绞吸船在吹填复杂土质下的施工难点分析及对策研究

2019-07-15黄宗福

福建交通科技 2019年3期

■黄宗福

(福建漳龙建投集团有限公司，漳州 363800)

1 项目背景

福建省漳州市古雷石化园区(北区)填海造地工程I标段工程位于古雷镇古雷半岛西北侧、东山湾东北部海域。工程范围为东山湾东部、古雷半岛中部近岸区域，北起西林村岸线、南至油沃村岸线，岸线长度7.65km。

施工内容主要包括外护岸、排洪渠、隔堤、疏浚、吹填与地基处理等，疏浚范围为南储砂坑及运砂通道，南储砂坑设计底标高-13.5m，运砂通道设计底标高-10.5m，总计疏浚量590万m3。疏浚料吹填至陆域B-1区、B-2区内。其中南储砂坑吹填B-1区时，最远吹距约4100m，平均吹距约3500m。运砂通道LH4+350以北吹填B-1区时，最远吹距约6300m，平均吹距约4750m。项目总吹砂量4200万m3，建安总造价24.7亿元。

根据设计单位提供的岩土工程勘察报告，南储砂坑四个钻探点 (SJ14、SJ15、SJ20、SJ21)的钻探资料表明，除SJ15钻探点含有3.8m粉质粘土，其余钻探点以淤泥及淤泥质粉砂为主；运砂通道三个钻探点(SJ23、SJ27、SJ30)的钻探资料表明，除SJ23钻探点含0.96m粉质粘土，其余钻探点深度在-4.3m左右至原泥面时，土质分布为淤泥，属于淤泥土类1级。深度在-9.0m至-4.3m时，土质分布为淤泥质土。

但在实际开挖过程中发现，南储砂坑开挖土质以粉质粘土为主，深度在-7m以下，且遗留养殖垃圾过多；运砂通道在桩号K6+400～K6+700及以北范围，表层1～2m为粉细砂，属于砂土类7级，且分布大量渔网等垃圾，下层为硬黏土，属于粘性土类5①级。南储砂坑及运砂通道实际土质与勘察报告所揭示的土质严重不符，造成破土效率低及需经常清理绞刀，进而严重影响绞吸船舶的施工效率和时间利用率。

本文通过对古雷填海造地工程实例的分析，介绍绞吸船在应对复杂土质下的施工工艺及施工方案优化，通过现场实际施工验证，经优化后的施工效果良好，对类似工程施工具有一定指导意义。

2 疏浚施工技术

2.1 施工方法

绞吸船施工方法为横挖法，横挖法又分为对称钢桩横挖法、定位桩台车横挖法、锚缆横挖法。对称钢桩横挖法和定位桩台车横挖法原理极其相似，定位桩台车横挖法相比对称钢桩横挖法多一个台车系统，台车钢桩定位精度更高，更能有效避免重挖、漏挖现象，且移船就位极为方便快速。在施工区域流速过大时，可采用锚缆横挖法。锚缆横挖法是以艏(或艉)锚为摆动中心，利用绞车收紧横移方向边锚缆，同时放出反方向的边锚缆进行左右移动横移挖泥。自挖槽一边挖至另一边后收进主锚前移适当距离，在向反方向横移开挖。以船艏为摆动中心，其绞切平面轨迹成反月牙形。

古雷项目绞吸船施工采用定位桩台车横挖法。

2.2 顺逆流施工

在不考虑在内河施工的情况下，绞吸船施工需考虑涨落潮来选择合适的施工方向。类似古雷工程此类绞吸船近海施工作业工程，受潮流影响大，不宜进行横流施工。横流会对钢桩造成一定威胁，横流对定位钢桩施加了一个横向的作用力，有使钢桩弯曲变形的潜在风险。而且横流会增加绞刀头散落量，会在一定程度上降低施工效率。

图1 吹填施工平面布置图

2.3 分条施工

绞吸船最大挖宽：一般不宜超过船长的1.1～1.2倍，视当地水流流速、横移锚缆抛放长度和该土质下横移锚的抓地能力而定。一般来说，流速越大、土质越松散，最大开挖宽度越小，反之亦然。

绞吸船最小挖宽：当浚前水深小于挖泥船的吃水时，最小挖宽等于绞刀头挖到边线时，艏船体两角不至于碰撞岸坡时的最小宽度。当浚前水深大于挖泥船的吃水时，最小挖宽采用等于挖泥船前移换桩时所需的摆动宽度。以8527型绞吸船为例，其最大挖宽和最小挖宽分别约120m和80m。

2.4 分层施工

分层挖泥的厚度应根据土质和挖泥船绞刀的性能确定，宜取绞刀直径的0.5～2.5倍，对坚硬土取较低值，对松软土取较高值；分层的上层宜较厚，以保证挖泥船的效能；最后一层应较薄，以保证工程质量；当浚前泥面在水面以上，或水深不足挖泥船的吃水时，最上层开挖深度应满足挖泥船吃水和最小挖深的要求。当泥层过厚时应在高潮挖上层，低潮挖下层，以减少坍方。

3 吹填施工难点

在疏浚施工中，由勘查资料表明，南储砂坑及运砂通道内土质以淤泥及淤泥质粉砂为主，属于淤泥土类1级，吹填施工较为容易。但实际施工时发现南储砂坑及运砂通道开挖土质以粘土为主，且表层存在大量渔网、竹竿、石柱等垃圾。导致绞吸船施工时频繁包裹绞刀头，并有堵管的风险，影响施工效率，进而对本就紧张的工期造成影响。

绞吸船在对粘土与淤泥质土施工时，因这两种土质的输送性不同，淤泥质土吹送浓度及流速较高，而粘土的吹送浓度不宜过高。其流量和流速的控制有着很大差异，尤其是在长排距下，造成的差异更加明显。长排距下粘土极易出现堵管现象。如果是水上管被堵，则需要1～2天时间来抢修；如果是沉管被堵，首先堵塞位置不易确认，且确认之后难以处理修复，若出现锚艇无法吊起被堵沉管的问题，则修复需要花费大量时间和精力。

根据现场实际施工情况，南储砂坑和运砂通道的最远吹距分别达到了4100m、6300m。远大于现场施工船舶开挖粘土的最佳吹距。管线堵塞的风险大大增加。究其原因大致如下：

3.1 表层养殖垃圾过多

图2 垃圾及粘土包裹绞刀头

对现场施工区域进行调查，发现南储砂坑及运砂通道曾为渔业养殖区，开挖表层覆盖大量渔网、铁锚等养殖垃圾。当绞刀头被垃圾包裹后，极易附着粘土，绞刀几乎没有破土能力，会出现滚刀现场。吸入真空增大，流速下降，当流速小于粘土球临界启动流速后，粘土球沉积在管内造成堵管。

3.2 施工工艺不合适

对现有工况、施工船舶开挖操作方式结合粘土特性进行研讨分析，讨论现有操作方式在开挖粘土时是否适用。经会议讨论与分析，一致认为在现有工况条件下，施工区距离吹填区过远，长排距和粘土土质已是既定事实无法改变，开挖淤泥质土的施工工艺并不适用，不能一味追求高浓度、高产量。需改进施工工艺，施工时首先考虑降低堵管风险，保证船舶顺利施工。

3.3 管线布设不平缓

对现场包括相邻标段在内的所有船舶、管线进行调查，调查是否有其他船舶、管线干扰导致施工船舶管线布设不平缓、多处大角度弯头、爬坡角度过大，输送阻力增大的现象存在。调查结果显示，有两艘7025型绞吸船在南储砂坑施工，一艘8527型绞吸船在运砂通道施工，因南储砂坑及运砂通道空间有限，船舶管线布设相互影响，水上管及沉管不能按照最佳线路布设，粘土输送收到影响。

4 工程重点、难点及相应对策

4.1 改进开挖操作方式

粘土和淤泥因其不同的土质特性，适用的开挖操作方式也不同。粘土因为粘性大、附着力强、流动性差，对排泥管内的浓度和流速要求高，开挖和输送难度大于淤泥，尤其是长排距的情况下。需要对开挖操作进行改进，降低堵管的风险。

(1)改进切土厚度

挖泥船在开挖的过程中，绞刀的切土厚度主要是由绞刀的尺寸和土质情况而定。开挖淤泥时一般不会大于绞刀的平均直径。开挖粘土时则要缩减切土厚度，其主要原因是：①粘土硬塑性高于淤泥，土质较硬，切土困难；②切土厚度越大，在管道内形成的粘土球体积越大，也越难输送。8527型绞吸船在开挖淤泥时，切土厚度4m左右；开挖粘土则调整为2～3m。通过降低切土厚度，减少开挖粘土时的浓度，保证粘土的流速，避免因流速过低导致粘土在管道内淤积。

(2)改进前移距离及横移速度

控制前移距离及横移速度的目的是为了控制泥泵吸入的泥浆浓度。开挖淤泥时，为了提高生产效率，必然会提高泥浆浓度，而泥泵对于淤泥和粘土的吸入及输送能力是不同的。在开挖粘土时，如果前移距离及横移速度过大、过快，会产生两种不良后果：①单位时间内绞刀切土量大于泥泵吸入量，会遗留部分土方在水底，影响施工质量及成本；②单位时间内泥泵吸入泥浆浓度过高，使泥泵输送阻力增大，排压增大，流速下降，当流速低于粘土球的临界启动流速时，粘土球沉积在排泥管底部，导致排压进一步增大，恶性循环下，极易发生堵管现象。8527型绞吸船开挖淤泥时前移距离1m，横移速度12m/min；根据以往开挖粘土的施工经验及本工程工况条件，结合试挖过程中的各种参数变化，调整开挖粘土的前移距离为50cm～70cm，横移速度 8m/min～10m/min。将泥浆浓度控制在 1.2t/m3，流速控制在 4.5m/s～5.2m/s范围内。

对于开挖粘土来说，高浓度并不等于高产量。需调整前移距离及横移速度，找到最佳的泥浆输送浓度和流速，使排压和泵机负荷不至于过高，保证船舶的正常施工。既能降低堵管风险，也能提高生产效率。

(3)规范起锚、换台车时的操作

绞吸船在开挖过程中起锚、换台车时，会出现排压下降的现象，导致流速降低，一旦流速低于临界流速，就可能出现堵管问题。因此驾驶员在进行起锚、换台车的操作前，需调节管内浓度及流速，空出一定的预留量，避免因起锚、换台车造成堵管。