铺砂驳分层回填工艺在大面积水下摊铺砂垫层项目的应用

赵宝帅，张健良

（中交广州航道局有限公司，广东 广州 510290）

0 引言

砂垫层在各类工程中的作用是不同的，设计的主要内容也不同。在软弱土层顶面铺砂垫层，主要起浅层水平排水作用，加速软弱土层的排水固结[1]，砂垫层提供的排水面，不但可以使基础下的孔隙水压力迅速消散避免地基土的塑性破坏，还可以加速砂垫层下软弱土的固结及强度的提高；直接在原始海床面为淤泥质底质的原泥面分层铺设砂垫层，可防止淤泥拱起形成淤泥包[2]；在深层水泥搅拌复合地基施工中，砂垫层可以为深层水泥搅拌桩提供一个覆盖层，防止打桩过程中泥浆直接溢出。

本文阐述了铺砂驳与泵砂船等配套船舶施工工艺在香港国际机场第三跑道填海工程（以下简称香港三跑工程）大型回填项目分层铺设砂垫层的应用，是国内首次实施案例，为大型项目的分层回填施工提供了参考方向[3]，具有较好的借鉴意义。

1 工程概述

香港三跑工程回填面积约650 hm2，具有工程规模大、施工技术要求高、安全环保监管严等特点。由于水下回填阶段海堤尚未合龙，需严格控制施工区水质污染。根据项目环评文件，对施工现场周边的空气、水质、噪音等环境以及白海豚的保护都有严格的限制。铺砂驳摊铺头前边需要加装环保架，下端需安装可升降的双层防污帘，且在施工过程中防污帘底部与海床面的距离间隙小于30 cm。

原始海床面为淤泥质底质，淤泥深度为15～25 m，且部分区域在施工前为政府划定的抛泥坑，浮泥层较厚，强度极低，根据地基检测结果，其强度低于3 kPa。因为原始海床面没有换填，地基承载力极弱，不宜一次加载过快，需要分层铺设砂垫层[4]。

采用分层回填的工艺主要有：1） 抓斗式抛填；2） 小开体驳直接抛填；3） 皮带砂船配合定位驳船抛填；4） 新型工艺：铺砂驳与配套船舶（皮带砂船或耙吸船、泵砂船等） 进行分层铺砂。各抛填砂施工工艺比较见表1。

表1 各抛填砂施工工艺比较Table 1 Comparison of sand throwing and filling construction technologies

本文以铺砂驳和泵砂船、皮带砂船组合进行分层施工砂垫层为例，从施工原理、工艺特点、回填效果和施工效率进行分析，具有施工环保、单程铺砂面积大、铺砂均匀、工艺自动化程度高的优势。

2 铺砂驳施工原理

皮带砂船通过皮带桥架供砂给泵砂船，泵砂船通过管线与铺砂驳相连，将舱内砂料以30%～35%砂水比例泵送给铺砂驳。施工平面布置见图1。

图1 施工平面布置图Fig.1 Construction layout plan

铺砂驳依据自身的集成控制系统和水下封闭扩散式环保铺砂头[5-6]，可根据泵砂浓度、流速、工作线及预设摊铺厚度实现自动摊铺，铺砂均匀，工艺自动化程度高。

铺砂驳自动摊铺控制系统由平面定位系统、产量监控系统及自动锚缆控制系统组成，施工前，按照预定的摊铺宽度及厚度[7]，设置工作线。施工时，产量监控系统根据检测到的产量Q，反馈至自动摊铺系统，自动摊铺系统根据预设的铺砂厚度H、铺砂宽度L，计算出铺砂驳移动速度V=Q/（HL），并自动计算出各锚缆的收放速率，然后通过锚缆控制系统及定位系统，实现动态的调整前进方向及移动速率，以此实现预定区域砂料的均匀摊铺。

铺砂驳的水下封闭扩散式摊铺头由进口圆管、过渡段、矩形管、扩散段和内部导流板组成，采用全封闭式结构设计，如图2 所示[6]。在进行水下铺砂施工时，水砂混合物完全在封闭的铺砂装置内流动，可以避免水下铺砂施工对水体环境的污染。铺砂头从进口段到出口段设计，在宽度方向尺寸逐渐增大，呈喇叭形扩散，大大提高单程铺砂面积，同时还大大降低出砂口流速，减小对河床冲击。内部布置导流板，对流入扩散段的水砂混合物进行分流，使得在宽度方向上能够保证流量的均分，实现均匀铺砂的功能。

图2 铺砂头Fig.2 Filling unit

铺砂驳的自动锚泊定位系统的定位精度和定位速度直接关系到施工质量。由于风和流的影响，无法对锚泊定位系统建立精确的数学模型，所以采用模糊状态机的思想对系统进行开发，保证船舶在走线铺砂过程中铺砂口中点与工作线的距离不超过50 cm。

3 施工工序及工艺流程

3.1 施工工序

根据技术文件要求，需要在原始海床上回填2 m 厚的砂垫层。根据设计要求，回填过程中为避免产生泥浪和淤泥隆起，砂垫层分4 层施工，每层厚度0.5 m，误差为±250 mm，砂垫层施工坡比不超过1∶15。

3.2 施工工艺流程

采用的分层回填设备有：铺砂驳船、皮带砂船、泵砂船等，施工工艺流程如图3 所示。

图3 施工工艺流程Fig.3 Construction technology flow

3.2.1 制定铺砂驳的施工范围

铺砂驳船的每个固定锚缆长度是600 m，艏锚与艉锚的最大抛锚距离为800 m，边锚之间的抛锚距离最大为艏、艉锚间距的一半（400 m），边锚对艏、艉锚之间中心点±30°的角度为施工可控区域。铺砂驳船的施工可控范围为边长120 m 的正八边形，根据铺砂驳的移船换线的施工工艺特点，并且为保证施工质量，铺砂驳船的可控施工范围应控制在如图4 所示的边长为233 m 的正方形施工区域内。铺砂驳船的铺砂头宽度为7 m，因此，实际施工过程中将施工范围定为140 m×140 m。

图4 铺砂驳船最大施工可控制范围Fig.4 Maximum construction control scale of spreader pontoon

3.2.2 编制施工背景文件

设定140 m×140 m 的施工区域并划分施工网格，每条工作线间隔7 m，并设定工作线施工方向和网格编号，如图5 所示，再加上原始水深图，将制作好的施工文件导入铺砂集成控制系统。

图5 施工方向和编号Fig.5 Direction and number of construction

根据设计文件，砂垫层施工坡比质量要求不超过1∶15，因此，在控制分层施工回填范围时进行了严格设定，坡比要求：第1 层砂垫层施工范围为140 m×140 m；第2 层施工时，四周均向内缩进7 m，即施工范围为126 m×126 m；依此类推，第3 层施工范围为112 m×112 m；第4 层施工范围为98 m×98 m。

4 施工效果分析

1） 通过对完成回填的区域测量（测量结果采用彩色厚度色块图表示较为清晰），可以看出，铺砂驳的两条工作线中间回填的砂垫层厚度比两边偏薄，存在回填厚度不均匀的现象，两条施工线之间搭接不足。

经过分析发现，铺砂驳在按条施工时（14 m宽），摊铺头两侧的出砂流量、浓度低于中间区域，针对此现象，每层摊铺完成之后，将下层计划工作线偏移7 m，实现错层摊铺，达到削峰填谷的效果，提高回填平整度。

2） 通过错层施工调整之后，对完成的回填区域进行测量，测量结果如图6 所示，从厚度图中可以看出，铺砂效果良好。

图6 分层回填厚度图Fig.6 Layered filling thickness diagram

3） 通过对完成2 m 的砂垫层和周边水域进行测量，用测量厚度图检验砂垫层的水下施工坡比是否满足要求和周边原始淤泥面是否产生拱淤，从铺砂区域选取典型纵向断面，纵向断面图如图7 所示。

图7 铺砂断面图Fig.7 Section drawings of filling

从厚度图和断面图中可以看出，砂垫层水下坡比满足不大于1∶15 的施工要求，并且不会造成原始淤泥面拱淤。

5 施工效率分析

以本项目使用的泵砂船和铺砂驳配合施工时的施工效率为参考依据。

所使用泵砂船的主机额定功率为900 kW×2，泥泵功率较小，根据经验，排距为500 m 时，泵砂船的泵砂效率为850 m3/h。正常情况下，皮带砂船的卸砂速率为1600 m3/h。所以，一条皮带船的供砂速率完全可以满足所使用泵砂船的泵砂速率。施工效率如表2 所示，铺砂驳的平均施工效率为898 m3/h。

表2 铺砂驳铺砂效率Table 2 Sanding efficiency of spreader pontoon

6 结语

综上所述，铺砂驳+泵砂船工艺满足砂垫层分层施工要求，可以达到精准均匀铺砂的效果。铺砂驳的施工参数可以根据砂料情况调整，根据供砂浓度，控制走线速度，从而控制铺砂厚度。在实际应用过程中，要根据检测结果，采用错层摊铺的方法，避免两条工作线之间的铺砂厚度较薄而无法满足施工质量要求。

另外，铺砂驳可以与耙吸船、绞吸船配套进行施工，也可以与皮带砂船进行组合施工，工艺组合灵活性高，适用性广。铺砂驳与泵砂船、耙吸船和绞吸船进行组合施工时，可以实现供料端与铺砂端的分离，克服施工水深和水域条件的限制[8]，充分发挥铺砂驳吃水小、低净空的优势；在水深条件好、水域开阔的施工区域，采用皮带砂船直接配合铺砂驳进行分层施工，皮带砂船通过皮带桥架把砂料打至铺砂驳漏斗，皮带砂船通过松紧锚缆，和铺砂驳走线速度保持一致，进行分层摊铺施工。