港口航道交叉段疏浚施工工藝研究

◎ 季立花 吳鵬輝 江西省港航造價咨詢有限公司

1.工程概況

某港口航道交叉段與長江口相距520km，航道水深位于7.0～12.0m之間，航道長175.3k m，流域面積7895km2。根據(jù)疏浚地質(zhì)，該航道交叉段河床以粉質(zhì)黏土、粉砂地質(zhì)為主，平均濃度為1.24t/m3，疏浚過程中耙齒磨損、疏浚管路堵塞的可能性極大。該交叉口作業(yè)端水域無遮擋物，受臺風(fēng)、寒潮、風(fēng)浪干擾大；為避開不利施工條件，應(yīng)選擇在4～6月展開疏浚。

2.疏浚施工難點(diǎn)

該航道交叉段疏浚施工整體難度大，主要面臨以下難題：

一是項(xiàng)目工期緊，任務(wù)重。為避開風(fēng)浪、寒潮等不良?xì)夂驐l件，該航道交叉段疏浚施工必須安排在4～6月展開。為避免對港口正常通航的不利影響，疏浚任務(wù)必須在更短時間內(nèi)完成。此外，該交叉段疏浚開挖涉及水域廣，開挖面積及工程量大，施工任務(wù)重。

二是土質(zhì)復(fù)雜，開挖工作量大；處理工藝復(fù)雜。結(jié)合地勘資料，該交叉段航道底泥土質(zhì)復(fù)雜，包括淤泥質(zhì)土、粗粒砂、殘積土、硬質(zhì)風(fēng)化巖、膠結(jié)細(xì)粉砂等，存在較大的開挖難度。此外，開挖后的不同土質(zhì)需進(jìn)行不同處理，砂石需要運(yùn)輸至指定區(qū)域回填，淤泥則要運(yùn)至指定拋泥區(qū)，泥土開挖疏浚工藝復(fù)雜。大粒徑硬質(zhì)石塊會增大航道堵口風(fēng)險，引起脫泵；排泥管線如果較短，泵級運(yùn)轉(zhuǎn)速度則會受到影響，造成船舶設(shè)備運(yùn)作性能大幅降低。

三是疏浚施工干擾因素多。疏浚施工期間，該港口航道處于正常運(yùn)營過程，施工區(qū)來往船舶多，會對施工造成一定干擾，控制管理難度大。

3.疏浚設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 疏浚施工參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1.1 航道設(shè)計(jì)水深及寬度

根據(jù)《內(nèi)河航道通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139-2014），航道設(shè)計(jì)階段確定水深及寬度時，必須綜合考慮疏浚地質(zhì)、水文條件、船舶類型、安全距離等方面[1]。通航標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的航道水深和寬度常見數(shù)值見表1。該港口航道所在流域?qū)儆谙薅ɑ艏壓降?，結(jié)合該港口航道交叉段實(shí)際情況，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)性計(jì)算，可以得出該航道交叉段維護(hù)疏浚工程最高、最低通航水位應(yīng)為4.52m和3.32m，常水位為3.80m。

表1 航道水深和寬度結(jié)果

3.1.2 疏浚邊坡

疏浚區(qū)水文地質(zhì)、水動力、邊坡治理情況、對接航道邊坡情況、疏浚工藝及設(shè)備等是疏浚邊坡確定時必須要考慮的方面，疏浚邊坡的確定結(jié)果又會影響疏浚工程量、造價、回淤[2]。結(jié)合對該港口航道交叉段巖土勘察結(jié)果，此次疏浚深度內(nèi)河床下部以淤泥和淤泥質(zhì)土為主。根據(jù)《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 181-5-2012）及邊坡成果，航道上游200m到下游100m范圍內(nèi)均應(yīng)從底寬40m疏浚至底部標(biāo)高0.82m，并應(yīng)以1:3的坡度向兩岸放坡。

3.1.3 挖泥設(shè)備及拋泥區(qū)

根據(jù)港口航道交叉段疏浚工程施工特點(diǎn)展開挖泥設(shè)備選型，該港口航道交叉段疏浚施工應(yīng)綜合使用絞吸式挖泥船和鏈斗式挖泥船兩種設(shè)備。其中，絞吸式挖泥船艙容為1980m3，絞刀直徑2.18m，計(jì)算超深0.35m；鏈斗式挖泥船艙容為2150m3，絞刀直徑1.25m，計(jì)算超深0.75m。

在開挖期間，對于浮管無法直接連接拋泥區(qū)域，則應(yīng)選用絞吸式挖泥設(shè)備。裝配有鋼樁的絞吸式挖泥船在一般作業(yè)過程中采用對稱橫挖方式；而裝配有錨纜橫挖裝置的絞吸式挖泥船應(yīng)采用錨纜橫挖方式。如果疏浚實(shí)踐中挖槽寬度超出挖泥船最大挖泥限度時，必須對疏浚區(qū)分條、分區(qū)。在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)，結(jié)合土質(zhì)坡度比進(jìn)一步細(xì)化分區(qū)范圍，不同土質(zhì)的水下坡度比可參考表2。根據(jù)疏浚施工區(qū)水下邊坡土質(zhì)情況，如果坡度比超出表中范圍，則應(yīng)適當(dāng)增大分區(qū)；如果坡度比小于表中范圍，則應(yīng)相應(yīng)縮減分區(qū)。

表2 不同土質(zhì)的水下坡度比

在使用鏈斗式挖泥船開挖施工期間，如果施工區(qū)水域環(huán)境較好，則挖泥船受邊緣水深及挖槽寬度的影響也較小，此時可采取傾斜式橫向挖泥工藝。而當(dāng)施工區(qū)水域環(huán)境差，挖槽狹窄時，則應(yīng)采取扇形橫向挖泥工藝[3]。當(dāng)挖槽寬度超出鏈斗式挖泥船最大限度時，應(yīng)分條、分區(qū)開挖，并按照主錨纜拋出時的具體長度確定分條分區(qū)寬度，確保挖泥效果。

3.2 施工工藝流程

在確定出疏浚施工參數(shù)取值的基礎(chǔ)上，進(jìn)行該港口航道交叉段疏浚施工工藝流程設(shè)計(jì)。先通過裝艙法將空艙泥艙運(yùn)輸至挖泥區(qū)指定區(qū)域，減速后借助離心泵裝置將挖泥區(qū)泥土撓松，并下耙挖泥。當(dāng)泥艙內(nèi)無法引入過多泥量后完成起耙，將滿艙運(yùn)至拋泥區(qū)，開啟泥艙底部泥門后拋泥。此后，將空載裝泥艙重新運(yùn)至挖泥區(qū)，重復(fù)以上操作環(huán)節(jié)，直至完成挖泥。

根據(jù)多船施工平面布置，展開絞吸式挖泥船和鏈斗式挖泥船的協(xié)同作業(yè)。施工前必須編制施工進(jìn)度計(jì)劃，由監(jiān)督船督促各類船型完成挖泥疏浚施工任務(wù)。鏈斗式挖泥船施挖期間，借助錨壓方式為多條挖泥船協(xié)同施工提供保障；其橫錨布設(shè)時，必須采用重錨形式，通過改變錨纜長度，避免鏈斗式挖泥船影響其余船舶施工。

在挖泥施工結(jié)束后，對于底質(zhì)較硬的區(qū)域會出現(xiàn)明顯的深淺溝，必須使用大型耙吸船進(jìn)行處理。在正常直線開挖方式下，出現(xiàn)溜耙的可能性較大，即深區(qū)泊位越挖越深，淺區(qū)泊位較難挖到。為此，耙吸船必須按照S形路線挖泥，以提升挖泥工效及后續(xù)掃淺效果，并能保證將淺區(qū)泊位開挖至設(shè)計(jì)深度，提升港口航道交叉段疏浚施工效果。

4.疏浚施工工藝

按照方案設(shè)計(jì)，該港口航道交叉段疏浚施工過程中，應(yīng)由鏈斗式挖泥船和耙吸挖泥船挖泥、運(yùn)泥、拋泥后聯(lián)合絞吸船拋吹。先由操作人員驅(qū)動鏈斗式挖泥船和耙吸船進(jìn)入疏浚點(diǎn)和具備拋坑條件的臨時轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)，再驅(qū)動鏈斗式挖泥船和耙吸船挖泥、拋泥，最終聯(lián)合絞吸船在納泥區(qū)吹填。以上過程輪流作業(yè)，交替循環(huán)，直至完成交叉段疏浚施工任務(wù)。

4.1 絞吸式挖泥船挖泥控制

絞吸船挖泥時主要借助橋架端頭安裝的絞刀將污染底泥切割、混合為泥漿，經(jīng)排泥管排送底泥。結(jié)合該航道交叉段疏浚要求，絞吸船最大挖掘?qū)挾葢?yīng)達(dá)到24m，最大挖深應(yīng)達(dá)到10m。絞吸船拋吹實(shí)施過程中，必須圍繞鋼樁圓心劃定位置，經(jīng)船體兩側(cè)橫移錨擺動挖泥；并按照遠(yuǎn)挖近吹填的原則，1艘絞吸船和1艘耙吸船對應(yīng)作業(yè)；挖泥關(guān)口應(yīng)設(shè)置在泄水遠(yuǎn)端，以便一次性完成挖泥和泥泵管道泥漿輸送任務(wù)。

絞吸船施工期間，操作人員應(yīng)通過絞吸船自帶的GPS系統(tǒng)實(shí)時精準(zhǔn)定位，并在船上挖深感應(yīng)器、流量計(jì)、絞刀深度指示器等輔助性儀器的配合下，實(shí)現(xiàn)挖泥深度的精準(zhǔn)控制。全部操作過程應(yīng)分階段、分層次、分條段展開，相鄰?fù)谀鄮е丿B寬度應(yīng)控制在1.0m以上，1次挖泥厚度應(yīng)不超出0.2m；先開挖疏浚交叉段上層被污染底泥，再開挖下層底泥。考慮到該港口航道交叉段疏浚區(qū)底泥雜質(zhì)較多，操作人員應(yīng)密切關(guān)注水深、船舶吃水量等的變化，一旦兩個參數(shù)變幅超出0.1m，應(yīng)立即調(diào)整絞刀下放深度，同時加強(qiáng)絞吸船配套設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，防止發(fā)生機(jī)械事故。

4.2 鏈斗式挖泥船挖泥控制

鏈斗式挖泥船施工過程中應(yīng)同步展開橫移速度、斗鏈運(yùn)轉(zhuǎn)速度、前移距離、斗橋下放深度等的控制。

（1）斗鏈運(yùn)轉(zhuǎn)速度。該速度越快則疏浚開挖效率越高，該速度主要受土質(zhì)、泥土被泥斗切割后脫離航道底部的難易程度等因素的影響。在流速較大區(qū)域挖泥時，如果斗鏈運(yùn)轉(zhuǎn)過快，部分泥土很可能遺留在挖槽內(nèi)或挖槽下游，影響疏浚效果。在其他條件相同時，如果挖泥船橫移速度過快且前移速度越大，則泥斗充泥越滿。對于黏土土質(zhì)而言，在泥斗壁附著力的作用下很難倒空，帶出泥槽的泥土很容易漏入橋檔淤淺挖槽，引發(fā)新的問題。為此，必須采取有效措施控制和降低斗鏈運(yùn)轉(zhuǎn)速度；必要時，還需降低船舶橫移速度，控制充泥量。

（2）橫移速度。鏈斗船橫移速度主要由橫移速度儀根據(jù)泥斗充泥情況控制，橫移時，若泥斗充泥未滿，則應(yīng)加快橫移；若泥斗充泥過滿且有溢泥發(fā)生時，應(yīng)減弱橫移速度。橫移期間必須加強(qiáng)邊錨繩動態(tài)控制，邊絞邊松，并防止斷繩。橫移期間船艉不得超出船艏，以防止下導(dǎo)輪下方斗鏈碰撞泥層塹口而造成出軌；在船位回正前向另一側(cè)橫移的速度應(yīng)盡可能慢，避免斗鏈脫出。

（3）前移距。鏈斗船開挖完一個斷面后繼續(xù)開挖下一斷面時借助主錨纜前移的距離即為前移距。為確保泥斗內(nèi)充滿淤泥，提升疏浚效率，必須加強(qiáng)前移距控制。該距離主要受斗鏈著底距、挖泥厚度、底泥土質(zhì)等影響。如果前移距設(shè)計(jì)值與斗鏈著底距完全一致，則疏浚后航道底部平整度最差，施工質(zhì)量也無法保證；如果前移距較小，搭接長度大，則泥斗充泥量較少，工效不高。為此，必須合理確定前移距取值，在提升橫移速度的同時，確保挖泥工效。

4.3 耙吸挖泥船挖泥控制

在耙吸船開挖前，操作人員應(yīng)將耙吸船停置于待疏浚區(qū)域，并調(diào)低船舶行進(jìn)速度，放出耙頭；通過耙齒展開機(jī)械切削，同時沖刷高壓水，將區(qū)域內(nèi)疏浚土液化。此后，操作人員通過控制耙吸船泥泵吸取液化疏浚物后納入船舶泥艙。按照以上流程重復(fù)操作，直至船舶泥艙滿載或達(dá)到經(jīng)濟(jì)裝載量后，將耙吸船行駛至臨時裝載區(qū)，經(jīng)過拋泥、艏噴及回填等操作后卸除泥漿。

疏浚施工過程中，耙吸船疏浚系統(tǒng)的動力系統(tǒng)模型、泥漿沉積模型、泥泵-管線模型、船舶運(yùn)動模型、耙頭挖掘過程之間存在相互作用[4]，操作人員必須通過各部分參數(shù)的合理調(diào)整，保證耙吸船良好運(yùn)行。

5.疏浚效果

通過統(tǒng)計(jì)該港口航道交叉段疏浚區(qū)段內(nèi)多船次疏浚挖泥數(shù)據(jù)，得出該疏浚區(qū)第1天疏浚開挖土方量1189m3，單位方量耗時0.02977min/m3；第2天疏浚開挖土方量1079m3，單位方量耗時0.02876min/m3；第3天疏浚開挖土方量976m3，單位方量耗時0.02571min/m3。此3日疏浚開挖單位方量平均耗時0.02808min/m3，每船次平均油耗1.35t。根據(jù)以上結(jié)果，該交叉段航道挖泥效果高，能耗低；泥艙內(nèi)疏浚物沉淀效果良好。

如果單純考慮能耗和油耗，則疏浚期間挖泥工程量和油耗的比較見表3。根據(jù)表中結(jié)果，該航道交叉段采用絞吸船、鏈斗船、耙吸船疏浚過程中，油耗及單位能耗均較低，功率浪費(fèi)少，保證了航道高效低耗疏浚過程的展開。

表3 交叉段疏浚能耗比較

6.結(jié)論

本文針對港口航道交叉段疏浚工程面臨的施工難題，提出絞吸船、耙吸船、鏈斗船組合使用的方案，以充分發(fā)揮不同挖泥船技術(shù)優(yōu)勢，施工后較好解決了工程工期緊、任務(wù)重，工程量大，疏浚處理工藝復(fù)雜等難題。通過加強(qiáng)疏浚施工方案設(shè)計(jì)及施工過程控制，取得了較好的疏浚效果。港口航道在水域交通中占有重要地位，也是構(gòu)成整個交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要部分，加強(qiáng)港口航道底泥疏浚，是保證航道安全穩(wěn)定運(yùn)行的必然環(huán)節(jié)，在推進(jìn)我國航運(yùn)事業(yè)蓬勃發(fā)展的過程中意義重大。