氣舉反循環(huán)法在重力式碼頭拋石基床清淤中的應(yīng)用

謝燦祥 中交第三航局廈門分公司

1.工程概況

1.1 概述

福州港江陰港區(qū)6號和7號泊位工程位于福建省福清市江陰鎮(zhèn)壁頭村西南側(cè)海域。建設(shè)2個5萬噸級集裝箱泊位以及相應(yīng)的配套設(shè)施，設(shè)計年吞吐量80萬TEU，碼頭岸線長度648m，港區(qū)縱深1000m，陸域?qū)挾?48m，碼頭采用大型沉箱重力式結(jié)構(gòu)。

基床前期已施工內(nèi)容為：基床K0+000～K0+271段已施工并驗收合格，開挖底標(biāo)高-22.5m～-23m，開挖至設(shè)計持力層砂礫卵石段。其中，K0+000～K0+260段基床已拋填塊石。

由于本工程停工時間長，已拋填塊石基床兩側(cè)和基床拋石面淤泥回淤較為嚴(yán)重，基床兩側(cè)及頂面測得回淤厚度約為 2～3m，因此需要對K0+000～K0+260 段基床進(jìn)行清淤處理。

1.2 工程特點及難點

1）本工程工期緊、任務(wù)重，拋石基床清淤施工進(jìn)度，直接影響7個已預(yù)制沉箱的安裝，預(yù)制沉箱需待7個沉箱安裝完成后，才能騰出預(yù)制場地開始預(yù)制沉箱分項工程的施工，所以拋石基床清淤的進(jìn)度直接影響預(yù)制沉箱的進(jìn)度。

2）基床清淤施工毗鄰5號泊位延伸段，挖泥船施工作業(yè)錨纜需占用5號泊位停泊水域，應(yīng)及時與5號泊位生產(chǎn)操作部建立通訊，避免出現(xiàn)船舶安全事故。

3）后方陸域正在進(jìn)行回填砂施工，應(yīng)注意回填砂施工的推進(jìn)進(jìn)度和砂原材料的含泥量控制，避免造成再次回淤影響清淤的施工質(zhì)量。

4）K0+000～K0+140段前期施工已進(jìn)行了分層錘夯和爆夯，拋石基床相對比較密實，只需清除表層的淤泥。

5）本分項工程的施工難點是：抓斗挖泥船無法開挖清除干凈拋石基床回淤的淤泥，抓斗開挖后拋石基床面表層會殘留一部分的淤泥，該部分淤泥的清理為本分項工程的主要難點。

K0+000～K0+260段基床清淤分段及施工順序如圖1所示。

圖1 K0+000～K0+260段基床清淤平面圖

2.施工安排

2.1 施工準(zhǔn)備

1）事先做好清淤標(biāo)志設(shè)置工作，包括里程標(biāo)及斷面號。

2）針對施工現(xiàn)場的水域條件確定具體的施工范圍。

3）施工前，應(yīng)在本工程已建成的5號泊位上設(shè)立水尺，以確定施工期間的施工水位。

4）清淤前，應(yīng)使用GPS-RTK和超聲波測深儀測量原始淤泥表面。

2.2 人員及船機設(shè)備

1）作業(yè)人員。船長：3人，船員：18人，潛水員：3人。

圖2 基槽開挖斷面圖

2）船機設(shè)備（見表1）。

表1 主要施工船機設(shè)備

2.3 施工順序

基床清淤施工分為K0+000～K0+140段和K0+140～K0+260段。從5號泊位延伸段往6號泊位進(jìn)行施工（如圖3所示），清淤施工順序如下：①先開挖基床前沿的邊坡淤泥。② 然后開挖基床后沿的邊坡淤泥。③采用挖泥船初步挖除基床頂面2～3m厚的淤泥。④采用氣舉反循環(huán)原理，利用空氣壓縮機清除基床拋石頂面上的殘余淤泥。

圖3 基床斷面施工示意圖

3.施工方法

3.1 施工工藝流程（見圖4）

圖4 基床清淤施工工藝流程圖

3.2 主要施工方法

經(jīng)過分析，針對本工程的特點和施工難點，為了有效的將K0+000～K0+260段基床頂面淤泥（回淤厚度為2～3m）清淤干凈，K0+000～K0+260施工段采用的施工方法為：用挖泥船開挖，清除表層大部分淤泥→ 空氣壓縮機（氣舉反循環(huán)原理）清除殘余淤泥→ 驗收。

1）挖泥船定位及拋錨。挖泥船位置由船用GPS系統(tǒng)控制（船用信標(biāo)記），使用GPS-RTK在碼頭后方進(jìn)行位置校核，確定船舶所在的位置，確定船上定位點與挖斗的幾何相對關(guān)系，通過纜繩來調(diào)整△y、△x，使挖斗位置移位至清淤點，挖泥船上的定位系統(tǒng)與船航行、挖泥監(jiān)控系統(tǒng)相連接，保證按照預(yù)定的施工路線進(jìn)行作業(yè)。

挖泥船錨定在船首呈八字形，船尾呈交叉布置。錨索長度約200m。

挖泥船定位完成后，泥駁應(yīng)靠近其側(cè)面，挖泥船應(yīng)在GPS上的指示區(qū)清淤，清淤時，要注意其合理性，防止挖泥船挖斗漏抓。施工過程中注意挖泥船與泥駁互相配合。

泥駁裝滿后，將航行至指定的卸泥點卸泥，然后返回疏浚區(qū)開始下一個施工周期。

2）表層淤泥開挖。采用挖泥船初步挖除基床頂面2～3m厚的淤泥，抓斗挖泥船定位完成后，從5號泊位延伸段向6號泊位方向分層條狀開挖。層厚按2m控制，根據(jù)挖泥船的性能，考慮到挖泥船最大工作半徑為14m，每個施工帶的寬度確定為14m，施工期間，應(yīng)逐個進(jìn)行挖泥，同時考慮施工帶之間的搭界寬度為2m。

圖5 挖泥船定位示意圖

圖6 挖泥船錨泊水域示意圖

圖7 挖泥船挖泥施工示意圖

圖8 挖泥船分條施工示意圖

根據(jù)設(shè)計坡度，便于挖泥船抓斗施工，按“下超上欠、超欠平衡”的原則進(jìn)行臺階式清淤。（邊坡清淤示意圖如圖9所示）

圖9 邊坡清淤示意圖

3）氣舉反循環(huán)定點清淤流程。①挖泥船定位→②導(dǎo)管與空氣壓縮機連接→③下放導(dǎo)管→④用壓縮空氣將淤泥沖刷起浮→⑤通過氣舉反循環(huán)原理將起浮淤泥抽到泥駁上→⑥單點范圍內(nèi)淤泥清淤完畢（水質(zhì)清澈）→⑦下一點開始清淤→⑧移動挖泥船準(zhǔn)備開始下一排點位清淤施工（每個清淤點之間的間隔為1m）。

4）拋石基床面開挖后殘留淤泥。在挖泥船完成回淤基床拋石頂面初步清淤后，采用氣舉反循環(huán)施工技術(shù)清除拋石基床上表面的剩余淤泥。

壓縮空氣通過空氣壓縮機進(jìn)入風(fēng)管，壓縮空氣從風(fēng)管底部排出，與基床表面的泥漿形成氣液混合物。基床表面的剩余淤泥在噴射氣體的影響下懸浮。由于管道內(nèi)外液體的密度差異，基床表面的泥漿和空氣沿管道向上流動，從孔口排出，進(jìn)入泥駁。

在施工過程中，在泥駁船上觀察泵管出口的水質(zhì)（每個點的吸入時間約為3分鐘）。如果水色由原來的濁度變化為與海水顏色一致，則可以判斷該位置拋石基床表面的淤泥已被去除干凈。

5）施工機械設(shè)備參數(shù)驗算。氣舉反循環(huán)清淤原理如圖11所示，則作用于風(fēng)道底部液位的內(nèi)外液柱之間的壓力差可根據(jù)以下公式計算：

圖10 定點施工示意圖

圖11 氣舉反循環(huán)清淤示意圖

式中：ΔP—內(nèi)外液體柱壓力差（kPa）；

ρw—導(dǎo)管外海水與淤泥的混合密度（kg/m）；

ρn—導(dǎo)管內(nèi)氣液混合物密度（kg/m）；

h1—導(dǎo)管底部到海面的深度（m）；

h2—海面到導(dǎo)管中泥漿頂部的高度差（m）。

考慮各種不利因素進(jìn)行計算，即取ρw=1.1×10kg/m，ρn=0.9×10kg/m，h2=2m，由于該工程的平均低潮水位為1.46m，原拋石基床最高點的高程為-17.5m，則取h1=19m。

經(jīng)計算可得ΔP=2kPa＞0，即：可產(chǎn)生氣舉反循環(huán)。

根據(jù)上述公式得出的數(shù)據(jù)是氣舉反循環(huán)最不利潮位數(shù)據(jù)計算得出的結(jié)果。隨著潮位的增加，h1增加，ΔP也增加，更容易產(chǎn)生氣舉反循環(huán)。

正是這種壓力差驅(qū)動導(dǎo)管中風(fēng)道底部上方的氣液混合物沿管道上升，克服循環(huán)過程中的各種阻力，形成反向循環(huán)?？紤]到供氣導(dǎo)管的壓力損失，空氣壓力可按下式計算：

式中：P—反循環(huán)所需空氣壓力（MPa）；

ρn—導(dǎo)管內(nèi)氣液混合物密度（kg/m）；

h1—導(dǎo)管底部到海面的深度（m）；

Ps—供氣管道的壓力損失，一般取0.05～0.1 MPa。

取Ps=0.1MPa，ρn=0.9×10kg/m，h1=19m時，反循環(huán)所需的最小空氣壓力為P=0.27MPa。由于本工程所用螺桿式空氣壓縮機的額定排氣壓力為：2.41MPa＞0.27MPa，可以確定該設(shè)備能滿足氣舉反循環(huán)工藝的要求。

圖12 檢查驗收流程圖

6）檢查驗收。施工過程檢查：①觀察泥駁船上泵管出口處的水質(zhì)（每個點的抽吸時間約為3分鐘）。如果水的顏色從原來的濁度變?yōu)榕c海水相同的顏色，則可以判斷此時的淤泥已被清除。②在施工過程中，經(jīng)常需要用水砣來測量基床頂面上的土質(zhì)，通過觀察土質(zhì)來檢測挖泥的效果（氣舉反循環(huán)原理）。

基床清淤自檢：①基床清淤完成后應(yīng)進(jìn)行自檢。首先利用GPS-RTK和超聲波測深儀測量清淤段深度，繪制基床清淤驗收測量剖面圖（每5m一段，每2m一個測點）和基床清淤驗收測量平面圖。②利用水砣測量和潛水員進(jìn)行水下探摸，以確認(rèn)該段的拋石基礎(chǔ)床淤泥已被完全清除干凈。水砣測量為1m一個點，并記錄基床頂面上的土質(zhì)狀況以形成記錄。

基床清淤應(yīng)分段建造和驗收。為避免回淤，減少工序重疊時間，清淤完成后應(yīng)報監(jiān)理、業(yè)主等單位驗收，以便及時進(jìn)行下道工序施工。

4.質(zhì)量控制措施

（1）基床清淤施工前，事先做好標(biāo)志設(shè)置工作，施工前在本工程已建成的5號泊位上設(shè)立水尺，以便施工中確定施工水位。

（2）嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范的要求，施工前應(yīng)對原淤泥表面進(jìn)行測量。

（3）在施工過程中，應(yīng)經(jīng)常使用水砣，通過測深砣了解采用挖泥船+空氣壓縮機（采用氣體反循環(huán)法）清淤的效果。

（4）派遣潛水員進(jìn)行水下探摸，了解實際的清淤情況。

（5）使用超聲波測深儀對基床進(jìn)行水深測量，與施工前期基床頂面高程進(jìn)行比較。

5.結(jié)束語

重力式碼頭拋石基床的穩(wěn)定性是碼頭施工的關(guān)鍵因素，但由于施工過程中的外部影響，拋石基床的回淤現(xiàn)象較為普遍?；不赜俸?，選擇合理的施工工藝對基床進(jìn)行清淤十分重要。采用挖泥船+空氣壓縮機（采用氣體反循環(huán)法）清淤技術(shù)可取得良好效果，可為今后類似工程提供有效參考。