深水区大体积水下障碍物打捞技术研究

郑喜平

(中国铁建港航局集团有限公司 广东珠海 519000)

1 引言

在跨海桥梁施工过程中，往往会遇到水下不明障碍物，阻碍了桥梁的施工，造成工期滞后、管理成本增加。在非洲地区，受制于落后的技术及经济条件，许多水工建筑物往往年久失修或者废弃后不拆除，船舶沉没后不打捞，使得水上水下存在大量的障碍物，大大增加了跨海桥梁的施工难度和不确定性。

为确保工期目标和节约成本，需充分利用当地既有的物资设备条件，尽量避免从国内调遣大型机械设备，应从多个角度对比分析，充分发挥创新能力，制定符合现场实际情况且高效的施工方案。

2 工程概况及重难点分析

2.1 工程概况

尼日利亚拉各斯轻轨跨海桥位于尼日利亚拉各斯州，桥梁主跨为40 m+5×60 m+40 m连续梁，基础为桩径φ1.25 m和φ1.5 m的摩擦群桩。跨海桥南端连接拉各斯岛，北端连接国家大剧院，东侧与EKO大桥平行对孔布置，西侧为空旷水域，桥位区下方为未知的废旧水上建筑物。

本工程地表水为泻湖水，水深15～18 m，受潮汐影响，潮汐每4 h变换一次，最大潮差为1.5 m，最大流速为1 m/s，最大浪高约为1 m。每年12月至次年3月水质较为清澈，其余时间水质较为浑浊；每年11月至次年2月份，每次大潮退潮后，水面漂浮有大量水草。低潮位水面标高为+0.65 m，高潮位水面标高为+1.5 m。

2.2 重难点分析

(1)施工区域泥面以下存在大小不均沉船，经长时间海床演变，覆盖层较厚，无法直接采用起重设备进行打捞作业，且受当地起重设备起重能力限制，打捞作业存在极大困难。

(2)经水下探摸、查验，施工区域存在大量水上、水下钢筋混凝土系缆墩，体积大，且最大重量达300 t，受当地起重设备起重能力限制，打捞作业存在极大困难。

(3)施工区域存在水下码头废弃钢筋砼基桩且入土深度较深，部分基桩靠打桩船无法拔出。

3 打捞方案及关键技术

3.1 打捞方案

根据水下探查结果，障碍物主要为沉船、系船墩(部分系船墩倒塌并沉入海底)、钢管桩，以及型钢、轮胎、卷扬机等其他杂物，根据项目所在地的国情和现场情况，制定打捞方案。

障碍物分类见表1所示。

表1 障碍物分类

障碍物具体分布如图1所示。

图1 障碍物分布

由于项目工期紧，需快速清理水下障碍物。当地经济落后，无大型水上起重设备，若从国内调遣大型的打捞设备则耗时长、成本高，因此只能依靠当地及项目现场已有设备。根据研究分析，确定打捞方案的总体原则:小块体整体打捞，大块体分块切割后打捞，化整为零，大型起重机械采用打桩船、履带吊代替。远离岸侧的障碍物采用打桩船起重打捞，靠岸侧的障碍物用履带吊起重打捞；大体积系船墩先切割分块，然后打捞；体积小的沉船整体打捞，体积大的沉船采用清淤+切割分块+打捞的方式；钢管桩采用千斤顶+打桩船相结合的方式拔除。

3.2 打捞关键技术

3.2.1 沉船打捞技术

根据沉船的不同分布位置和水下状况，采取不同的打捞方式[1]。

(1)整体打捞

6＃、13＃、14＃沉船船体较小、重量轻，可直接用起重机械打捞[2]。6＃沉船位于栈桥ZQ-11＃墩处，水域较为开阔，可采用打桩船直接捆绑打捞。13＃和14＃沉船靠近岸线并且有栈桥及平台阻挡，利用100 t履带吊在栈桥上起吊打捞。潜水员用细绳牵引钢丝绳捆绑的方法，将沉船两端捆绑牢固，然后用打桩船或履带吊吊离海床面，慢速浮托至指定的地方处置。

(2)沉船切割

9＃沉船位于跨海桥112＃桥墩，船长约25 m，宽约5 m，而打桩船的最大起重能力为70 t，无法整体起吊，因此需对沉船进行水下切割[3]分块，然后逐块清除。首先潜水员将需要切割的船体用钢丝绳捆绑好，然后打桩船吊紧钢丝绳，防止切割过程中沉船断裂，确保潜水员的安全。潜水员采用水下氧-弧切割方法[4]进行船体切割分块，切割完成后用打桩船起吊移除。切割和打捞均在潮水较为平缓时间进行，打捞过程中沉船不脱离水面，打桩船分块打捞沉船如图2所示。

图2 打桩船打捞沉船

(3)气举反循环清淤

经水下探查，15＃沉船大部分船体被淤泥覆盖，覆盖厚度约为2 m，船舱内也淤积了较多的泥土，而且船体被海水腐蚀严重。经研究分析，采取清淤+分块切割+分块打捞的方法。项目部自行设计、加工清淤设备，采取气举反循环清淤[5]。

空压机的选型，根据排气压强计算公式:

P＝1.2˙ρ˙g˙H+ ΔP

式中，P为空压机排气压强(MPa)；ρ为泥浆密度(kg/m3)；g为重力加速度(N/kg)；H为清淤水深(m)；ΔP为大气压强(MPa)。

根据地质情况，泥浆密度为1.3×103kg/m3，水深取最大值15 m，计算得排气压强P＝0.33 MPa，故选用排气压强大于0.33 MPa的空压机。施工现场有一台PSD375S型空压机，排气量为10.6 m3/min，排气压力为0.69 MPa，满足使用要求。

根据功效分析、空压机排气量等计算吸泥管流量，选用外径为159 mm的钢管。清淤效率与沉没比[6]有关，一般来说沉没比要大于0.5，现场制作吸泥管时，其沉没比为0.83＞0.5。

清淤过程中，潜水员辅助定位吸泥管的清淤位置，特别是清除船舱内的泥沙。此外，潜水员用高压水枪配合冲刷搅动吸泥管周边的泥沙，使吸泥管可以更好地清淤。气举反循环清淤如图3所示。

图3 气举反循环清淤

清淤完成后，潜水员采用水下电弧-氧切割方法，潜水员先用钢丝绳将沉船捆绑好，然后对沉船进行切割分块，用100 t履带吊进行沉船打捞。

3.2.2 系船墩打捞技术

系船墩为多边形，厚度为2.5 m，重约300 t。由于系船墩重量大，超过现有起重设备的起重能力，因此先用金刚石绳锯进行切割[7]，然后分块打捞清除。

未倒塌的系船墩切割时，先在系船墩上钻孔，用钢丝绳穿过钻孔将要切割的系船墩绑牢并吊紧，然后用金刚绳锯沿切割线切割分块，再用金刚石绳锯切断系船墩下部的桩基[8]，最后起吊清除。

水下系船墩拆除[9]需潜水员配合，GPS精确定位。先用地质勘探钻机按照预先确定的位置钻孔，用于起吊时穿钢丝绳捆绑。切割机安放在驳船船头的工作平台上，潜水员将金刚石绳固定到预先划定的混凝土切割线上，启动绳锯切割。切割完成后，潜水员用钢丝绳捆绑好混凝土块，起重设备起吊移除。金刚石绳锯水下切割如图4所示。

图4 金刚石绳锯水下切割

3.2.3 钢管桩拔除技术

根据地质报告的持力层深度，分析出钢管桩为摩擦桩，桩侧摩阻力可以通过桩基的承载力来反映。根据单桩容许承载力计算公式:

式中，[P]为桩的容许承载力(kN)；u为桩身截面周长(m)；fi为桩周土的极限摩阻力(kPa)；li为各土层厚度(m)；ai、a为振动沉桩对各土层桩周摩阻力和桩底承压力的影响系数；A为桩底支承面积(m2)；R为桩尖土的极限承载力(kPa)。

钢管桩的最大入土深度约20 m，计算得容许承载力最大值约为1 060 kN。

结合现场实际进行拔桩工艺技术的分析[10]，常用的拔桩方法有静力拔桩、振动沉管加水利切割拔桩、套管拔桩[11]等。但考虑到钢管桩有较多的斜桩，采用沉管或套管的方式均难以实现，因此选择静力拔桩的方式。

(1)打桩船拔桩

通过潜水员将钢丝绳捆绑在钢管桩上，利用打桩船的起重系统及潮水上涨时船舶浮力的共同作用拔起钢管桩。打桩船拔桩如图5所示。

图5 打桩船拔桩

(2)千斤顶拔桩

部分钢管桩入土深度较深，打桩船无法拔出，通过研究分析，利用穿心式千斤顶，通过体系将千斤顶的顶升力转换成拔桩力进行拔桩[12]。

设计千斤顶拔桩平台，千斤顶拔桩平台主要由分配梁、贝雷片组成。通过midas有限元分析软件对平台进行结构验算，设计出安全稳定的拔桩平台。千斤顶拔桩平台设计如图6所示。

图6 千斤顶拔桩平台设计

如何将千斤顶产生的顶升力转换为拔桩力是关键，通过设计千斤顶托架和连接器，用精轧螺纹钢传递受力，使千斤顶顶升力转换为拔桩力。千斤顶拔桩体系设计如图7所示。

图7 千斤顶拔桩体系

用钢垫板和螺母将精轧螺纹钢锁定的千斤顶顶部，精轧螺纹钢下部用螺母与连接器连接，钢丝绳系在连接器下部并捆绑住钢管桩，在千斤顶及浮力共同作用下进行拔桩。千斤顶拔桩如图8所示。

图8 千斤顶拔桩

3.2.4 其他障碍物清理打捞技术

其他障碍物主要是一些杂物，包括水泥块、槽钢、轮胎、钢管、卷扬机等，因其体积小、重量轻，利用船上卷扬机或地面大型吊车，配合潜水员，即可清理干净。

4 结束语

在国外落后的沿海区域，特别是在原址上重建或新建工程，若未能事前探查清楚水下情况，将对施工造成较大影响，甚至可能导致施工因故中断。建议海外项目加强桥址地质勘察，特别是涉水项目，避免工期、造价发生重大风险。

(1)相比传统的凿除方法，采用金刚石绳锯切割钢筋混凝土，具有切割深度不受限制、环境适应性好等特点，工作效率更高，值得推广。

(2)将国内成熟的钻孔桩气举反循环清孔方法转换为海上精准清淤，结合水下氧-弧切割，在起重设备缺乏的条件下，将沉船化整为零分块打捞，避免了从国内调遣大型起重设备，有效降低了施工难度和成本，工期基本可控。

(3)千斤顶的体积小、顶力大，通过巧妙的体系转换，可产生较大的上拔提升力。

利用现有的工程材料进行作业平台、施力装置的创新设计，既解决了大型起重设备匮乏的客观条件，又充分利用了现有设备，为项目节省了成本。经过本次技术应用，证明了此次打捞方案的可行性；同时在海外船机资源有限和在经济不发达地区处理深水障碍物打捞卡脖子难题的情况下，本次技术创新具有一定的推广价值。