復(fù)雜航道絞吸船開挖施工工藝探討

段向明

（中交廣州航道局有限公司，廣州 510290）

1 工程背景

沙特達曼納西姆項目位于沙特東部省，靠近波斯灣海域，毗鄰達曼港。該工程為私人企業(yè)投資項目，總分為4 期，本項目實施為一二期，總工期60 個月，合同施工內(nèi)容包括陸域植被清理、航道疏浚、陸域吹填及靠海側(cè)塊石護岸等。項目地理位置詳見圖1。

按照技術(shù)規(guī)格書中對合同內(nèi)施工任務(wù)的描述，承包商需在項目邊界內(nèi)按設(shè)計圖紙要求疏浚形成航道和港池，如圖2 所示。

圖1 項目地理位置示意圖

圖2 項目平面示意圖

其中，CBD 航道位于一期工程南側(cè)吹填區(qū)與擬吹填形成的CBD 島中間，為連通東、西港池及CBD 島游船通道。航道總長度約2.6km，疏浚范圍內(nèi)自然水深從-1.7～3.4m 不等，總設(shè)計疏浚方量約3.21×106m3，土質(zhì)以砂巖帽和砂為主，如圖3 所示。

圖3 CBD航道疏浚示意圖

2 CBD航道結(jié)構(gòu)特點

按照合同設(shè)計斷面圖，CBD 航道設(shè)計挖深自航道東、西兩端處至中心為-8.5m 線性漸變至-5.5m，底槽橫向為弧形，自兩底邊線至中心線按落差0.5m 漸變，邊坡坡比自-2.0m 平臺至航道底槽按1∶5 形成，允許超深0.4m，不允許超寬。典型斷面圖如圖4 所示。

圖4 CBD航道典型斷面圖（單位：m）

從圖4 可知，CBD 航道結(jié)構(gòu)特點如下：

1）航道寬度不同，且變化規(guī)律不明顯，最寬處252m，最窄處113m。

2）橫斷面底標(biāo)高不等，呈大圓弧形狀，圓弧中點低于兩端0.5m。

3）縱向底標(biāo)高不一致，由兩端-8.5 漸變至中間-5.5m；

3 地質(zhì)條件

CBD 航道疏浚范圍內(nèi)的土質(zhì)變換較為復(fù)雜，主要為砂巖帽、粗砂、中砂以及粉細(xì)砂，各土質(zhì)所占比例為29%、5%、10%和56%，其大概分布為：在自然水深至標(biāo)高-5.0m 深度范圍內(nèi)，表層普遍覆蓋1 層較薄的砂巖帽，設(shè)計疏浚方量約 3.91×105m3，砂質(zhì)土質(zhì)設(shè)計疏浚方量約1.536×106m3；在-5.0m 至設(shè)計深度范圍內(nèi)，部分區(qū)域有較厚的砂巖帽層，設(shè)計疏浚方量約7.25×105m3，砂質(zhì)土質(zhì)設(shè)計疏浚方量約5.6×105m3。詳見圖5 所示的CBD 航道地質(zhì)剖面圖。

1）東側(cè)土質(zhì)變化較小。東側(cè)靠近西港池的650m 范圍內(nèi)，表層普遍覆蓋1 層砂巖帽土質(zhì)，厚度為1.5～2m，在底標(biāo)高-8.1m 下，仍存在約0.5m 的砂巖帽，在表層到底層的砂巖帽之間，夾雜粗砂、中砂以及粉細(xì)砂層，其中，以密實粉細(xì)砂為主，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N 值為30～40，砂巖帽的強度較高，無側(cè)限抗壓強度約20MPa。

2）在其后的1 300m 區(qū)域，砂巖帽地質(zhì)位于中間層，大致深度在-2.8m 到-3.8m，厚度約為1m，強度一般。其余為砂層，以密實粉細(xì)砂為主。

3）在CBD 航道中間圓弧段的1 100m 內(nèi)，砂巖帽地質(zhì)位于底層，厚度約為1.2m，強度一般，其上為砂層，以極密實粉細(xì)砂為主。

4）在CBD 航道圓弧段到東側(cè)航道口門范圍內(nèi)，土質(zhì)變化較大，砂巖帽地質(zhì)分布散亂且厚度不一。

4 施工特點及難點

本工程采用“7025”型絞吸船進行開挖施工，疏浚土通過排泥管線吹填至規(guī)定的吹填區(qū)內(nèi)，CBD 航道疏浚開挖施工具有如下特點及難點：

1）航道內(nèi)土質(zhì)變化明顯，砂巖帽地質(zhì)分布范圍廣且散亂，厚度不同，整體土質(zhì)較為堅硬。

2）航道形狀復(fù)雜，航道狹長且處于淺水區(qū)，輔助船作業(yè)需趁潮作業(yè)，開挖效率低。

圖5 CBD航道地質(zhì)剖面圖

3）開挖坡度較陡，精度要求高，需分多層開挖。

4）航道周圍水域普遍覆蓋1 層砂巖帽地質(zhì)，絞吸船拋錨困難，易出現(xiàn)走錨現(xiàn)象。

5 關(guān)鍵施工工藝探討

本項目絞吸船采用鋼樁臺車橫挖法施工，分段、分條、分層挖泥，并根據(jù)漲落潮流沖刷的作用大小，選擇挖泥的方向。對于特定的土質(zhì)，應(yīng)通過試挖，以達到最佳挖掘生產(chǎn)率的遷移量、切泥厚度、鉸刀轉(zhuǎn)速和橫移速度等操作參數(shù)。具體施工工藝如下5.1～5.4 節(jié)所述。

5.1 堅硬砂巖帽層開挖施工

根據(jù)對合同提供的鉆孔資料及地質(zhì)剖面圖進行分析，航道內(nèi)部分區(qū)域砂巖帽無側(cè)限抗壓強度強度較高，若采用絞吸船直接開挖施工較難以破碎，效率極低，且磨耗嚴(yán)重。充分考慮到CBD 航道內(nèi)土質(zhì)分層明顯，且砂巖帽土質(zhì)層下均含有不同厚度的砂層，決定采用絞吸船掏挖的施工工藝，利用絞吸船橋梁下放及絞吸船的掏挖，使砂巖帽形成一定的懸空段，利用砂巖帽自重及絞吸船橋梁的下壓作用，可以有效地對砂巖帽進行破碎，從而提高絞吸船挖掘效率。

5.2 分條施工

綜合考慮CBD 航道土質(zhì)、風(fēng)浪條件、拋橫移錨方式及保障-2m 平臺的穩(wěn)定性，起挖邊線定在距離-2m 平臺外側(cè)邊線約4m 遠(yuǎn)處，靠陸地側(cè)考慮采用陸地拋設(shè)地籠，靠海側(cè)采用錨桿拋錨，根據(jù)投入船舶性能，單條最大挖寬為93m，當(dāng)開挖砂層可以適當(dāng)放寬，條與條之間搭接不少于5m，以防漏挖。

5.3 分段施工

充分考慮CBD 航道邊線為不規(guī)則形狀，挖槽規(guī)格要求不同且土質(zhì)變化相差較大，需根據(jù)土質(zhì)、航道邊線及開挖要求進行分段施工。航道西側(cè)每70m 或東側(cè)每85m 提升0.1m，底標(biāo)高按該段較淺的標(biāo)高控制。

5.4 分層施工

由于CBD 航道疏浚泥層厚度較厚，應(yīng)根據(jù)土質(zhì)和挖泥船鉸刀的性能進行分層施工，淤泥類土和松散砂宜取鉸刀直徑的1.5～2.5 倍，軟黏土和密實砂宜取鉸刀直徑的1.0～2.0 倍，硬黏土宜取鉸刀直徑的0.75～1.0 倍，軟巖石宜取鉸刀直徑的0.3～0.75 倍。分層應(yīng)盡量考慮上層較厚以保證挖泥船的效能，最后1 層較薄以保證工程質(zhì)量【1】。本項目CBD 航道疏浚擬分三層開挖施工，第一層開挖至-4.0m，第二層開挖至-6.5m，第3 層開挖至設(shè)計底標(biāo)高。

下面以從斷面-8.5m 開挖至斷面-7.5m 為例詳細(xì)說明：

1）由于CBD 航道疏浚區(qū)浚前開挖水深不能滿足絞吸船最小吃水要求，絞吸船需從西港池（CBD 航道西側(cè)口門處）起挖并趁潮作業(yè)，最上層開挖深度應(yīng)滿足挖泥船吃水和最小挖深的要求，盡量在高潮挖上層，低潮挖下層，以減少塌方【2】。根據(jù)項目實際工況及絞吸船性能，第一層開挖主要為破除表層砂巖帽及滿足挖泥船最小吃水要求，并考慮一定的富余深度，分層厚度約為-1.5m。

2）第二層土質(zhì)以密實粉細(xì)砂為主，開挖效能較高，分層厚度約為2.5m 開挖至標(biāo)高-6.5m。

3）底層土質(zhì)為砂及砂巖帽混合物，且長度方向上航道底槽設(shè)計控制標(biāo)高漸變，橫斷面上底標(biāo)高不等，呈大圓弧形狀，圓弧中點低于兩端0.5m。施工過程中需要按合同要求控制開挖精度，也是開挖的重點及難點。底層分層厚度根據(jù)設(shè)計控制底標(biāo)高確定，并采取有足夠定位精度的DGPS 差分系統(tǒng)，施工前做好挖泥船鉸刀位置指示儀（包括鉸刀橋架角度傳感器、船舶吃水傳感器、潮位遙報儀及GPS 定位系統(tǒng)）的核對工作，施工過程中勤對標(biāo)、勤測水深，時時掌握開挖深度與設(shè)計深度的差值，結(jié)合經(jīng)驗判斷的水位及波浪影響，及時調(diào)整鉸刀下放深度及擺動幅度，防止欠挖、控制超挖，確保開挖后泥面標(biāo)高滿足設(shè)計要求。

4）對于邊坡區(qū)域，為保證斷面尺寸的精度和邊坡穩(wěn)定，需分層、分階梯開挖邊坡，利用上層土體塌方形成穩(wěn)定設(shè)計邊坡，如圖6 所示。

圖6 分層開挖示意圖（單位：m）

另外，針對絞吸船拋錨困難、易走錨導(dǎo)致絞吸船施工時間利用率不能得到有效保證的情況，結(jié)合項目特定的工況，經(jīng)不斷探索實踐，采取如下措施：

1）由于該施工區(qū)處于淺水區(qū)，錨艇拋遠(yuǎn)錨方案制約較大，考慮在低潮人工/采用抓斗船提前在設(shè)計拋錨點鑿設(shè)錨坑，靠吹填區(qū)側(cè)采用陸地拋設(shè)地籠，縮短絞吸船拋錨實踐。

2）改進原有施工錨，采用大抓力錨，增大錨的抓力，減少施工過程中走錨現(xiàn)象。

6 結(jié)語

復(fù)雜、非常規(guī)設(shè)計的航道作為中東地區(qū)越來越受偏愛的疏浚對象，結(jié)合中東地區(qū)特有的砂巖帽地質(zhì)特性，有其較為顯著的特點。本文通過對沙特納西姆項目的CBD 航道絞吸船疏浚開挖工藝的探索及實施，為后續(xù)類似項目施工提供思路及參考借鑒意義，以達到項目管理提升的目的。