深水區(qū)大體積水下障礙物打撈技術(shù)研究

鄭喜平

(中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519000)

1 引言

在跨海橋梁施工過(guò)程中，往往會(huì)遇到水下不明障礙物，阻礙了橋梁的施工，造成工期滯后、管理成本增加。在非洲地區(qū)，受制于落后的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)條件，許多水工建筑物往往年久失修或者廢棄后不拆除，船舶沉沒(méi)后不打撈，使得水上水下存在大量的障礙物，大大增加了跨海橋梁的施工難度和不確定性。

為確保工期目標(biāo)和節(jié)約成本，需充分利用當(dāng)?shù)丶扔械奈镔Y設(shè)備條件，盡量避免從國(guó)內(nèi)調(diào)遣大型機(jī)械設(shè)備，應(yīng)從多個(gè)角度對(duì)比分析，充分發(fā)揮創(chuàng)新能力，制定符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況且高效的施工方案。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

尼日利亞拉各斯輕軌跨海橋位于尼日利亞拉各斯州，橋梁主跨為40 m+5×60 m+40 m連續(xù)梁，基礎(chǔ)為樁徑φ1.25 m和φ1.5 m的摩擦群樁?？绾蚰隙诉B接拉各斯島，北端連接國(guó)家大劇院，東側(cè)與EKO大橋平行對(duì)孔布置，西側(cè)為空曠水域，橋位區(qū)下方為未知的廢舊水上建筑物。

本工程地表水為瀉湖水，水深15～18 m，受潮汐影響，潮汐每4 h變換一次，最大潮差為1.5 m，最大流速為1 m/s，最大浪高約為1 m。每年12月至次年3月水質(zhì)較為清澈，其余時(shí)間水質(zhì)較為渾濁；每年11月至次年2月份，每次大潮退潮后，水面漂浮有大量水草。低潮位水面標(biāo)高為+0.65 m，高潮位水面標(biāo)高為+1.5 m。

2.2 重難點(diǎn)分析

(1)施工區(qū)域泥面以下存在大小不均沉船，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間海床演變，覆蓋層較厚，無(wú)法直接采用起重設(shè)備進(jìn)行打撈作業(yè)，且受當(dāng)?shù)仄鹬卦O(shè)備起重能力限制，打撈作業(yè)存在極大困難。

(2)經(jīng)水下探摸、查驗(yàn)，施工區(qū)域存在大量水上、水下鋼筋混凝土系纜墩，體積大，且最大重量達(dá)300 t，受當(dāng)?shù)仄鹬卦O(shè)備起重能力限制，打撈作業(yè)存在極大困難。

(3)施工區(qū)域存在水下碼頭廢棄鋼筋砼基樁且入土深度較深，部分基樁靠打樁船無(wú)法拔出。

3 打撈方案及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 打撈方案

根據(jù)水下探查結(jié)果，障礙物主要為沉船、系船墩(部分系船墩倒塌并沉入海底)、鋼管樁，以及型鋼、輪胎、卷?yè)P(yáng)機(jī)等其他雜物，根據(jù)項(xiàng)目所在地的國(guó)情和現(xiàn)場(chǎng)情況，制定打撈方案。

障礙物分類見(jiàn)表1所示。

表1 障礙物分類

障礙物具體分布如圖1所示。

圖1 障礙物分布

由于項(xiàng)目工期緊，需快速清理水下障礙物。當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)落后，無(wú)大型水上起重設(shè)備，若從國(guó)內(nèi)調(diào)遣大型的打撈設(shè)備則耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，因此只能依靠當(dāng)?shù)丶绊?xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)已有設(shè)備。根據(jù)研究分析，確定打撈方案的總體原則:小塊體整體打撈，大塊體分塊切割后打撈，化整為零，大型起重機(jī)械采用打樁船、履帶吊代替。遠(yuǎn)離岸側(cè)的障礙物采用打樁船起重打撈，靠岸側(cè)的障礙物用履帶吊起重打撈；大體積系船墩先切割分塊，然后打撈；體積小的沉船整體打撈，體積大的沉船采用清淤+切割分塊+打撈的方式；鋼管樁采用千斤頂+打樁船相結(jié)合的方式拔除。

3.2 打撈關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 沉船打撈技術(shù)

根據(jù)沉船的不同分布位置和水下?tīng)顩r，采取不同的打撈方式[1]。

(1)整體打撈

6＃、13＃、14＃沉船船體較小、重量輕，可直接用起重機(jī)械打撈[2]。6＃沉船位于棧橋ZQ-11＃墩處，水域較為開(kāi)闊，可采用打樁船直接捆綁打撈。13＃和14＃沉船靠近岸線并且有棧橋及平臺(tái)阻擋，利用100 t履帶吊在棧橋上起吊打撈。潛水員用細(xì)繩牽引鋼絲繩捆綁的方法，將沉船兩端捆綁牢固，然后用打樁船或履帶吊吊離海床面，慢速浮托至指定的地方處置。

(2)沉船切割

9＃沉船位于跨海橋112＃橋墩，船長(zhǎng)約25 m，寬約5 m，而打樁船的最大起重能力為70 t，無(wú)法整體起吊，因此需對(duì)沉船進(jìn)行水下切割[3]分塊，然后逐塊清除。首先潛水員將需要切割的船體用鋼絲繩捆綁好，然后打樁船吊緊鋼絲繩，防止切割過(guò)程中沉船斷裂，確保潛水員的安全。潛水員采用水下氧-弧切割方法[4]進(jìn)行船體切割分塊，切割完成后用打樁船起吊移除。切割和打撈均在潮水較為平緩時(shí)間進(jìn)行，打撈過(guò)程中沉船不脫離水面，打樁船分塊打撈沉船如圖2所示。

圖2 打樁船打撈沉船

(3)氣舉反循環(huán)清淤

經(jīng)水下探查，15＃沉船大部分船體被淤泥覆蓋，覆蓋厚度約為2 m，船艙內(nèi)也淤積了較多的泥土，而且船體被海水腐蝕嚴(yán)重。經(jīng)研究分析，采取清淤+分塊切割+分塊打撈的方法。項(xiàng)目部自行設(shè)計(jì)、加工清淤設(shè)備，采取氣舉反循環(huán)清淤[5]。

空壓機(jī)的選型，根據(jù)排氣壓強(qiáng)計(jì)算公式:

P＝1.2˙ρ˙g˙H+ ΔP

式中，P為空壓機(jī)排氣壓強(qiáng)(MPa)；ρ為泥漿密度(kg/m3)；g為重力加速度(N/kg)；H為清淤水深(m)；ΔP為大氣壓強(qiáng)(MPa)。

根據(jù)地質(zhì)情況，泥漿密度為1.3×103kg/m3，水深取最大值15 m，計(jì)算得排氣壓強(qiáng)P＝0.33 MPa，故選用排氣壓強(qiáng)大于0.33 MPa的空壓機(jī)。施工現(xiàn)場(chǎng)有一臺(tái)PSD375S型空壓機(jī)，排氣量為10.6 m3/min，排氣壓力為0.69 MPa，滿足使用要求。

根據(jù)功效分析、空壓機(jī)排氣量等計(jì)算吸泥管流量，選用外徑為159 mm的鋼管。清淤效率與沉沒(méi)比[6]有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)沉沒(méi)比要大于0.5，現(xiàn)場(chǎng)制作吸泥管時(shí)，其沉沒(méi)比為0.83＞0.5。

清淤過(guò)程中，潛水員輔助定位吸泥管的清淤位置，特別是清除船艙內(nèi)的泥沙。此外，潛水員用高壓水槍配合沖刷攪動(dòng)吸泥管周邊的泥沙，使吸泥管可以更好地清淤。氣舉反循環(huán)清淤如圖3所示。

圖3 氣舉反循環(huán)清淤

清淤完成后，潛水員采用水下電弧-氧切割方法，潛水員先用鋼絲繩將沉船捆綁好，然后對(duì)沉船進(jìn)行切割分塊，用100 t履帶吊進(jìn)行沉船打撈。

3.2.2 系船墩打撈技術(shù)

系船墩為多邊形，厚度為2.5 m，重約300 t。由于系船墩重量大，超過(guò)現(xiàn)有起重設(shè)備的起重能力，因此先用金剛石繩鋸進(jìn)行切割[7]，然后分塊打撈清除。

未倒塌的系船墩切割時(shí)，先在系船墩上鉆孔，用鋼絲繩穿過(guò)鉆孔將要切割的系船墩綁牢并吊緊，然后用金剛繩鋸沿切割線切割分塊，再用金剛石繩鋸切斷系船墩下部的樁基[8]，最后起吊清除。

水下系船墩拆除[9]需潛水員配合，GPS精確定位。先用地質(zhì)勘探鉆機(jī)按照預(yù)先確定的位置鉆孔，用于起吊時(shí)穿鋼絲繩捆綁。切割機(jī)安放在駁船船頭的工作平臺(tái)上，潛水員將金剛石繩固定到預(yù)先劃定的混凝土切割線上，啟動(dòng)繩鋸切割。切割完成后，潛水員用鋼絲繩捆綁好混凝土塊，起重設(shè)備起吊移除。金剛石繩鋸水下切割如圖4所示。

圖4 金剛石繩鋸水下切割

3.2.3 鋼管樁拔除技術(shù)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告的持力層深度，分析出鋼管樁為摩擦樁，樁側(cè)摩阻力可以通過(guò)樁基的承載力來(lái)反映。根據(jù)單樁容許承載力計(jì)算公式:

式中，[P]為樁的容許承載力(kN)；u為樁身截面周長(zhǎng)(m)；fi為樁周土的極限摩阻力(kPa)；li為各土層厚度(m)；ai、a為振動(dòng)沉樁對(duì)各土層樁周摩阻力和樁底承壓力的影響系數(shù)；A為樁底支承面積(m2)；R為樁尖土的極限承載力(kPa)。

鋼管樁的最大入土深度約20 m，計(jì)算得容許承載力最大值約為1 060 kN。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行拔樁工藝技術(shù)的分析[10]，常用的拔樁方法有靜力拔樁、振動(dòng)沉管加水利切割拔樁、套管拔樁[11]等。但考慮到鋼管樁有較多的斜樁，采用沉管或套管的方式均難以實(shí)現(xiàn)，因此選擇靜力拔樁的方式。

(1)打樁船拔樁

通過(guò)潛水員將鋼絲繩捆綁在鋼管樁上，利用打樁船的起重系統(tǒng)及潮水上漲時(shí)船舶浮力的共同作用拔起鋼管樁。打樁船拔樁如圖5所示。

圖5 打樁船拔樁

(2)千斤頂拔樁

部分鋼管樁入土深度較深，打樁船無(wú)法拔出，通過(guò)研究分析，利用穿心式千斤頂，通過(guò)體系將千斤頂?shù)捻斏D(zhuǎn)換成拔樁力進(jìn)行拔樁[12]。

設(shè)計(jì)千斤頂拔樁平臺(tái)，千斤頂拔樁平臺(tái)主要由分配梁、貝雷片組成。通過(guò)midas有限元分析軟件對(duì)平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，設(shè)計(jì)出安全穩(wěn)定的拔樁平臺(tái)。千斤頂拔樁平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 千斤頂拔樁平臺(tái)設(shè)計(jì)

如何將千斤頂產(chǎn)生的頂升力轉(zhuǎn)換為拔樁力是關(guān)鍵，通過(guò)設(shè)計(jì)千斤頂托架和連接器，用精軋螺紋鋼傳遞受力，使千斤頂頂升力轉(zhuǎn)換為拔樁力。千斤頂拔樁體系設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 千斤頂拔樁體系

用鋼墊板和螺母將精軋螺紋鋼鎖定的千斤頂頂部，精軋螺紋鋼下部用螺母與連接器連接，鋼絲繩系在連接器下部并捆綁住鋼管樁，在千斤頂及浮力共同作用下進(jìn)行拔樁。千斤頂拔樁如圖8所示。

圖8 千斤頂拔樁

3.2.4 其他障礙物清理打撈技術(shù)

其他障礙物主要是一些雜物，包括水泥塊、槽鋼、輪胎、鋼管、卷?yè)P(yáng)機(jī)等，因其體積小、重量輕，利用船上卷?yè)P(yáng)機(jī)或地面大型吊車，配合潛水員，即可清理干凈。

4 結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)外落后的沿海區(qū)域，特別是在原址上重建或新建工程，若未能事前探查清楚水下情況，將對(duì)施工造成較大影響，甚至可能導(dǎo)致施工因故中斷。建議海外項(xiàng)目加強(qiáng)橋址地質(zhì)勘察，特別是涉水項(xiàng)目，避免工期、造價(jià)發(fā)生重大風(fēng)險(xiǎn)。

(1)相比傳統(tǒng)的鑿除方法，采用金剛石繩鋸切割鋼筋混凝土，具有切割深度不受限制、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，工作效率更高，值得推廣。

(2)將國(guó)內(nèi)成熟的鉆孔樁氣舉反循環(huán)清孔方法轉(zhuǎn)換為海上精準(zhǔn)清淤，結(jié)合水下氧-弧切割，在起重設(shè)備缺乏的條件下，將沉船化整為零分塊打撈，避免了從國(guó)內(nèi)調(diào)遣大型起重設(shè)備，有效降低了施工難度和成本，工期基本可控。

(3)千斤頂?shù)捏w積小、頂力大，通過(guò)巧妙的體系轉(zhuǎn)換，可產(chǎn)生較大的上拔提升力。

利用現(xiàn)有的工程材料進(jìn)行作業(yè)平臺(tái)、施力裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，既解決了大型起重設(shè)備匱乏的客觀條件，又充分利用了現(xiàn)有設(shè)備，為項(xiàng)目節(jié)省了成本。經(jīng)過(guò)本次技術(shù)應(yīng)用，證明了此次打撈方案的可行性；同時(shí)在海外船機(jī)資源有限和在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)處理深水障礙物打撈卡脖子難題的情況下，本次技術(shù)創(chuàng)新具有一定的推廣價(jià)值。