鐵山港區(qū)高粘性土層港池開挖施工技術(shù)

陳雪芹 中國鐵建港航局集團(tuán)有限公司第一工程分公司

1.工程概況

1.1 疏浚工程總體設(shè)計(jì)

北海港鐵山港西港區(qū)北暮作業(yè)區(qū)南7號(hào)至南10號(hào)泊位工程港池疏浚主要工作內(nèi)容為碼頭前沿停泊地及回旋水域。港池開挖數(shù)量為378.77萬m3，總工期13個(gè)月。開挖土類基本為中砂、粘土，巖土分類2～7級(jí)。

南7號(hào)泊位前沿停泊水域長度為2 8 8m，寬度為6 5m，根據(jù)靠泊船型將底高程設(shè)為-14.20m；回旋水域圓形布置，回旋圓直徑446m。南8號(hào)～10 號(hào)泊位前沿停泊水域長度為458m，寬度為45.2m，底高程為-8.8m；回旋水域橢圓布置，長軸長438m，短軸長219m。前沿停泊水域、回旋水域開挖坡度均為1：3，允許超深0.6m、單邊超寬4m。

典型開挖斷面圖如圖1所示。

圖1 典型開挖斷面圖

1.2 巖土分級(jí)及可挖性

根據(jù)場(chǎng)地巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)特征，參照《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS181-5-2012），各疏浚巖土分級(jí)及可挖性評(píng)價(jià)如表1所示。

表1 各疏浚巖土分級(jí)及可挖性評(píng)價(jià)表

根據(jù)場(chǎng)地巖土層的物理性質(zhì)特征，參照《疏浚巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》表5.2.3，對(duì)疏浚巖土用于管道輸送和填土的適宜性綜合評(píng)價(jià)如表2所示。

表2 各疏浚巖土用于管道輸送和填土的適宜性評(píng)價(jià)表

黏土③、③、③具有中等膨脹性，且碎化后不易固結(jié)，不適宜作填土，若因碼頭后方堆場(chǎng)缺乏填料或因疏浚廢土處理的需要確需利用時(shí)，可考慮用砂土摻合改良后用作填土，但需進(jìn)行改良試驗(yàn)來確定摻合比。

1.3 施工重難點(diǎn)分析

①根據(jù)鄰近施工項(xiàng)目的疏浚情況可知，疏浚施工挖出的粘土需要泡水才能變軟，容易粘斗或粘住鉸刀頭，清理時(shí)間長，降低了挖掘效率。

②挖掘后的粘土塊成團(tuán)狀輸送時(shí)粘土塊相互粘結(jié)而不破壞分散，增大輸送堵管可能性。

為解決上述問題，擬從疏浚設(shè)備選型、抓斗挖泥船施工工藝優(yōu)化、砂土摻合改良等三方面開展研究。

2.疏浚設(shè)備選型

疏浚巖土的可挖性與開挖設(shè)備的適用性及工藝的先進(jìn)性有很大的關(guān)系，在開挖中應(yīng)嘗試多種開挖方式和工藝，根據(jù)開挖效果選擇最理想的開挖設(shè)備及工藝。疏浚工程一般工程量大，工程投資占比高，單方造價(jià)的變化對(duì)總價(jià)的影響較大，依據(jù)現(xiàn)行疏浚定額，疏浚船型及船舶規(guī)格對(duì)單方造價(jià)影響最為直接。

從上文表1可知，絞吸船、抓斗船、鏟斗船適用于依托工程所有待開挖土質(zhì)。另外，與其他類型機(jī)械式挖泥船相比，抓斗挖泥船設(shè)備簡單、挖泥機(jī)械磨損部件少，在疏浚市場(chǎng)有更好的應(yīng)用，施工單位也更易選到更合適的設(shè)備?？紤]到疏浚泥土要做后方回填材料用，且施工場(chǎng)地具備設(shè)置儲(chǔ)泥坑的條件，因此選定抓斗挖泥船+絞吸式挖泥船的聯(lián)合施工方案。

不同規(guī)格的船舶適用的經(jīng)濟(jì)方量不同，通過綜合比選，依托工作的船舶規(guī)格及施工安排如下：港池、調(diào)頭地開挖采用25m3抓斗挖泥船開挖粘土層和粘土混砂層。疏浚土方全部用泥駁運(yùn)至鐵山港9號(hào)10號(hào)泊位后方陸域圍堰吹填區(qū)內(nèi)的臨時(shí)儲(chǔ)泥坑，再利用2500m/h絞吸挖泥船進(jìn)行吹填，運(yùn)距約7.5km，吹距約1km。

3.抓斗挖泥船開挖粘土施工技術(shù)

抓斗挖泥船屬機(jī)械式抓斗挖泥船，它運(yùn)用安裝于鋼纜的抓斗，并依靠抓斗自由落體的重力作用，放入水中一定深度，通過抓斗插入泥層和閉合，來挖掘和抓取泥沙。

抓斗挖泥船施工藝流程如圖2所示。

圖2 抓斗挖泥船施工藝流程

3.1 抓斗船施工方法

施工船舶按漲落潮流方向展布，由南向北推進(jìn)。根據(jù)當(dāng)?shù)氐某毕砜芍┕^(qū)域內(nèi)潮流速度為0.3～0.5m，25m3抓斗挖泥船的船艏在于潮流流向呈45°角的情況下也能正常拋錨駐位施工。

①分段、分條、分層施工。25m3抓斗挖泥船主錨纜長度為200m，依照分段長度在順流施工條件下取錨纜長度75%的原則，共分為3段，每段長度約145m。以南7號(hào)泊位為例，其開挖平面如圖3所示。抓斗挖泥船分條寬度不得大于挖泥船抓斗吊機(jī)的有效工作半徑的2位，分條長度20m。該工程高低潮位水深均能滿足抓斗船的吃水要求，分層的厚度根據(jù)土質(zhì)、抓斗斗高及張斗寬度等因素確定，取2m。每段、每條相接處應(yīng)有2m重疊區(qū)，以防出現(xiàn)漏挖。挖泥過程中根據(jù)粘土的開挖厚度及土質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整抓斗的抓挖深度，保證挖泥效果。

圖3 南7號(hào)泊位分段開挖平面圖

②邊坡開挖遵照“超欠平衡”原則。為保證基槽斷面尺寸的精度和邊坡穩(wěn)定，在開挖基槽邊坡時(shí)，采用“下超上欠，超欠平衡”的原則進(jìn)行階梯狀開挖。其原理為使上層欠挖的土方在水流及重力的作用下垮塌填補(bǔ)下層超挖的地方，自然形成邊坡。

③挖泥過程控制。船上測(cè)量人員需要經(jīng)常測(cè)水深，核對(duì)標(biāo)高，看準(zhǔn)水位，嚴(yán)格控制漏挖、超挖。開挖至最后一層時(shí)，操作手要控制下挖深度，輕抓，減少超深，挖至接近設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，每挖一段由測(cè)量人員采用測(cè)深儀及水鉈檢測(cè)合格后，再移船開挖下一段。

3.2 抓斗挖泥船最佳疊斗選擇

在粘性土港池挖泥作業(yè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)土質(zhì)和泥層厚度確定下斗的間距和前移量。為提高抓斗挖泥船的施工效率，因根據(jù)測(cè)定不同疊斗率的開挖效果及綜合工效，選定最佳疊斗工藝。

根據(jù)施工所在地高粘性土的特征，按1/4、1/3、1/2疊斗等三種不同情況進(jìn)行試挖，檢驗(yàn)開挖效果，并計(jì)算施工效率。選擇第一分段標(biāo)高為-12.0 m～-10.0 m為試驗(yàn)段進(jìn)行開挖，K0+060～K0+080段按1/4疊斗，K0+080～K0+100段按1/3疊斗，K0+100～K0+120段按1/2疊斗。25m3抓斗挖泥船斗長7.5m，斗寬2.6m，斗高2m?，F(xiàn)場(chǎng)記錄員記錄每斗周期中定位、放斗、合斗、轉(zhuǎn)位、開斗、回轉(zhuǎn)等步驟施工時(shí)間。第一遍開挖完成后組織掃淺作業(yè)，并統(tǒng)計(jì)掃淺作業(yè)時(shí)間。不同疊斗開挖施工效統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 不同疊斗開挖施工工效

由表3可知，在1/3疊斗情況下，總挖泥時(shí)間最短，且開挖精度也能滿足設(shè)計(jì)要求。因此，選擇1/3疊斗為最佳疊斗率。

4.砂和粘土摻合改良

絞吸挖泥船是通過松土裝置——絞刀，將水底泥沙絞松，再利用泥泵將絞松后的泥水混合物從吸泥口吸入，通過排泥管線輸送到卸泥區(qū)。儲(chǔ)泥坑內(nèi)的高粘性土未經(jīng)過足夠的泡水軟化，工作效率2500m/h絞吸船在挖掘時(shí)會(huì)出現(xiàn)絞刀刀頭被粘土“糊住”的情況。在同時(shí)，粘土在吹填過程中輸送阻力大，會(huì)形成塊狀聚集堵塞吹泥管路，進(jìn)而影響絞吸船泵送施工效率。

為解決絞刀刀頭被“糊住”的問題，國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)通常采用配置不同的絞刀形式，例如，硬塑粘土、中密砂等采用直徑較小的冠形可換齒絞刀并配鑿形齒。但本工作中的粘土為團(tuán)狀，且已經(jīng)過擾動(dòng)，其適應(yīng)性仍需驗(yàn)證。為解決吹泥管路堵塞，國內(nèi)外通過參數(shù)調(diào)整、助送輸泥、改進(jìn)管線設(shè)計(jì)等方式。

結(jié)合本工程的地質(zhì)情況，在高粘性土層上方有一層中砂層，若能利用該中砂層，將砂土與粘土進(jìn)行混合，則可降低絞吸功率，并能防止成團(tuán)粘土被吸入到管線內(nèi)。

從工程地質(zhì)剖面圖（如圖4）上可以看出港池原泥面下中砂與粘土的比例在1/3～1/2之間。調(diào)整開挖區(qū)域挖泥順序，即達(dá)到每1艘泥駁的中砂搭配每1艘或第2艘泥駁的粘土，卸入儲(chǔ)泥坑。并在滿足工期要求的前提下適當(dāng)延長放置時(shí)間，使經(jīng)抓斗挖泥船挖掘的粘土有充分的泡水軟化時(shí)間。

圖4 工程地質(zhì)剖面圖

采取上述2 項(xiàng)措施后，再采用2500m/h絞吸船將儲(chǔ)泥坑的泥泵送吹填至后方陸域。實(shí)踐表明，在泡水軟化時(shí)間達(dá)7d的情況下，中砂與粘土的比例在1/3～1/2均能實(shí)現(xiàn)正常絞吸吹填。

5.結(jié)束語

（1）從粘性土的性質(zhì)出發(fā)，遵守技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)效益好為兩項(xiàng)基本原則，可實(shí)現(xiàn)合理設(shè)備造型。

（2）合理設(shè)置疊斗率，可有效避免淺點(diǎn)，減少因返工造成的損失。

（3）通過砂土摻合改良，可以有效避免絞刀頭被“糊住”和堵管的風(fēng)險(xiǎn)。