鋪砂駁分層回填工藝在大面積水下攤鋪砂墊層項(xiàng)目的應(yīng)用

趙寶帥，張健良

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

0 引言

砂墊層在各類(lèi)工程中的作用是不同的，設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容也不同。在軟弱土層頂面鋪砂墊層，主要起淺層水平排水作用，加速軟弱土層的排水固結(jié)[1]，砂墊層提供的排水面，不但可以使基礎(chǔ)下的孔隙水壓力迅速消散避免地基土的塑性破壞，還可以加速砂墊層下軟弱土的固結(jié)及強(qiáng)度的提高；直接在原始海床面為淤泥質(zhì)底質(zhì)的原泥面分層鋪設(shè)砂墊層，可防止淤泥拱起形成淤泥包[2]；在深層水泥攪拌復(fù)合地基施工中，砂墊層可以為深層水泥攪拌樁提供一個(gè)覆蓋層，防止打樁過(guò)程中泥漿直接溢出。

本文闡述了鋪砂駁與泵砂船等配套船舶施工工藝在香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)第三跑道填海工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)香港三跑工程）大型回填項(xiàng)目分層鋪設(shè)砂墊層的應(yīng)用，是國(guó)內(nèi)首次實(shí)施案例，為大型項(xiàng)目的分層回填施工提供了參考方向[3]，具有較好的借鑒意義。

1 工程概述

香港三跑工程回填面積約650 hm2，具有工程規(guī)模大、施工技術(shù)要求高、安全環(huán)保監(jiān)管?chē)?yán)等特點(diǎn)。由于水下回填階段海堤尚未合龍，需嚴(yán)格控制施工區(qū)水質(zhì)污染。根據(jù)項(xiàng)目環(huán)評(píng)文件，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)周邊的空氣、水質(zhì)、噪音等環(huán)境以及白海豚的保護(hù)都有嚴(yán)格的限制。鋪砂駁攤鋪頭前邊需要加裝環(huán)保架，下端需安裝可升降的雙層防污簾，且在施工過(guò)程中防污簾底部與海床面的距離間隙小于30 cm。

原始海床面為淤泥質(zhì)底質(zhì)，淤泥深度為15～25 m，且部分區(qū)域在施工前為政府劃定的拋泥坑，浮泥層較厚，強(qiáng)度極低，根據(jù)地基檢測(cè)結(jié)果，其強(qiáng)度低于3 kPa。因?yàn)樵己４裁鏇](méi)有換填，地基承載力極弱，不宜一次加載過(guò)快，需要分層鋪設(shè)砂墊層[4]。

采用分層回填的工藝主要有：1） 抓斗式拋填；2） 小開(kāi)體駁直接拋填；3） 皮帶砂船配合定位駁船拋填；4） 新型工藝：鋪砂駁與配套船舶（皮帶砂船或耙吸船、泵砂船等） 進(jìn)行分層鋪砂。各拋填砂施工工藝比較見(jiàn)表1。

表1 各拋填砂施工工藝比較Table 1 Comparison of sand throwing and filling construction technologies

本文以鋪砂駁和泵砂船、皮帶砂船組合進(jìn)行分層施工砂墊層為例，從施工原理、工藝特點(diǎn)、回填效果和施工效率進(jìn)行分析，具有施工環(huán)保、單程鋪砂面積大、鋪砂均勻、工藝自動(dòng)化程度高的優(yōu)勢(shì)。

2 鋪砂駁施工原理

皮帶砂船通過(guò)皮帶橋架供砂給泵砂船，泵砂船通過(guò)管線與鋪砂駁相連，將艙內(nèi)砂料以30%～35%砂水比例泵送給鋪砂駁。施工平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 施工平面布置圖Fig.1 Construction layout plan

鋪砂駁依據(jù)自身的集成控制系統(tǒng)和水下封閉擴(kuò)散式環(huán)保鋪砂頭[5-6]，可根據(jù)泵砂濃度、流速、工作線及預(yù)設(shè)攤鋪厚度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)攤鋪，鋪砂均勻，工藝自動(dòng)化程度高。

鋪砂駁自動(dòng)攤鋪控制系統(tǒng)由平面定位系統(tǒng)、產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)及自動(dòng)錨纜控制系統(tǒng)組成，施工前，按照預(yù)定的攤鋪寬度及厚度[7]，設(shè)置工作線。施工時(shí)，產(chǎn)量監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的產(chǎn)量Q，反饋至自動(dòng)攤鋪系統(tǒng)，自動(dòng)攤鋪系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的鋪砂厚度H、鋪砂寬度L，計(jì)算出鋪砂駁移動(dòng)速度V=Q/（HL），并自動(dòng)計(jì)算出各錨纜的收放速率，然后通過(guò)錨纜控制系統(tǒng)及定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的調(diào)整前進(jìn)方向及移動(dòng)速率，以此實(shí)現(xiàn)預(yù)定區(qū)域砂料的均勻攤鋪。

鋪砂駁的水下封閉擴(kuò)散式攤鋪頭由進(jìn)口圓管、過(guò)渡段、矩形管、擴(kuò)散段和內(nèi)部導(dǎo)流板組成，采用全封閉式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2 所示[6]。在進(jìn)行水下鋪砂施工時(shí)，水砂混合物完全在封閉的鋪砂裝置內(nèi)流動(dòng)，可以避免水下鋪砂施工對(duì)水體環(huán)境的污染。鋪砂頭從進(jìn)口段到出口段設(shè)計(jì)，在寬度方向尺寸逐漸增大，呈喇叭形擴(kuò)散，大大提高單程鋪砂面積，同時(shí)還大大降低出砂口流速，減小對(duì)河床沖擊。內(nèi)部布置導(dǎo)流板，對(duì)流入擴(kuò)散段的水砂混合物進(jìn)行分流，使得在寬度方向上能夠保證流量的均分，實(shí)現(xiàn)均勻鋪砂的功能。

圖2 鋪砂頭Fig.2 Filling unit

鋪砂駁的自動(dòng)錨泊定位系統(tǒng)的定位精度和定位速度直接關(guān)系到施工質(zhì)量。由于風(fēng)和流的影響，無(wú)法對(duì)錨泊定位系統(tǒng)建立精確的數(shù)學(xué)模型，所以采用模糊狀態(tài)機(jī)的思想對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，保證船舶在走線鋪砂過(guò)程中鋪砂口中點(diǎn)與工作線的距離不超過(guò)50 cm。

3 施工工序及工藝流程

3.1 施工工序

根據(jù)技術(shù)文件要求，需要在原始海床上回填2 m 厚的砂墊層。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，回填過(guò)程中為避免產(chǎn)生泥浪和淤泥隆起，砂墊層分4 層施工，每層厚度0.5 m，誤差為±250 mm，砂墊層施工坡比不超過(guò)1∶15。

3.2 施工工藝流程

采用的分層回填設(shè)備有：鋪砂駁船、皮帶砂船、泵砂船等，施工工藝流程如圖3 所示。

圖3 施工工藝流程Fig.3 Construction technology flow

3.2.1 制定鋪砂駁的施工范圍

鋪砂駁船的每個(gè)固定錨纜長(zhǎng)度是600 m，艏錨與艉錨的最大拋錨距離為800 m，邊錨之間的拋錨距離最大為艏、艉錨間距的一半（400 m），邊錨對(duì)艏、艉錨之間中心點(diǎn)±30°的角度為施工可控區(qū)域。鋪砂駁船的施工可控范圍為邊長(zhǎng)120 m 的正八邊形，根據(jù)鋪砂駁的移船換線的施工工藝特點(diǎn)，并且為保證施工質(zhì)量，鋪砂駁船的可控施工范圍應(yīng)控制在如圖4 所示的邊長(zhǎng)為233 m 的正方形施工區(qū)域內(nèi)。鋪砂駁船的鋪砂頭寬度為7 m，因此，實(shí)際施工過(guò)程中將施工范圍定為140 m×140 m。

圖4 鋪砂駁船最大施工可控制范圍Fig.4 Maximum construction control scale of spreader pontoon

3.2.2 編制施工背景文件

設(shè)定140 m×140 m 的施工區(qū)域并劃分施工網(wǎng)格，每條工作線間隔7 m，并設(shè)定工作線施工方向和網(wǎng)格編號(hào)，如圖5 所示，再加上原始水深圖，將制作好的施工文件導(dǎo)入鋪砂集成控制系統(tǒng)。

圖5 施工方向和編號(hào)Fig.5 Direction and number of construction

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，砂墊層施工坡比質(zhì)量要求不超過(guò)1∶15，因此，在控制分層施工回填范圍時(shí)進(jìn)行了嚴(yán)格設(shè)定，坡比要求：第1 層砂墊層施工范圍為140 m×140 m；第2 層施工時(shí)，四周均向內(nèi)縮進(jìn)7 m，即施工范圍為126 m×126 m；依此類(lèi)推，第3 層施工范圍為112 m×112 m；第4 層施工范圍為98 m×98 m。

4 施工效果分析

1） 通過(guò)對(duì)完成回填的區(qū)域測(cè)量（測(cè)量結(jié)果采用彩色厚度色塊圖表示較為清晰），可以看出，鋪砂駁的兩條工作線中間回填的砂墊層厚度比兩邊偏薄，存在回填厚度不均勻的現(xiàn)象，兩條施工線之間搭接不足。

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，鋪砂駁在按條施工時(shí)（14 m寬），攤鋪頭兩側(cè)的出砂流量、濃度低于中間區(qū)域，針對(duì)此現(xiàn)象，每層攤鋪完成之后，將下層計(jì)劃工作線偏移7 m，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)層攤鋪，達(dá)到削峰填谷的效果，提高回填平整度。

2） 通過(guò)錯(cuò)層施工調(diào)整之后，對(duì)完成的回填區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6 所示，從厚度圖中可以看出，鋪砂效果良好。

圖6 分層回填厚度圖Fig.6 Layered filling thickness diagram

3） 通過(guò)對(duì)完成2 m 的砂墊層和周邊水域進(jìn)行測(cè)量，用測(cè)量厚度圖檢驗(yàn)砂墊層的水下施工坡比是否滿(mǎn)足要求和周邊原始淤泥面是否產(chǎn)生拱淤，從鋪砂區(qū)域選取典型縱向斷面，縱向斷面圖如圖7 所示。

圖7 鋪砂斷面圖Fig.7 Section drawings of filling

從厚度圖和斷面圖中可以看出，砂墊層水下坡比滿(mǎn)足不大于1∶15 的施工要求，并且不會(huì)造成原始淤泥面拱淤。

5 施工效率分析

以本項(xiàng)目使用的泵砂船和鋪砂駁配合施工時(shí)的施工效率為參考依據(jù)。

所使用泵砂船的主機(jī)額定功率為900 kW×2，泥泵功率較小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，排距為500 m 時(shí)，泵砂船的泵砂效率為850 m3/h。正常情況下，皮帶砂船的卸砂速率為1600 m3/h。所以，一條皮帶船的供砂速率完全可以滿(mǎn)足所使用泵砂船的泵砂速率。施工效率如表2 所示，鋪砂駁的平均施工效率為898 m3/h。

表2 鋪砂駁鋪砂效率Table 2 Sanding efficiency of spreader pontoon

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋪砂駁+泵砂船工藝滿(mǎn)足砂墊層分層施工要求，可以達(dá)到精準(zhǔn)均勻鋪砂的效果。鋪砂駁的施工參數(shù)可以根據(jù)砂料情況調(diào)整，根據(jù)供砂濃度，控制走線速度，從而控制鋪砂厚度。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，采用錯(cuò)層攤鋪的方法，避免兩條工作線之間的鋪砂厚度較薄而無(wú)法滿(mǎn)足施工質(zhì)量要求。

另外，鋪砂駁可以與耙吸船、絞吸船配套進(jìn)行施工，也可以與皮帶砂船進(jìn)行組合施工，工藝組合靈活性高，適用性廣。鋪砂駁與泵砂船、耙吸船和絞吸船進(jìn)行組合施工時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)供料端與鋪砂端的分離，克服施工水深和水域條件的限制[8]，充分發(fā)揮鋪砂駁吃水小、低凈空的優(yōu)勢(shì)；在水深條件好、水域開(kāi)闊的施工區(qū)域，采用皮帶砂船直接配合鋪砂駁進(jìn)行分層施工，皮帶砂船通過(guò)皮帶橋架把砂料打至鋪砂駁漏斗，皮帶砂船通過(guò)松緊錨纜，和鋪砂駁走線速度保持一致，進(jìn)行分層攤鋪施工。