皮带式吹砂船在深厚淤泥底质条件下施工技术

莫建波，赵彪，柳夏宸

（1.上海交通建设总承包有限公司，上海 200136；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

随着沿海吹填造地工程的日渐增多，吹砂船舶的类型越来越多，有泵吸式、绞吸式、耙吸式等等。

在东南亚沿海区域，砂质多为中粗砂，适宜使用皮带式吹砂船，而且皮带式吹砂船具有准入门槛低、施工效率高、施工成本低等优点。但是皮带式吹砂船多用于砂料的倒运及码头装卸施工，并且皮带式吹砂船不同于绞吸船与耙吸船，自身仅配有船舶AIS 系统，无GPS 定位系统，所以仅靠自身设备无法做到精确定位精准抛砂，从而无法完成砂坝精准吹填和围区分层抛填。本项目施工区域存在2~9 m 不等的淤泥层，如仅采取直接单向推进的吹填方法，则会引起施工期沉降不一致和淤泥包隆起[1]，一方面不利于工程区域内的地基稳定，另一方面也容易引起周边水域的地形变化。

为了控制施工成本，在不额外增加辅助船机设备的前提下，仅通过采取优化施工部署，并辅以高精度雷达量方等措施，不仅满足了工程质量要求，还确保了施工安全。

1 工程概况

马来西亚新山丽都项目位于马来西亚柔佛州，紧邻新加坡的新柔长堤。新柔长堤为不透水式实心堤，将柔佛海峡一分为二，本项目地处新柔长堤西侧。工程工期30 个月，施工内容包括吹填砂、护岸、地表排水渠等结构。工程造地面积约66 万m2，造地高程为+3.0 m，共分4 期实施，总填砂量约1 000 万m3。施工区域水深5~14 m 不等，满足皮带机船吃水深度要求。在综合考虑当地市场的船舶保有量、施工区域环境影响、成本等因素的基础上，选定采用皮带机船进行填砂施工。工程区域分期实施平面布置图见图1。

图1 工程区域分期实施平面布置图Fig.1 Layout plan for phased implementation of the engineering area

2 主要关键点

本项目位于马来西亚柔佛海峡近柔佛长堤处，距新加坡边境线仅130 m 左右，属敏感海区。施工区水深变化大，外侧海底坡度大，波浪、潮流作用小，工程区域表层分布有2～9 m 的淤泥层，工程地质性能差，滑移可能性大，极易形成淤泥包；施工区环保要求极为严格；人工量方难度大效率低。本工程主要技术关键点如下：

1）运输船舶为“二合一”或“三合一”的皮带式运输船，船舶舱底为不规则形体，且二合一船舶装舱后形成高低不一的砂堆，人工量方精度难以有效界定且效率低，须采用新技术手段解决装舱量确认的问题。

2）施工区临近新加坡边境，属敏感海区，相邻境内有渔业养殖要求，环保要求严格，须重点关注抛砂吹填施工所产生的环境污染问题，避免纠纷。

3）施工区域内淤泥层厚度分布不均，淤泥承载力差，滑移可能性大，须重点研究施工工艺，避免发生淤泥包、防止滑塌等质量事故。

3 针对性技术研究

3.1 采用三维激光扫描仪检测船舶装舱量

皮带式吹砂船根据装舱方式主要分为两种：“三合一”与“二合一”。其中，“三合一”船舶具备自吸功能，装舱过程中在水流作用下砂体密实度高，基本实现表层的整平；“二合一”船舶不具备自吸功能，由砂源地取砂泵装舱，砂体为不规则体。此外，皮带式吹砂船船舱内杆、柱较多，底部皮带舱门多且为不规则体，造成人工量方困难。“三合一”及“二合一”船舶满载状态见图2。

图2 “三合一”与“二合一”船舶满载状态Fig.2 Full load state of"three-in-one"and"two-in-one"ship

三维激光测量技术是一种全新的遥感技术，可连续、快速地采集目标物表面的三维空间信息[2-4]。该技术具有自动化程度高、受天气影响小、数据采集周期短、精度高等特点。集成了高精度的激光扫描仪、先进的SLAM 算法，是目前集成度最高、精度最高、最轻巧的室内外背包式激光雷达系统，该技术具有如下优点：

1）测量速度快、使用灵活便捷。设备仅为背包大小，携带方便，测量时仅需打开仪器，绕船舱匀速行走一圈即可。每船测量时间仅需3~5 min，相比较人工测量20 min 左右在工效上有了极大的提升，从而提升了砂船的抛填施工时间利用率。

2）点云数据密集，测量精度及分辨率高。每秒可获取30 万~70 万点。结合先进SLAM 算法实现室内外一体化测量，无需GPS 定位即可实现厘米级精度。

3）能全天候工作，受环境影响小。人工夜间量方局限性大，激光扫描仪则不受限制，相比较其他固定式仪器受环境影响小。

在现场配有计算机的情况下，整个处理流程时间不超过10 min，满足装舱量数据及时的要求。经过现场实船的多次测量，激光量方的方法可靠、结果准确、测量便捷，适用于本工程的施工量方计量。

3.2 布设2 道防污帘控制水体污染物的扩散

皮带式吹砂船在施工过程中，底层淤泥在抛填砂的冲力作用下会泛起泥浆，引起表层水体的浑浊，造成一定的水体污染。因此采用布设防污帘的形式阻隔施工区域的水体表层污染物扩散[5-6]。

防污屏结构采用竖向布置方式，即上部为泡沫漂浮体，在浮力作用下露出海面，阻挡海面污染物，漂浮体之间用尼龙绳进行连接；中部为土工布，用以过滤水中污染物；底部为不锈钢压载链，压载链连接混凝土锚块，提供重力荷载。防污帘结构形式见图3。

图3 防污屏设计图Fig.3 Design drawing of anti-fouling screen

一是通过漂浮体的浮力与锚链绳拉力达到平衡，使得防污屏能有效驻位于工程施工的所需设计位置，同时确保潮汐作用下不会产生较大位移。二是通过压载链的重力拉紧土工布，从而维持防污屏整体结构竖相垂直。

防污屏总长6 000 m，分内外侧两道布置，每道长度3 000 m。内侧防污帘设计深度为4 m，外侧即新加坡海域一侧防污帘设计深度为10 m。2道防污屏具有两方面的好处，一是保障单道防污屏出现漏洞后尚有另一道进行日常的污染阻挡，确保施工海域的生态环保不受影响。二是不同深度的土工布产生的流体力差异，利于两侧海域的底层水质交换，避免发生水体富氧化。施工时考虑涨落潮因素及海域水深状况，合理确定了混凝土配重块与压载链之间的连接绳长度，既能确保涨潮时防污屏移动后与吹填施工的堤顶前沿线之间预留足够的船舶通道，又能确保落潮时防污屏移动后与国界线之间预留足够的安全距离。

3.3 研发皮带式吹砂船精准抛砂压载施工技术

工程施工区域内有一定厚度的淤泥且厚度为2~9 m 不等，从工程施工成本的角度来讲，存在淤泥可减少填砂方量；从工程施工的稳定性来讲，存在淤泥对填砂的稳定性有一定的影响。因此如何“变废为宝”，既减少淤泥的流失，又提高填砂的稳定性成为项目施工的重点。经与设计沟通，采取在外侧构筑砂坝集中挤淤，提高吹填砂边缘的稳定性；在内侧均匀分层抛砂，让砂与淤泥充分混合，提高围区内砂体稳定性的措施。

3.3.1 皮带式吹砂船自身的局限性

目前国内外采用带式输送吹砂船分层吹填的案例极少，主要原因在于皮带式吹砂船自身仅配船舶AIS 系统，无GPS 定位系统，所以仅靠自身设备无法做到精确定位，精准抛砂，从而无法确定整体施工流程，完成砂坝吹填和围区分层抛填，因此在施工工序安排和吹填质量控制方面增加了难度。

3.3.2 优化皮带式吹砂船施工方式

1）在外侧集中加载构筑砂坝

在施工区域的边缘利用皮带式吹砂船筑建砂坝，形成砂坝围区。皮带式吹砂船驶抵施工点后减速待定，人工手持GPS 在船头进行定位，测算吹砂船的皮带机机头的准确方位，将皮带机机头对准拟抛填的区域后，开动吹砂船的主机进行定点抛填施工，单次加载深度为16 m 以上，以充分挤走砂坝围区内的底层淤泥，增加砂坝体底部的摩擦力，直至砂体出水达到设计标高后吹砂船移位至下一施工点，直到砂坝构筑完成；再向砂坝围区内填砂以提高砂坝体的侧向稳定性，同时又能形成相对封闭的施工区域，从而减少砂坝围区内回填砂时的流失量。现场施工见图4。

图4 施工现场外侧砂坝施工Fig.4 Construction of sand dam outside the construction site

2）在围区内均匀加载抛砂

根据皮带式吹砂船的装载量，研究制定抛砂施工网格[7-8]。将围区划分成50 m×50 m 田字格，测量人员在田字格的4 个角点抛设浮标，施工人员指挥吹砂船进点后在田字格内均匀摆动皮带机进行抛砂。现场吹砂船舶多为4 000～5 000 m3左右的皮带机船，单次抛砂厚度约为2 m。

利用带式输送吹砂船艏部两口锚进行定位，在进入吹填网格150 m 左右抛下双锚，船舶缓行放下锚链，行至吹填网格时放下止链器，锁紧锚链；此时吹砂船主机不停，利用动力与锚链拉力形成平衡使船舶达到精确驻位。再定位至吹填方块底边线时开始吹填，施工过程中，利用船舵调整船舶方向，由方格一边向另一边匀速摆动，当船舱内砂量卸掉1/3 时，即完成网格内的第1 条弧形区抛砂施工；此时再抬起止链器，放下锚链15 m 后放下止链器，在船舶动力作用下带式输送吹砂船缓慢向前行驶15 m 左右，继续采用左右匀速摆动，当船舱内砂量卸掉2/3 时，即完成网格内的第2 条弧形区抛砂施工；以此往复，完成网格内的第3 条弧形区抛砂施工，从而完成50 m×50 m 吹填网格内的均匀加载抛砂。

3.3.3 优化后皮带式吹砂船吹填成陆方式的特点

1）施工区域的边缘构筑砂坝集中挤淤，在砂坝围区内填砂后提高砂坝体的侧向稳定性，同时又能形成相对封闭的施工区域，从而减少砂坝围区内回填砂时的流失量。

2）在砂坝围区内均匀分层抛砂，让砂与淤泥充分混合，即避免了淤泥的集中隆起导致局部地基承载力较差，又提高砂坝围区内砂体的稳定性。

3）不需要额外增加船机设备投入，仅通过皮带式吹砂船自身的摆动，确保了成陆区内均匀压载，解决了施工区域内淤泥层深厚不均的问题，同时避免出现淤泥包、滑塌等质量事故的发生，不仅满足了工程质量要求，还确保了施工安全。

4 结语

通过采用三维激光雷达技术，解决了船舶量方精度问题；通过在施工区域外侧布设2 道防污屏，解决了紧邻国境线的环保施工问题；通过研究船舶自身机械设备条件，在不额外增加船机设备投入，仅通过皮带式吹砂船的自身摆动，实现了分层抛砂的精度问题，形成了一整套适宜于皮带式吹砂船直接抛填的施工技术，为后续类似工程施工提供了经验借鉴。