高樁碼頭受限空間疏浚工藝

劉聰聰，劉 衛(wèi)，鄒 豐，林富豪

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040；5.中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004)

高樁碼頭具有對水流波浪影響小、軟土地基適用強等特點，是目前應(yīng)用最為廣泛的碼頭結(jié)構(gòu)形式之一，主要由樁基及上部結(jié)構(gòu)組成[1-2]。高樁碼頭施工，傳統(tǒng)工藝為先完成岸坡疏浚挖泥，后沉樁作業(yè)，最后進(jìn)行樁帽、梁板、面層等上部結(jié)構(gòu)施工，整體形成流水作業(yè)[3]。而對于體量大、工序繁多的工程，流水作業(yè)施工在一定程度上制約了工效最大化。若同時考慮縮短工期、降低成本并保障質(zhì)量等因素，須優(yōu)化施工工序，例如將岸坡疏浚工序置于樁基及上部結(jié)構(gòu)等其他工序之后，岸坡疏浚形成受限空間內(nèi)施工。此外，高樁碼頭疏浚施工的質(zhì)量保障措施尤為重要。在一些工程中高樁碼頭下方易產(chǎn)生泥沙回淤，對樁基、岸坡穩(wěn)定性均可能產(chǎn)生不良影響[4-5]；張振超等[6]通過數(shù)值計算表明樁間土回淤深度達(dá)3 m時可能對樁基產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫。這些文獻(xiàn)均說明樁間土疏浚必要性強，但施工難度大，對施工組織、疏浚設(shè)備及技術(shù)要求高[7]。

本文以某碼頭工程為研究對象，改進(jìn)施工工藝，優(yōu)化施工組織，采用先沉樁后疏浚工藝進(jìn)行網(wǎng)格化平行施工，利用小型挖機、改裝絞吸船及水下智能清淤裝備組合疏浚，通過受限空間疏浚算量及生成水下地形圖方法快速評估樁間土疏浚狀態(tài)，采用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型分析拋泥回淤程度。

1 工程概況

某碼頭工程處于半環(huán)抱式港池內(nèi)，波浪、流速較小，潮汐為規(guī)則半日潮，屬大潮差水域，平均潮差、最大潮差分別為3.5、7.1 m。樁基至擋土墻區(qū)域為原海堤所在位置，拆除原海堤過程中地基留有護坦塊石、碎石、土工布等雜物，因此工程區(qū)域需疏浚的地質(zhì)包含淤泥、沖填土、粉土、鐵板砂、塊石及其他雜物，水下地質(zhì)條件復(fù)雜。以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统蔽蛔鳛楦叱?、潮位、設(shè)計水位起算基準(zhǔn)面(85國家高程基準(zhǔn)面-當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?3.23 m)，碼頭前沿原泥面高程約為-2.0 m，碼頭前沿設(shè)計高程為-14.8 m，與擋土墻接岸處高程為2.8 m，開挖深度大。

碼頭總長812 m、寬度為66 m，總體為高樁梁板結(jié)構(gòu)。分為10個結(jié)構(gòu)段，由西至東1～5、5～10結(jié)構(gòu)段分別為B、A泊位。主體結(jié)構(gòu)分為前平臺、后平臺，后平臺采用現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制面板及現(xiàn)澆面層形式，排架中心間距6 m，樁基采用φ800 mm PHC管樁；前平臺采用現(xiàn)澆樁帽、預(yù)制梁板、現(xiàn)澆節(jié)點及面層形式，排架中心間距為12 m，樁基采用直徑1 200 mm鋼管樁，見圖1。

圖1 碼頭主體結(jié)構(gòu)

考慮項目工期緊、任務(wù)重，改進(jìn)岸坡挖泥、新建護岸傳統(tǒng)工藝，進(jìn)行先沉樁后疏浚，而樁間土疏浚施工存在作業(yè)空間受限、挖泥深度大、水下地質(zhì)條件復(fù)雜等特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)絞吸船、長臂挖機無法直接進(jìn)行疏浚[8]，施工難度大。

2 施工工藝

2.1 工藝改進(jìn)

高樁碼頭傳統(tǒng)施工工藝首先進(jìn)行岸坡挖泥，待疏浚挖泥完成后進(jìn)行水下沉樁，后依次開展樁帽現(xiàn)澆、預(yù)制縱橫梁安裝、節(jié)點現(xiàn)澆、預(yù)制面板安裝、碼頭面層現(xiàn)澆施工。本研究改進(jìn)傳統(tǒng)施工工藝，在進(jìn)行初步岸坡挖泥后開展樁基施工，隨后開展上部結(jié)構(gòu)多項工序同時施工，并針對各個施工階段采用不同疏浚設(shè)備完成樁間土疏浚，加快整體施工進(jìn)度。

結(jié)合研究對象實際情況，某碼頭沉樁順序從西側(cè)B泊位至東側(cè)A泊位，沉樁完成的區(qū)域即可開展樁帽、預(yù)制梁板等上部結(jié)構(gòu)施工，未沉樁區(qū)域仍可使用大型絞吸船進(jìn)行水下開挖。待2個泊位沉樁全部結(jié)束后，西側(cè)B泊位前后平臺上部結(jié)構(gòu)部分區(qū)域已施工，由此可針對上部結(jié)構(gòu)全部完成、部分完成(頂部預(yù)制面板未安裝)以及僅樁基施工完成的區(qū)域采用不同方式進(jìn)行樁間土疏浚。

2.2 作業(yè)環(huán)境及疏浚設(shè)備

碼頭結(jié)構(gòu)施工工藝改進(jìn)后，受限空間內(nèi)樁間土疏浚施工難度大。后平臺樁基橫向最小凈間距為4.0 m、縱向最小凈間距為5.2 m，前平臺相鄰樁帽橫向最小凈間距為5.5 m、縱向最小凈間距為5.2 m。預(yù)制梁板安裝后，頂部被遮蔽，高潮位可淹沒前平臺預(yù)制梁0.2～0.6 m，樁間土疏浚作業(yè)空間受限。另外根據(jù)設(shè)計要求，疏浚應(yīng)超深0.4 m，則在樁基施工完成的條件下，樁間土水下挖泥深度普遍為6 m以上，最大達(dá)12 m，總體挖泥深度大。

為解決樁間土疏浚問題，采用小型挖機、改造絞吸船及自主研發(fā)的水下智能清淤裝備組合施工。小型挖機為徐工XE60D履帶式反鏟挖掘機，基本尺寸為5.86 m×1.92 m×2.58 m(長×寬×高)，最大挖掘深度3.83 m，待低潮位時可在后平臺接岸處挖泥理坡，基本適宜該區(qū)域粉砂、黏土、沖填土等土質(zhì)，可滿足疏浚要求。改造絞吸船由浮排、絞吸泵組裝而成，吸砂泵流量2 300 m3/h，單艘浮排尺寸6 m×4 m×1.8 m(長×寬×高)，抵抗風(fēng)、浪、潮流條件較差，但對受限空間適應(yīng)性較強，可自由組裝2～5艘浮排；小型絞吸船尺寸為28 m×5 m×1.8 m，只在碼頭排架間前后移動，對風(fēng)、浪、潮流條件適應(yīng)性較強。組裝絞吸船可在碼頭下方進(jìn)行水下疏浚，主要適宜粉砂、黏土等，對部分鐵板砂等硬質(zhì)土層疏浚效率低。小型挖機及絞吸船疏浚平均超深達(dá)0.4 m。水下智能清淤裝備總長4.5 m、總寬3.45 m、總高3.7 m，主要針對硬質(zhì)土層輔助疏浚。該裝備前端安裝有可回轉(zhuǎn)180°的工作臂，針對不同土層可靈活更換鏟斗、絞吸泵、貝克抓斗、梅花抓斗等工具，后端安裝有供設(shè)備航行的螺旋推進(jìn)器，兩側(cè)有4個可自動折疊的用于維持機器人姿態(tài)穩(wěn)定的平衡槳，附有水下平衡系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、攝像監(jiān)測等軟件系統(tǒng)。清淤裝備最大下潛深度25 m，絞吸泵設(shè)計流量500 m3/h，輸泥管道設(shè)計長度120 m，見圖2。

圖2 水下智能清淤裝備

2.3 樁間土受限空間疏浚

具體疏浚施工區(qū)分B、A泊位，B泊位進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)施工的同時，A泊位先進(jìn)行樁間土疏浚。擋土墻至后平臺第2排PHC管樁區(qū)域使用6輛徐工XE60D挖機進(jìn)行疏浚理坡，疏浚量約4.02萬m3；其他區(qū)域使用8艘浮排船裝載吸砂泵的組裝絞吸船及4艘常用小型絞吸船進(jìn)行疏浚，疏浚量約18.30萬m3。考慮港池大潮差影響，小型挖機在低潮位(小于2.8 m)時施工，絞吸船施工潮位包括預(yù)制梁板安裝前后兩種情況，預(yù)制梁板安裝前施工潮位小于樁帽頂高程5.75 m，梁板安裝后受頂部高程影響，施工潮位小于3.55 m。

由于水下地質(zhì)條件復(fù)雜，且絞吸船疏浚后未能形成良好的坡面，采用水下智能清淤裝備輔助疏浚。其裝備利用自身的推進(jìn)器和排水功能進(jìn)行下潛、上浮及保持平衡狀態(tài)，接收水下各種傳感器的數(shù)據(jù)，如水深、溫度、油壓、影像、姿態(tài)、航向等，并發(fā)送給上位機顯示系統(tǒng)，通過地面遠(yuǎn)程操控完成水下施工任務(wù)。

水下樁間土由不同設(shè)備開挖后，將泥土直接輸送到港池指定的區(qū)域內(nèi)，后由大型疏浚船在港池疏浚的同時定期對拋泥區(qū)清淤。

2.4 實施效果及質(zhì)量保障措施

2.4.1實施效果

樁間土施工受潮差影響較大，有效作業(yè)時間受限。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，單日最大疏浚量達(dá)3 100 m3，平均日疏浚量2 024 m3。而由于工藝改進(jìn)，現(xiàn)場網(wǎng)格化平行施工，2個10萬噸級泊位碼頭主體結(jié)構(gòu)提前兩個月完工，縮短了總體工期，節(jié)省了施工成本。

2.4.2受限空間疏浚與拋泥評估

受上部結(jié)構(gòu)遮蔽，樁間土疏浚施工較難確定具體區(qū)域的超挖、欠挖狀態(tài)。此外，向港池布置輸泥管道直接影響疏浚效率，輸泥管道布置過長則影響其他施工船舶作業(yè)，也增加絞吸船的準(zhǔn)備時間；輸泥管道布置過短則容易產(chǎn)生泥沙回淤[9]。為此提出受限空間疏浚與拋泥評估方法，科學(xué)精準(zhǔn)指導(dǎo)樁間土疏浚施工，保障疏浚施工質(zhì)量。

1)疏浚狀態(tài)快速評估。疏浚量快速評估主要包括編制斷面法[10]Fortran程序快速計算疏浚量，進(jìn)行網(wǎng)格劃分與高程插值階段性生成水下地形圖。具體以碼頭寬度方向為疏浚斷面，碼頭長度方向間隔6 m均勻劃分多個斷面，并在碼頭面層、橫梁頂部等上部結(jié)構(gòu)處做標(biāo)識。預(yù)制面板安裝后，人工記錄測點高程及其與樁基的相對位置。由此計算期間總疏浚量為22.32萬m3以及單次疏浚總量。

圖3展示了某單次疏浚量水下地形。由圖3可知，此次疏浚后斷面S5～S7碼頭前沿部分區(qū)域超挖0.2 m以內(nèi)；靠岸側(cè)水下樁間土較碼頭前沿開挖難度更大，單次疏浚量小，后續(xù)所需疏浚厚度大，為2.2～2.6 m；臨近擋土墻的前兩排PHC管樁附近可使用挖機施工，所需疏浚厚度為0.6 m以內(nèi)。各斷面比較，S3～S4受上次疏浚作用，后續(xù)所需疏浚厚度較??；而S6～S7斷面土層地質(zhì)疏浚難度大，改用鉸刀工具進(jìn)行破土。

圖3 單次樁間土疏浚狀況

2)疏浚拋泥評估?；谒畡恿刂品匠?、泥沙運動方程、床面變形方程，構(gòu)建二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型[11]。模型以港池口門潮位為邊界條件，圍堰及海岸設(shè)為固定邊界。港池區(qū)域網(wǎng)格尺寸最大100 m2，碼頭及拋泥區(qū)域局部加密，網(wǎng)格尺寸最大5 m2，時間步長2 s，總模擬時長為7 d。模型驗證依據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，預(yù)制梁板未安裝情況下，拋泥點距離碼頭前沿線約25 m，輸泥管口流量1.5 m3/s，濃度為80 kg/m3。對比拋泥回淤模擬結(jié)果與實測結(jié)果可知，拋泥回淤厚度模擬值與實測值最大相差0.05 m，表明模型能夠較為準(zhǔn)確地反映拋泥回淤深度和范圍的規(guī)律。

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，擬定4種計算工況，即設(shè)置4個位置拋泥，輸泥管流量1.5 m3/s，濃度為90 kg/m3，拋泥點為4個(每次只有1個位置拋泥)，碼頭長度方向以排架標(biāo)準(zhǔn)間距12 m布置，距離碼頭前沿線向海側(cè)分別取10、20、30、35 m。

圖3為不同工況下拋泥回淤模擬結(jié)果，由圖3可知，拋泥點距離碼頭前沿線10 m工況下，整體淤積影響最大，拋泥點位置最大淤積厚度超過2.0 m，其中碼頭前沿線位置淤積為1.0～1.5 m；拋泥點位于前沿線向海側(cè)30 m的工況下，碼頭前沿向岸側(cè)4.0 m內(nèi)回淤最大深度為0.6 m；拋泥點位于碼頭前沿線向海側(cè)距離35 m時，碼頭前沿向岸側(cè)4.0 m以內(nèi)回淤深度不超過0.20 m。由此可知，拋泥點距離35 m時回淤深度及范圍均較小，且可通過絞吸船快速清淤解決，因此樁間土疏浚拋泥臨界點擬定為碼頭前線向海側(cè)35 m。

圖4 拋泥回淤數(shù)值模擬結(jié)果

3 結(jié)論

1)改進(jìn)高樁碼頭傳統(tǒng)施工工藝，在岸坡初步挖泥后先進(jìn)行水上沉樁，其后上部結(jié)構(gòu)施工與樁間土疏浚同時進(jìn)行。工程實踐結(jié)果表明采用該先沉樁后疏浚工藝可行，縮短了整體工期。但改進(jìn)工藝后形成的受限空間下樁間土疏浚難度大，需根據(jù)作業(yè)空間、土質(zhì)、潮位與泥面高程等因素，采用小型挖機、改裝絞吸船及可潛水的水下清淤設(shè)備多種組合方式進(jìn)行疏浚。

2)通過現(xiàn)場標(biāo)識及斷面法快速計算疏浚量，生成水下地形圖，為受限空間疏浚施工提供精準(zhǔn)、直觀的依據(jù)；采用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型評估拋泥回淤程度，確定了拋泥臨界點，減少了拋泥距離過短或過長而分別產(chǎn)生泥沙回淤、水上作業(yè)干擾等問題，以此保障了高樁碼頭樁間土疏浚施工質(zhì)量。