平板駁輔助耙吸挖泥船對(duì)碼頭前沿浮泥施工工藝

李松濤,譚元譯

(1.中港疏浚有限公司，上海 200120；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002)

1 工程背景

馬來西亞關(guān)丹新深水港是以支撐配合“一帶一路”重點(diǎn)項(xiàng)目馬中關(guān)丹產(chǎn)業(yè)園區(qū)的發(fā)展、為入園項(xiàng)目提供優(yōu)良的港口物流服務(wù)、打造以“港—產(chǎn)—園”格局為目的的基建港口工程。本工程港池區(qū)域設(shè)計(jì)水深16 m，泊位區(qū)域設(shè)計(jì)水深18 m，航道區(qū)域設(shè)計(jì)水深17 m。考慮到耙吸挖泥船的安全施工距離及操作性能限制，距離碼頭前沿30 m以內(nèi)，靠近碼頭水工建筑物的泊位區(qū)域前期采用抓斗船施工至設(shè)計(jì)水深。但在后期的施工檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)碼頭前沿30 m范圍已施工區(qū)域有明顯回淤，抓斗施工難以滿足質(zhì)量要求。通過測(cè)量錘、單波束測(cè)量、多波束測(cè)量數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)取樣比對(duì)判斷回淤土質(zhì)為浮泥，該區(qū)域浮泥清除作業(yè)成為難點(diǎn)。

2 工程難點(diǎn)

2.1 浮泥生成原因

本工程合同要求驗(yàn)收采用多波束高頻測(cè)深儀，其反射面為水與淤泥的交界面。大量實(shí)測(cè)資料表明，反射面的淤泥密度約為1.03 t/m3[1],即淤泥密度達(dá)到此值時(shí)，多波束信號(hào)將無法繼續(xù)向下穿透。經(jīng)取樣驗(yàn)證，碼頭前沿浮泥密度約為1.10～1.36 t/m3，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量多波束無法穿透浮泥層。通過對(duì)比測(cè)深錘及高頻多波束測(cè)深數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)部分浮泥層厚度達(dá)2 m左右(圖1)，陰影部分表示浮泥厚度。

圖1 碼頭前沿浮泥情況

浮泥生成的主要原因：

1)碼頭前沿區(qū)域前期開挖基坑已至18 m，而港池水深大多在13～14 m，水深落差大，導(dǎo)致自然落淤。且此前碼頭水工建筑物尚未完成，多艘碼頭施工船舶作業(yè)，未能施工。

2)港池疏浚土質(zhì)主要為黏土及淤泥，一方面耙吸挖泥船港池施工擾動(dòng)細(xì)顆粒泥沙懸揚(yáng)，使其隨水流運(yùn)移到碼頭前沿掩護(hù)區(qū)落淤；另一方面，海床表層未懸揚(yáng)淤泥軟化后在水平方向流動(dòng)、聚集，形成高含沙水體后在重力作用下向碼頭前沿較深區(qū)域運(yùn)移而形成浮泥[2]。

3)受防波堤掩護(hù)，港池內(nèi)水流緩慢，聚集在碼頭前沿深槽處的浮泥無法隨水流帶出[3]，從而形成浮泥帶。

2.2 常規(guī)施工工藝問題

2.2.1耙吸船施工

耙吸船主要適用于開闊水域，但因目前碼頭水工建筑已基本完工，如果采用耙吸船施工碼頭前沿，受船體擠壓及船行波影響，船體與碼頭結(jié)構(gòu)物之間的狹窄區(qū)域水體將高速流動(dòng)，產(chǎn)生岸吸作用。耙吸船巨大的船體在狹窄水域本就不易操控，岸吸作用很有可能導(dǎo)致船體與碼頭結(jié)構(gòu)擦碰。其次，碼頭前沿水深較小，淺水中的船體下沉及縱傾變化比深水中明顯。水深較小時(shí)，船體周圍的水位下降現(xiàn)象范圍更大，加之淺水區(qū)孤立波的影響，船體下沉及縱傾變化比深水中更為激烈，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致船底擦碰海底的事故[4]。

除以上因素外，耙吸船近岸航行時(shí)還將受到風(fēng)浪的向岸頂推作用，施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步提高。因此耙吸船單獨(dú)施工方式可行性不高。

2.2.2抓斗船施工

抓斗船主要適用于不同硬度的疏浚土質(zhì)，但是對(duì)于流態(tài)的浮泥效果很差，一般只能抓平斗，高出平斗部分浮泥會(huì)在抓斗出水前流失[5]，有效方量較低。施工時(shí)需要錨纜定位,同時(shí)需要泥駁及拖輪配合施工，對(duì)耙吸船施工港池造成交叉影響。并且抓斗船實(shí)際施工過程中受抓斗擺動(dòng)影響，船舶搖晃幅度較大，不利于質(zhì)量控制，且潮位不足時(shí)還會(huì)有撞擊碼頭樁基的危險(xiǎn)。

2.2.3泵吸船施工

本次采用的泵吸船為一艘配有挖泥泵的80 t吊車駁船，采用水下泵對(duì)浮泥泵吸，然后通過排泥管輸送至指定區(qū)域。因關(guān)丹港當(dāng)?shù)貤l件限制，排泥管線較短,只能將碼頭前沿的浮泥輸送至港池區(qū)域，需要耙吸挖泥船進(jìn)行二次倒運(yùn)，效率損失嚴(yán)重。實(shí)際施工過程中因?yàn)楸梦O(shè)備老化，故障頻發(fā)，時(shí)間利用率低至20%。同時(shí)由于泵吸作業(yè)的不連續(xù)性，已清淤區(qū)域很快再次回淤，施工效果較差。

2.3 耙駁聯(lián)合施工工藝

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況，采用平板駁輔助耙吸挖泥船的施工工藝解決碼頭前沿浮泥施工難題。平板駁作為耙吸船與碼頭水工建筑物的緩沖，一方面控制了耙吸船與碼頭前沿的相對(duì)距離，規(guī)避了岸吸作用可能帶來的碰撞風(fēng)險(xiǎn)；另一方面有助于穩(wěn)定耙吸船船位，減少船體因縱傾變化與海床刮蹭的可能性，使耙吸船得以充分發(fā)揮其大功率泥泵的優(yōu)勢(shì)，碼頭前沿浮泥的清除效率較泵吸船大幅提高。另外，投入施工的萬方耙吸船具有艙容大、能高效自航自卸等優(yōu)勢(shì)，使其每次都能吸運(yùn)大量浮泥，且整個(gè)清淤過程連續(xù)、無須二次倒運(yùn)，時(shí)間利用率及回淤影響較泵吸船有明顯改善。

2.3.1駁船選型

駁船選型為本工藝順利實(shí)施的關(guān)鍵，選型時(shí)須考慮以下幾點(diǎn)：

1)最好選用平板駁，因?yàn)槠桨羼g遮擋物少，可以防止在耙吸船外推耙管時(shí)影響施工安全。駁船的兩側(cè)應(yīng)具有防撞設(shè)施。一方面保證駁船在與耙吸船靠近時(shí)防止因?yàn)閼T性造成碰撞損傷；另一方面在施工過程中如果駁船貼近或者撞擊碼頭橡膠護(hù)舷時(shí)能夠起到緩沖保護(hù)作用。

2)駁船尺寸要求。長(zhǎng)度方面，須考慮駁船能夠與耙吸挖泥船纜樁的平面位置進(jìn)行匹配。輔助駁船采用3條纜繩與耙吸船固定，如圖2所示。不同耙吸船的3個(gè)纜樁的位置會(huì)不同，駁船的長(zhǎng)度應(yīng)該與艏艉纜樁間距接近，此時(shí)兩船綁靠最為緊密。駁船長(zhǎng)度太大會(huì)影響耙管正常上下耙架；如果長(zhǎng)度太小，通過3個(gè)纜樁系綁的纜繩過長(zhǎng)，導(dǎo)致駁船與耙吸挖泥船連接不夠緊密，施工過程中受風(fēng)浪及操作影響較大。寬度方面，須考慮到耙吸船對(duì)碼頭前沿的施工安全以及最大施工距離:如果駁船寬度太大，耙吸船與碼頭前沿距離太遠(yuǎn)，無法施工碼頭前沿最內(nèi)側(cè)區(qū)域；如果駁船寬度太小則起不到有效的安全保護(hù)作用，極易造成疏浚設(shè)備受損。

圖2 平板駁與耙吸船系綁

3)優(yōu)先選擇有自航能力的駁船，因其具有良好的操作性能，在綁靠過程中更加靈活方便，節(jié)約時(shí)間。平板駁與耙吸船施工見圖3。

圖3 平板駁與耙吸船施工

2.3.2工藝流程

駁船先靠泊碼頭就位，然后耙吸船緩慢靠近駁船，駁船立即通過3根纜繩綁靠耙吸船[6]，待綁靠完畢后，解除駁船碼頭全部纜繩，由耙吸船挾帶駁船沿碼頭前沿方向正倒車吸取浮泥。在耙吸船航行施工時(shí)，駁船靠近碼頭內(nèi)側(cè)兩端各安排工作人員觀察駁船與碼頭橡膠護(hù)舷的間距。相距較近時(shí)及時(shí)提醒耙吸船的駕駛員做好船位控制，保證施工安全。裝艙完畢后解纜，耙吸船重載航行至拋泥區(qū)卸泥，駁船則系靠在碼頭上等待下次作業(yè)。施工流程如圖4所示。

圖4 施工流程

2.3.3操作關(guān)鍵技術(shù)

1)纜繩長(zhǎng)度的控制。因?yàn)轳g船與耙吸船系綁時(shí)耙吸船為空載，船舶吃水較小，兩船的高低落差大，此時(shí)系綁的纜繩較長(zhǎng)。裝載過程中耙吸船吃水變大，兩船的的高低落差逐漸變小，最終平齊，整個(gè)過程中纜繩松動(dòng)，須根據(jù)纜繩的松緊程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證駁船始終與耙吸船緊靠。

2)裝艙不溢流施工。耙吸挖泥船提前進(jìn)行抽艙，排除艙內(nèi)余水，輕載至碼頭前沿浮泥區(qū)域上線。采用裝艙不溢流施工方法，確保耙吸船最大裝艙量，防止溢流出的泥漿再次在碼頭前沿落淤。

3)延長(zhǎng)裝艙時(shí)間。本工程投入的耙吸式挖泥船為“新?；?”輪，泥泵轉(zhuǎn)速為213 r/min,泥艙容量11 888 m3，雙耙施工約20 min滿艙溢流，單耙施工約40 min滿艙溢流。在采用雙耙施工的情況下外擋耙不能施工浮泥的有效區(qū)域，為了延長(zhǎng)裝艙時(shí)間，采用單耙施工，減小進(jìn)艙流量并將溢流井調(diào)至最高位置，以保證裝艙量最大化。

4)關(guān)閉高壓沖水。耙吸挖泥船的耙頭具有由入流管路、水箱和噴嘴組成的垂直高壓沖水系統(tǒng)。在施工過程中利用該系統(tǒng)噴射的水流能夠?qū)Υ诔练e物進(jìn)行沖刷與疏松,為耙頭的挖掘進(jìn)行預(yù)處理[7]。但考慮到浮泥細(xì)顆粒較小易擾動(dòng)的特性，施工過程中應(yīng)關(guān)閉高壓沖水，避免對(duì)浮泥層過多擾動(dòng)。

5)駁船與碼頭建筑物的距離控制。對(duì)于駁船與碼頭建筑物距離的把控是一個(gè)難點(diǎn)：如果距離太近，駁船和耙吸船會(huì)因?yàn)閼T性嚴(yán)重?cái)D壓碼頭前沿的護(hù)舷，造成護(hù)舷掉落，船體受損，操作不當(dāng)甚至?xí)?dǎo)致耙管伸入水下立樁造成折斷；如果距離太遠(yuǎn)，則泵吸作用有限，無法吸取碼頭底部浮泥，影響施工質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，保持耙頭與碼頭距離為3～5 m時(shí)吸取浮泥效果較好。在船舶操作技術(shù)允許的情況下，可以將船尾壓向碼頭以施工碼頭底部浮泥。

6)施工航行速度控制。碼頭前沿施工盡可能降低航速，保持低速穩(wěn)定航行，提高船舶的操作性能。本次施工航速控制在0.1～0.5 kn，浮泥進(jìn)艙密度保持在1.10～1.30 t/m3，有效地保證了高濃度的進(jìn)艙泥漿。

7)施工質(zhì)量控制。結(jié)合耙吸挖泥船疏浚自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中的施工軌跡線，合理地進(jìn)行分條分帶施工，防止漏挖。加強(qiáng)測(cè)圖頻率，及時(shí)更新水深圖，根據(jù)浮泥層厚度情況控制下耙深度，分層開挖，逐步增深。施工過程參數(shù)見表1。

表1 施工過程參數(shù)

2.3.4施工效果

1)施工效率。碼頭前沿區(qū)域平均水深由16.73 m增大至17.91 m，增深1.18 m?？紤]碼頭前沿存在護(hù)底拋石，水深情況已經(jīng)滿足驗(yàn)收要求。此次挖泥量(測(cè)圖)為14 785 m3，施工時(shí)間為41.8 h，平均施工效率為353.72 m3/h。施工效率分析見表2。

表2 施工效率

2)經(jīng)濟(jì)效益。耙吸挖泥船消耗燃油按照運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間41.8 h計(jì)算，消耗燃油83 t，生產(chǎn)方量及燃油消耗比為178.1 m3/t。施工當(dāng)月油價(jià)為人民幣3 224元/t,消耗成本為26萬元。若采用當(dāng)?shù)乇梦┕?，設(shè)備調(diào)返遣成本需要42萬元，泵吸單價(jià)為15.8元/m3,實(shí)際生產(chǎn)方量按14 785 m3計(jì)算，使用泵吸船施工成本將達(dá)到65萬元。本施工方法節(jié)約成本39萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3 結(jié)語

1)近岸施工易受岸吸、岸推以及風(fēng)和流的影響，船舶不容易控制，存在安全隱患，因此對(duì)船舶駕駛?cè)藛T的操縱技術(shù)水平要求較高。同時(shí)，須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定安全施工應(yīng)急預(yù)案，保證施工安全。

2)利用平板駁輔助耙吸挖泥船施工時(shí)須將駁船與耙吸船進(jìn)行系纜、解纜，該工序較一般的耙吸挖泥船的施工流程復(fù)雜，施工過程中須加強(qiáng)駕駛員與系解纜工作人員的溝通，做好綁靠與施工的銜接，減少停滯時(shí)間。

3)通過將平板駁與耙吸挖泥船綁靠挾帶施工，平板駁充當(dāng)耙吸挖泥船與碼頭水工建筑物的緩沖，一定程度地規(guī)避了近岸作業(yè)可能帶來的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，可充分發(fā)揮耙吸船的施工效率，在節(jié)約施工成本的同時(shí)大大加快了施工進(jìn)度。