铁山港区高粘性土层港池开挖施工技术

陈雪芹 中国铁建港航局集团有限公司第一工程分公司

1.工程概况

1.1 疏浚工程总体设计

北海港铁山港西港区北暮作业区南7号至南10号泊位工程港池疏浚主要工作内容为码头前沿停泊地及回旋水域。港池开挖数量为378.77万m³，总工期13个月。开挖土类基本为中砂、粘土，岩土分类2～7级。

南7号泊位前沿停泊水域长度为2 8 8m，宽度为6 5m，根据靠泊船型将底高程设为-14.20m；回旋水域圆形布置，回旋圆直径446m。南8号～10 号泊位前沿停泊水域长度为458m，宽度为45.2m，底高程为-8.8m；回旋水域椭圆布置，长轴长438m，短轴长219m。前沿停泊水域、回旋水域开挖坡度均为1：3，允许超深0.6m、单边超宽4m。

典型开挖断面图如图1所示。

图1 典型开挖断面图

1.2 岩土分级及可挖性

根据场地岩土层的物理力学性质特征，参照《疏浚与吹填工程设计规范》（JTS181-5-2012），各疏浚岩土分级及可挖性评价如表1所示。

表1 各疏浚岩土分级及可挖性评价表

根据场地岩土层的物理性质特征，参照《疏浚岩土分类标准》表5.2.3，对疏浚岩土用于管道输送和填土的适宜性综合评价如表2所示。

表2 各疏浚岩土用于管道输送和填土的适宜性评价表

黏土③、③、③具有中等膨胀性，且碎化后不易固结，不适宜作填土，若因码头后方堆场缺乏填料或因疏浚废土处理的需要确需利用时，可考虑用砂土掺合改良后用作填土，但需进行改良试验来确定掺合比。

1.3 施工重难点分析

①根据邻近施工项目的疏浚情况可知，疏浚施工挖出的粘土需要泡水才能变软，容易粘斗或粘住铰刀头，清理时间长，降低了挖掘效率。

②挖掘后的粘土块成团状输送时粘土块相互粘结而不破坏分散，增大输送堵管可能性。

为解决上述问题，拟从疏浚设备选型、抓斗挖泥船施工工艺优化、砂土掺合改良等三方面开展研究。

2.疏浚设备选型

疏浚岩土的可挖性与开挖设备的适用性及工艺的先进性有很大的关系，在开挖中应尝试多种开挖方式和工艺，根据开挖效果选择最理想的开挖设备及工艺。疏浚工程一般工程量大，工程投资占比高，单方造价的变化对总价的影响较大，依据现行疏浚定额，疏浚船型及船舶规格对单方造价影响最为直接。

从上文表1可知，绞吸船、抓斗船、铲斗船适用于依托工程所有待开挖土质。另外，与其他类型机械式挖泥船相比，抓斗挖泥船设备简单、挖泥机械磨损部件少，在疏浚市场有更好的应用，施工单位也更易选到更合适的设备。考虑到疏浚泥土要做后方回填材料用，且施工场地具备设置储泥坑的条件，因此选定抓斗挖泥船+绞吸式挖泥船的联合施工方案。

不同规格的船舶适用的经济方量不同，通过综合比选，依托工作的船舶规格及施工安排如下：港池、调头地开挖采用25m³抓斗挖泥船开挖粘土层和粘土混砂层。疏浚土方全部用泥驳运至铁山港9号10号泊位后方陆域围堰吹填区内的临时储泥坑，再利用2500m/h绞吸挖泥船进行吹填，运距约7.5km，吹距约1km。

3.抓斗挖泥船开挖粘土施工技术

抓斗挖泥船属机械式抓斗挖泥船，它运用安装于钢缆的抓斗，并依靠抓斗自由落体的重力作用，放入水中一定深度，通过抓斗插入泥层和闭合，来挖掘和抓取泥沙。

抓斗挖泥船施工艺流程如图2所示。

图2 抓斗挖泥船施工艺流程

3.1 抓斗船施工方法

施工船舶按涨落潮流方向展布，由南向北推进。根据当地的潮汐表可知，施工区域内潮流速度为0.3～0.5m，25m³抓斗挖泥船的船艏在于潮流流向呈45°角的情况下也能正常抛锚驻位施工。

①分段、分条、分层施工。25m³抓斗挖泥船主锚缆长度为200m，依照分段长度在顺流施工条件下取锚缆长度75%的原则，共分为3段，每段长度约145m。以南7号泊位为例，其开挖平面如图3所示。抓斗挖泥船分条宽度不得大于挖泥船抓斗吊机的有效工作半径的2位，分条长度20m。该工程高低潮位水深均能满足抓斗船的吃水要求，分层的厚度根据土质、抓斗斗高及张斗宽度等因素确定，取2m。每段、每条相接处应有2m重叠区，以防出现漏挖。挖泥过程中根据粘土的开挖厚度及土质情况及时调整抓斗的抓挖深度，保证挖泥效果。

图3 南7号泊位分段开挖平面图

②边坡开挖遵照“超欠平衡”原则。为保证基槽断面尺寸的精度和边坡稳定，在开挖基槽边坡时，采用“下超上欠，超欠平衡”的原则进行阶梯状开挖。其原理为使上层欠挖的土方在水流及重力的作用下垮塌填补下层超挖的地方，自然形成边坡。

③挖泥过程控制。船上测量人员需要经常测水深，核对标高，看准水位，严格控制漏挖、超挖。开挖至最后一层时，操作手要控制下挖深度，轻抓，减少超深，挖至接近设计标高时，每挖一段由测量人员采用测深仪及水铊检测合格后，再移船开挖下一段。

3.2 抓斗挖泥船最佳叠斗选择

在粘性土港池挖泥作业时，应根据土质和泥层厚度确定下斗的间距和前移量。为提高抓斗挖泥船的施工效率，因根据测定不同叠斗率的开挖效果及综合工效，选定最佳叠斗工艺。

根据施工所在地高粘性土的特征，按1/4、1/3、1/2叠斗等三种不同情况进行试挖，检验开挖效果，并计算施工效率。选择第一分段标高为-12.0 m～-10.0 m为试验段进行开挖，K0+060～K0+080段按1/4叠斗，K0+080～K0+100段按1/3叠斗，K0+100～K0+120段按1/2叠斗。25m³抓斗挖泥船斗长7.5m，斗宽2.6m，斗高2m。现场记录员记录每斗周期中定位、放斗、合斗、转位、开斗、回转等步骤施工时间。第一遍开挖完成后组织扫浅作业，并统计扫浅作业时间。不同叠斗开挖施工效统计如表3所示。

表3 不同叠斗开挖施工工效

由表3可知，在1/3叠斗情况下，总挖泥时间最短，且开挖精度也能满足设计要求。因此，选择1/3叠斗为最佳叠斗率。

4.砂和粘土掺合改良

绞吸挖泥船是通过松土装置——绞刀，将水底泥沙绞松，再利用泥泵将绞松后的泥水混合物从吸泥口吸入，通过排泥管线输送到卸泥区。储泥坑内的高粘性土未经过足够的泡水软化，工作效率2500m/h绞吸船在挖掘时会出现绞刀刀头被粘土“糊住”的情况。在同时，粘土在吹填过程中输送阻力大，会形成块状聚集堵塞吹泥管路，进而影响绞吸船泵送施工效率。

为解决绞刀刀头被“糊住”的问题，国内外现有技术通常采用配置不同的绞刀形式，例如，硬塑粘土、中密砂等采用直径较小的冠形可换齿绞刀并配凿形齿。但本工作中的粘土为团状，且已经过扰动，其适应性仍需验证。为解决吹泥管路堵塞，国内外通过参数调整、助送输泥、改进管线设计等方式。

结合本工程的地质情况，在高粘性土层上方有一层中砂层，若能利用该中砂层，将砂土与粘土进行混合，则可降低绞吸功率，并能防止成团粘土被吸入到管线内。

从工程地质剖面图（如图4）上可以看出港池原泥面下中砂与粘土的比例在1/3～1/2之间。调整开挖区域挖泥顺序，即达到每1艘泥驳的中砂搭配每1艘或第2艘泥驳的粘土，卸入储泥坑。并在满足工期要求的前提下适当延长放置时间，使经抓斗挖泥船挖掘的粘土有充分的泡水软化时间。

图4 工程地质剖面图

采取上述2 项措施后，再采用2500m/h绞吸船将储泥坑的泥泵送吹填至后方陆域。实践表明，在泡水软化时间达7d的情况下，中砂与粘土的比例在1/3～1/2均能实现正常绞吸吹填。

5.结束语

（1）从粘性土的性质出发，遵守技术可行性和经济效益好为两项基本原则，可实现合理设备造型。

（2）合理设置叠斗率，可有效避免浅点，减少因返工造成的损失。

（3）通过砂土掺合改良，可以有效避免绞刀头被“糊住”和堵管的风险。