拋錨[6]，在施工船移動(dòng)至對應(yīng)碼頭前沿后，啟動(dòng)沉塊絞纜機(jī)，直至沉塊下放至底部泥面層。施工人員乘小艇進(jìn)入碼頭下方，在最里面的鋼樁上固定葫蘆片（約30 min），并把葫蘆片與送斗（挖泥）絞纜機(jī)的鋼絲繩安裝好。

準(zhǔn)備工作完成后，啟動(dòng)送斗絞纜機(jī)，耙斗在鋼絲牽引力的作用下向碼頭下方斜上方移動(dòng)，直至移動(dòng)至目標(biāo)位置。啟動(dòng)挖泥絞纜機(jī)，由于沉塊上部的葫蘆片改變鋼絲繩的移動(dòng)方向，耙斗受到下部和外部方向的鋼絲繩牽引力作用，深深嵌入泥層并向碼頭外移動(dòng)，將泥沙裝滿耙斗。待移動(dòng)至外側(cè)的儲(chǔ)泥槽位置后，啟動(dòng)倒泥絞纜機(jī)，耙斗向下傾斜，將泥沙倒進(jìn)槽中。之后再次啟動(dòng)送斗絞纜機(jī)將耙斗牽引至碼頭下方，重復(fù)上述步驟繼續(xù)疏浚。待該碼頭下方挖泥結(jié)束后，施工人員乘小艇進(jìn)入碼頭下方拆卸葫蘆片并安裝至下一碼頭下方，送斗絞纜機(jī)、沉塊絞纜機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)將耙斗、沉塊提升出泥層一定距離，當(dāng)施工船移動(dòng)至下一碼頭下方后，再次下放沉塊，固定碼頭下方葫蘆片并安裝鋼絲繩，完成準(zhǔn)備工作后繼續(xù)疏浚施工。

耙頭挖掘型疏浚船疏浚作業(yè)時(shí)，一次挖掘泥層厚度為2 m，一次挖掘水平距離為6 m，將疏浚泥層挖成階梯形，待泥層自然坍塌后形成坡比為1∶3的斜坡。

3.2.3 安全措施

耙斗疏浚船在施工中除了要遵循一般的水上施工作業(yè)安全注意事項(xiàng)外，還需要注意2個(gè)安全保護(hù)。

1）注意碼頭樁基的保護(hù)。碼頭下方施工時(shí)需要嚴(yán)格控制各船機(jī)施工進(jìn)度，并采取嚴(yán)格分層的方法施工（暫定分層厚度2 m），使各樁基之間水深均勻增深，保證碼頭樁基兩側(cè)泥面不產(chǎn)生較大高差，泥層側(cè)壓力不至于對樁基產(chǎn)生破壞，從而保證樁基的穩(wěn)定性，使碼頭下方施工平穩(wěn)有序推進(jìn)。施工示意圖見圖5。

圖5 保護(hù)樁基分層施工示意圖Fig.5 Layered construction of protective pile foundation

2）由于可能會(huì)有多艘小型船舶參與施工，各施工船舶一定要做好彼此之間的協(xié)調(diào)與避讓工作，水上設(shè)施均需懸掛信號標(biāo)志或有關(guān)的警戒措施，尤其是夜間必須配設(shè)明顯的燈光顯示。

3.3 2種施工工藝對比

耙斗疏浚船較小型船機(jī)組有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）由于直接使用耙頭水下疏浚，不需要小型船機(jī)進(jìn)入碼頭下方，施工船每日受潮水影響無法作業(yè)的時(shí)間縮短至4 h，時(shí)間利用率顯著提升。

2）小型船機(jī)組施工時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)吸上來的泥漿直接通過漂浮在水面的排泥口排出，泥漿與水充分接觸導(dǎo)致泥漿被稀釋，在抓斗船作業(yè)區(qū)域里造成回淤，削弱了儲(chǔ)泥槽的作用；而采用耙頭挖掘淤泥時(shí)，碼頭下方的淤泥被專用耙頭直接鏟至固定的儲(chǔ)泥槽中，極大地減少了泥漿的擴(kuò)散[7-8]。

3）耙頭挖掘型疏浚船不需要多艘小型船機(jī)（單艘小型船機(jī)操控臺(tái)需3名操作工）進(jìn)入碼頭下方疏浚，僅需要駕駛臺(tái)內(nèi)2名操作工操控即可完成挖泥作業(yè)，從成本上極大地節(jié)約了人工費(fèi)，并消除了工人進(jìn)入碼頭下方作業(yè)因海水漲潮來不及撤離的安全隱患。

4）當(dāng)疏浚區(qū)域存在部分石塊時(shí)，小型船機(jī)受設(shè)備局限，無法將石塊絞碎清除，會(huì)形成難以清除的淺點(diǎn)。耙頭疏浚型挖泥船則可以通過耙頭將石塊移送進(jìn)儲(chǔ)泥槽，清除障礙物。

5）小型船機(jī)組在疏浚作業(yè)時(shí)，需要母船拋錨定位，而處在同一水域的抓斗船施工時(shí)也需要拋錨定位，兩者錨纜相互干擾，增加了安全隱患并使施工排布受限。耙頭挖掘型疏浚船作業(yè)時(shí)不需要拋錨，避免了與抓斗船的錨纜沖突，提高了安全系數(shù)，并增加了施工水域的有效作業(yè)面。

6）由于碼頭下方內(nèi)部空間局限，碼頭下方兩側(cè)鋼樁間的淤泥難以清除，在碼頭下方底部淤泥清除后，碼頭下方兩側(cè)及放坡處極易出現(xiàn)坍塌造成回淤，耙斗疏浚船可以完美解決該問題。

4 工程應(yīng)用情況

洋山四期工程碼頭下方清淤施工原計(jì)劃投入2艘定位輔助船及7艘小型船機(jī)，在施工過程中，現(xiàn)場進(jìn)度無法滿足工期要求，后續(xù)應(yīng)用了耙斗疏浚船加入施工，最終按期完成了工程。

根據(jù)2種疏浚工藝的施工數(shù)據(jù)對比，單艘小型船機(jī)效率24 m3/h，小型船機(jī)組（含3艘小型船機(jī)）的效率為72 m3/h，耙斗疏浚船約為53.26 m3/h，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 耙斗疏浚船與小型船機(jī)施工效率對比表Table 1 Comparison of construction efficiency between harrow dredge ship and small ship machine

不難看出1艘耙斗疏浚船的施工能力要高于2艘小型船機(jī)的施工能力之和，但比小型船機(jī)組（含3艘小型船機(jī)）的效率要低26%左右。但是考慮時(shí)間利用率、安全性、成本的降低等因素，依然是耙斗疏浚船綜合施工能力較高。

5 結(jié)語

我國海岸線綿長，高樁碼頭的應(yīng)用也較為廣泛，但是碼頭在使用期間，由于樁群會(huì)對水流產(chǎn)生阻礙作用，容易造成比較嚴(yán)重的淤積，這種淤積除了使碼頭前沿水深變淺，影響船舶正常的進(jìn)出港，而且會(huì)對樁基產(chǎn)生側(cè)向壓力，影響其使用壽命和結(jié)構(gòu)安全。但碼頭下方清淤一直是個(gè)施工效率較低且安全隱患較大的特殊疏浚項(xiàng)目。應(yīng)用耙斗疏浚船進(jìn)行該施工，能有效提高時(shí)間利用率，消除大部分的人員安全隱患，降低施工成本，值得推廣應(yīng)用。