平板驳辅助耙吸挖泥船对码头前沿浮泥施工工艺

2020-06-23李松涛谭元译

水运工程 2020年6期

李松涛,谭元译

(1.中港疏浚有限公司，上海 200120；2.中交上海航道局有限公司，上海 200002)

1 工程背景

马来西亚关丹新深水港是以支撑配合“一带一路”重点项目马中关丹产业园区的发展、为入园项目提供优良的港口物流服务、打造以“港—产—园”格局为目的的基建港口工程。本工程港池区域设计水深16 m，泊位区域设计水深18 m，航道区域设计水深17 m。考虑到耙吸挖泥船的安全施工距离及操作性能限制，距离码头前沿30 m以内，靠近码头水工建筑物的泊位区域前期采用抓斗船施工至设计水深。但在后期的施工检测中发现码头前沿30 m范围已施工区域有明显回淤，抓斗施工难以满足质量要求。通过测量锤、单波束测量、多波束测量数据及现场取样比对判断回淤土质为浮泥，该区域浮泥清除作业成为难点。

2 工程难点

2.1 浮泥生成原因

本工程合同要求验收采用多波束高频测深仪，其反射面为水与淤泥的交界面。大量实测资料表明，反射面的淤泥密度约为1.03 t/m3[1],即淤泥密度达到此值时，多波束信号将无法继续向下穿透。经取样验证，码头前沿浮泥密度约为1.10～1.36 t/m3，导致现场多次测量多波束无法穿透浮泥层。通过对比测深锤及高频多波束测深数据发现部分浮泥层厚度达2 m左右(图1)，阴影部分表示浮泥厚度。

图1 码头前沿浮泥情况

浮泥生成的主要原因：

1)码头前沿区域前期开挖基坑已至18 m，而港池水深大多在13～14 m，水深落差大，导致自然落淤。且此前码头水工建筑物尚未完成，多艘码头施工船舶作业，未能施工。

2)港池疏浚土质主要为黏土及淤泥，一方面耙吸挖泥船港池施工扰动细颗粒泥沙悬扬，使其随水流运移到码头前沿掩护区落淤；另一方面，海床表层未悬扬淤泥软化后在水平方向流动、聚集，形成高含沙水体后在重力作用下向码头前沿较深区域运移而形成浮泥[2]。

3)受防波堤掩护，港池内水流缓慢，聚集在码头前沿深槽处的浮泥无法随水流带出[3]，从而形成浮泥带。

2.2 常规施工工艺问题

2.2.1耙吸船施工

耙吸船主要适用于开阔水域，但因目前码头水工建筑已基本完工，如果采用耙吸船施工码头前沿，受船体挤压及船行波影响，船体与码头结构物之间的狭窄区域水体将高速流动，产生岸吸作用。耙吸船巨大的船体在狭窄水域本就不易操控，岸吸作用很有可能导致船体与码头结构擦碰。其次，码头前沿水深较小，浅水中的船体下沉及纵倾变化比深水中明显。水深较小时，船体周围的水位下降现象范围更大，加之浅水区孤立波的影响，船体下沉及纵倾变化比深水中更为激烈，严重时会导致船底擦碰海底的事故[4]。

除以上因素外，耙吸船近岸航行时还将受到风浪的向岸顶推作用，施工风险进一步提高。因此耙吸船单独施工方式可行性不高。

2.2.2抓斗船施工

抓斗船主要适用于不同硬度的疏浚土质，但是对于流态的浮泥效果很差，一般只能抓平斗，高出平斗部分浮泥会在抓斗出水前流失[5]，有效方量较低。施工时需要锚缆定位,同时需要泥驳及拖轮配合施工，对耙吸船施工港池造成交叉影响。并且抓斗船实际施工过程中受抓斗摆动影响，船舶摇晃幅度较大，不利于质量控制，且潮位不足时还会有撞击码头桩基的危险。

2.2.3泵吸船施工

本次采用的泵吸船为一艘配有挖泥泵的80 t吊车驳船，采用水下泵对浮泥泵吸，然后通过排泥管输送至指定区域。因关丹港当地条件限制，排泥管线较短,只能将码头前沿的浮泥输送至港池区域，需要耙吸挖泥船进行二次倒运，效率损失严重。实际施工过程中因为泵吸船设备老化，故障频发，时间利用率低至20%。同时由于泵吸作业的不连续性，已清淤区域很快再次回淤，施工效果较差。

2.3 耙驳联合施工工艺

针对现场情况，采用平板驳辅助耙吸挖泥船的施工工艺解决码头前沿浮泥施工难题。平板驳作为耙吸船与码头水工建筑物的缓冲，一方面控制了耙吸船与码头前沿的相对距离，规避了岸吸作用可能带来的碰撞风险；另一方面有助于稳定耙吸船船位，减少船体因纵倾变化与海床刮蹭的可能性，使耙吸船得以充分发挥其大功率泥泵的优势，码头前沿浮泥的清除效率较泵吸船大幅提高。另外，投入施工的万方耙吸船具有舱容大、能高效自航自卸等优势，使其每次都能吸运大量浮泥，且整个清淤过程连续、无须二次倒运，时间利用率及回淤影响较泵吸船有明显改善。

2.3.1驳船选型

驳船选型为本工艺顺利实施的关键，选型时须考虑以下几点：

1)最好选用平板驳，因为平板驳遮挡物少，可以防止在耙吸船外推耙管时影响施工安全。驳船的两侧应具有防撞设施。一方面保证驳船在与耙吸船靠近时防止因为惯性造成碰撞损伤；另一方面在施工过程中如果驳船贴近或者撞击码头橡胶护舷时能够起到缓冲保护作用。

2)驳船尺寸要求。长度方面，须考虑驳船能够与耙吸挖泥船缆桩的平面位置进行匹配。辅助驳船采用3条缆绳与耙吸船固定，如图2所示。不同耙吸船的3个缆桩的位置会不同，驳船的长度应该与艏艉缆桩间距接近，此时两船绑靠最为紧密。驳船长度太大会影响耙管正常上下耙架；如果长度太小，通过3个缆桩系绑的缆绳过长，导致驳船与耙吸挖泥船连接不够紧密，施工过程中受风浪及操作影响较大。宽度方面，须考虑到耙吸船对码头前沿的施工安全以及最大施工距离:如果驳船宽度太大，耙吸船与码头前沿距离太远，无法施工码头前沿最内侧区域；如果驳船宽度太小则起不到有效的安全保护作用，极易造成疏浚设备受损。

图2 平板驳与耙吸船系绑

3)优先选择有自航能力的驳船，因其具有良好的操作性能，在绑靠过程中更加灵活方便，节约时间。平板驳与耙吸船施工见图3。

图3 平板驳与耙吸船施工

2.3.2工艺流程

驳船先靠泊码头就位，然后耙吸船缓慢靠近驳船，驳船立即通过3根缆绳绑靠耙吸船[6]，待绑靠完毕后，解除驳船码头全部缆绳，由耙吸船挟带驳船沿码头前沿方向正倒车吸取浮泥。在耙吸船航行施工时，驳船靠近码头内侧两端各安排工作人员观察驳船与码头橡胶护舷的间距。相距较近时及时提醒耙吸船的驾驶员做好船位控制，保证施工安全。装舱完毕后解缆，耙吸船重载航行至抛泥区卸泥，驳船则系靠在码头上等待下次作业。施工流程如图4所示。

图4 施工流程

2.3.3操作关键技术

1)缆绳长度的控制。因为驳船与耙吸船系绑时耙吸船为空载，船舶吃水较小，两船的高低落差大，此时系绑的缆绳较长。装载过程中耙吸船吃水变大，两船的的高低落差逐渐变小，最终平齐，整个过程中缆绳松动，须根据缆绳的松紧程度进行调节，保证驳船始终与耙吸船紧靠。

2)装舱不溢流施工。耙吸挖泥船提前进行抽舱，排除舱内余水，轻载至码头前沿浮泥区域上线。采用装舱不溢流施工方法，确保耙吸船最大装舱量，防止溢流出的泥浆再次在码头前沿落淤。

3)延长装舱时间。本工程投入的耙吸式挖泥船为“新海虎4”轮，泥泵转速为213 r/min,泥舱容量11 888 m3，双耙施工约20 min满舱溢流，单耙施工约40 min满舱溢流。在采用双耙施工的情况下外挡耙不能施工浮泥的有效区域，为了延长装舱时间，采用单耙施工，减小进舱流量并将溢流井调至最高位置，以保证装舱量最大化。

4)关闭高压冲水。耙吸挖泥船的耙头具有由入流管路、水箱和喷嘴组成的垂直高压冲水系统。在施工过程中利用该系统喷射的水流能够对待挖沉积物进行冲刷与疏松,为耙头的挖掘进行预处理[7]。但考虑到浮泥细颗粒较小易扰动的特性，施工过程中应关闭高压冲水，避免对浮泥层过多扰动。

5)驳船与码头建筑物的距离控制。对于驳船与码头建筑物距离的把控是一个难点：如果距离太近，驳船和耙吸船会因为惯性严重挤压码头前沿的护舷，造成护舷掉落，船体受损，操作不当甚至会导致耙管伸入水下立桩造成折断；如果距离太远，则泵吸作用有限，无法吸取码头底部浮泥，影响施工质量。根据现场经验，保持耙头与码头距离为3～5 m时吸取浮泥效果较好。在船舶操作技术允许的情况下，可以将船尾压向码头以施工码头底部浮泥。

6)施工航行速度控制。码头前沿施工尽可能降低航速，保持低速稳定航行，提高船舶的操作性能。本次施工航速控制在0.1～0.5 kn，浮泥进舱密度保持在1.10～1.30 t/m3，有效地保证了高浓度的进舱泥浆。

7)施工质量控制。结合耙吸挖泥船疏浚自动化监控系统中的施工轨迹线，合理地进行分条分带施工，防止漏挖。加强测图频率，及时更新水深图，根据浮泥层厚度情况控制下耙深度，分层开挖，逐步增深。施工过程参数见表1。

表1 施工过程参数

2.3.4施工效果

1)施工效率。码头前沿区域平均水深由16.73 m增大至17.91 m，增深1.18 m。考虑码头前沿存在护底抛石，水深情况已经满足验收要求。此次挖泥量(测图)为14 785 m3，施工时间为41.8 h，平均施工效率为353.72 m3/h。施工效率分析见表2。

表2 施工效率

2)经济效益。耙吸挖泥船消耗燃油按照运转时间41.8 h计算，消耗燃油83 t，生产方量及燃油消耗比为178.1 m3/t。施工当月油价为人民币3 224元/t,消耗成本为26万元。若采用当地泵吸船施工，设备调返遣成本需要42万元，泵吸单价为15.8元/m3,实际生产方量按14 785 m3计算，使用泵吸船施工成本将达到65万元。本施工方法节约成本39万元，经济效益明显。