管板组合桩码头前沿疏浚技术研究

谢贤举，王付耀，吕亦陆

（1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

新建航道港池等工程一般采用绞吸船进行开挖施工，一方面因为绞吸船开挖精度和效率相对较高，另一方面因为绞吸船可以直接将疏浚土吹填至码头规划区辅助码头建设。此外码头的胸墙结构一般会突出码头桩基线2 m左右，耙吸船无法进行胸墙以下区域的土方疏浚[1]，故在港池有限的施工空间内选用绞吸船进行码头前沿施工最为有利。

绞吸船在进行港池疏浚施工时，一定会面对码头前沿施工这一难题，之所以称之为施工难题主要原因是码头设计一般为垂直地面结构，当绞吸船在下放绞刀疏浚码头前沿土方时，由于受到绞刀直径（约2.5 m）的影响，导致码头前沿会出现一个断面形状为三角形的残留土区域。针对码头结构前的残留土疏浚方法在尼日利亚拉各斯自贸区莱基深水港疏浚吹填工程（以下简称莱基港工程）中进行了试验研究。

1 工程概况

莱基港工程位于尼日利亚拉各斯自贸区，在拉各斯市区以东70 km处毗邻大西洋。工程内容包含长约9 km、宽约150 m的航道及长约800 m、宽约600 m的港池，港池及航道的疏浚底高程为-16.5 m，合同疏浚工程量约1 600万m3，码头结构断面如图1。前沿停泊水域设计宽度为34.35 m，设计底高程-18 m，允许最大超深为0.5 m，停泊水域允许超宽为1 m[2]。该段为复合土质，-8 m以上为松散～极密实砂，-8～-12 m为含黏土砂，-12～-16.5 m为软质黏土，-16.5～-18 m停泊水域深度范围主要为松散～中密的细砂到中砂，一部分区域为含黏土颗粒的细砂。

图1 码头结构断面图Fig.1 Wharf structure sectional view

莱基港码头结构为钢管板组合桩，如图2所示，管桩与板桩通过锁扣对接，上部为胸墙结构。码头前沿停泊水域疏浚前，桩结构已施工完毕，胸墙已浇筑完成并达到养护期。施工时因受大西洋涌浪影响导致施工工况条件较差。另外停泊水域需开挖至钢管桩前沿线（已浇筑的胸墙突出管桩前沿线2.35 m），且不允许有浅点区域，码头前沿为整个项目施工难度最大的区域。

图2 钢管板组合桩结构图Fig.2 Structure drawing of the tube-sheet pile

2 码头前沿残留土施工措施及原理分析

通过采用限深超挖、减小绞刀头与码头前沿线的距离、多次定点泵吸、提高水下泵转速、潜水员水下处理等措施组合对码头前沿残留土进行施工[3-4]。各施工措施的具体内容和原理如下所述。

2.1 限深超挖

限深超挖就是在设计允许的超深范围内比设计深度H向下多开挖h，即疏浚施工深度为H+h，疏浚超深h应小于设计允许超深以免造成超挖[5]。

超挖主要是利用土方在被挖除一部分后在重力作用下自然塌方形成一个平衡边坡的原理。在残留土边缘处继续向下开挖，则会打破残留土现有边坡平衡，残留土边坡则会坍塌形成再平衡，坍塌土方则会滑落至绞刀头吸口处被泵吸清除。假设在残留土边缘处垂直向下开挖h，施工过程中码头前沿残留土的高度为h1，如不考虑绞刀下挖形成的坑槽的弧度，把其视为开挖后残留土自然坍塌为三角形，则可以得到超挖后土方挖除部分的理想模型如图3所示，如超挖点与码头前沿线的距离为d，残留土自然坍塌平衡坡比为1∶i。根据几何原理则可以得到式（1）和式（2）。

图3 沿残留土边缘处超挖后土方清除模型Fig.3 Soil removal model after over-excavation along the edge of residual soil

根据该理论可以得出要想清除残留土超出设计底高程的部分，则必须使得超挖深度h等于h0，然而设计单位从桩基稳定性和停泊水域抛石量考虑，一般对停泊水域超挖深度有严格的限制，本工程设计允许超深为0.5 m，所以采用超深0.5 m疏浚桩前残留土的措施，即桩前疏浚开挖底高程定为-18.5 m。

2.2 减小绞刀头与码头前沿线的距离

根据式（1）可以得出绞刀头最后开挖位置与码头前沿线的距离是影响残留土最大标高的重要因素。尽量减小绞刀头最终开挖位置与码头前沿线的距离是残留土疏浚的重要措施之一，原理见图4。根据以往工程施工经验，绞刀头开挖至距离码头前沿线2 m时即暂停施工。为了减小这一距离，根据JTS 131—2012《水运工程测量规范》[6]中的挖泥船定位要求，通过多次对比得出绞刀位置误差在0.5 m以内，比对结果见表1。根据该校核数据并考虑设备和桩基安全，本工程将绞刀头与码头前沿线的最小施工距离减小至1.5 m并采取绞刀停转和在绞刀正前方安装橡胶防撞物等措施。

图4 绞刀前移清除残留土模型Fig.4 Model of cutter moving forward to remove residual soil

表1 绞刀平面位置对比表Table 1 Comparison table of cutter plane position m

2.3 多次定点泵吸

多次定点泵吸是在以上其他施工措施的基础上，根据测量结果有针对性地定点泵吸不合格点的残留土。该措施相当于提高泥泵的单点作用时间，以保证绞吸船能把绞刀吸口作用范围的残留土吸除干净，另外对每个残留土泵吸点的吸除时间都设置为不小于1 min，经过多次定点吸除将会有很好的清除效果。

2.4 提高水下泵转速

在设备允许的条件下提高水下泵转速10%。由于绞刀与码头线的最小距离是1.5 m，泥泵吸口对贴近桩基残留土的作用力相比其他位置作用力最小，极易导致贴近桩基的土方清除不彻底。提高水下泵转速10%是为了提升吸口的吸力，从而对更远区域产生良好的残留土吸除效果，实现靠近桩基残留土的清除目的。该措施的残留土疏浚效果如图5所示。

图5 提高泥泵吸力清除残留土模型Fig.5 Model of improving the suction of mud pump to remove residual soil

2.5 潜水员水下处理

潜水员水下处理主要是针对特殊土质如较黏的黏性土。首先潜水员进行潜摸摄像以确定水下浅点具体情况（包含土质、位置、大小等详细信息），如果存在悬空粘连在管桩上的相对较小的黏土块，则潜水员利用工具使其脱落；如果存在较大范围的顽固浅点，则采用高压冲水进行破土，使其破碎并从管桩上脱落，最后待潜水员水下处理完成后再利用绞吸船泵吸完成渣土清理，从而完成浅点扫除工作。

3 码头前沿首段残留土疏浚施工

3.1 码头前沿平面施工方法

码头前沿停泊水域（除K0+000—K0+060）施工采用绞吸船垂直朝向码头前沿线的施工方向，距离码头前沿2 m以外区域采用单次挖宽100 m左右的横挖法施工方案，距离码头前沿2 m以内挖宽调整为10 m左右，即只使用绞吸船左右横摆形成的弧线的弧顶段进行施工，如图6所示。

图6 绞吸船横移摆动弧顶段示意图Fig.6 Schematic diagram of the section of the lateral movement and swing arc top of the CSD

3.2 码头前沿沿深度方向施工方法

先将距离码头前沿线2 m以外区域，开挖至-16.5 m左右，为绞吸船提供基本的工作空间。随后根据设计图纸开挖距离码头前沿2 m以外的停泊水域部分至-18 m。对于距离码头前沿2 m以内的停泊水域部分，由于2 m以外区域已经开挖至-18 m，根据本工程码头前沿土质开挖测量结果可知该土质疏浚后自然塌方边坡约为1∶2，2 m以内区域基本已经坍塌至-17 m以下且土层约成三角形分布，在距离码头前沿2 m的位置直接继续下放绞刀深度，将绞刀开挖深度设置为-18.5 m，然后继续向前开挖码头前沿2 m以内区域。当绞刀前移至距离码头前沿线1.5 m时，绞刀停转继续泵吸1 min，完成该点泵吸后，将绞刀位置后退至距离码头前沿2 m处，向右调整绞刀位置2 m，重复以上步骤直至整个工作面全部被覆盖。

3.3 不合格断面施工

1）当整个工作面疏浚施工1次后，对施工区域进行测量，找出不合格的断面位置，对不合格点单独进行定点疏浚施工，施工时同样采用超挖至-18.5 m，然后前移绞刀位置到距离码头前沿1.5 m，继续泵吸1 min，利用该方法逐一对不合格断面点进行疏浚施工。每逐一施工1遍不合格断面后再进行1次测量检测，对检测出的不合格断面点继续新一轮的定点疏浚。进行3遍定点疏浚不合格断面后，停止重复该施工措施。不同施工轮次水深检测结果见表2。

表2 不同轮次定点疏浚后断面合格率Table 2 Section pass rate after fixed-point dredging in different rounds

2）经过多次定点疏浚施工的不合格断面派潜水员进行水下处理。待处理完成后，利用绞吸船泵吸完成渣土清理，从而完成所有浅点扫除工作。通过该措施对不合格断面处理后，经测量数据分析码头前沿首段疏浚断面全部合格，无浅点。

4 结语

通过在莱基港工程管板组合桩码头前沿区域进行疏浚试验可以证明：采用限深超挖、减小绞刀头与码头前沿线的距离、多次定点泵吸、提高水下泵转速、潜水员水下处理等措施，可以有效地清除管板组合桩码头前沿残留土。该施工方法对今后绞吸船施工码头前沿区域将会具有广泛的借鉴意义。本工程停泊水域设计底高程-18 m处多为砂类土质，因此，码头前沿疏浚底高程处为砂土的可以采用与本工程相同的残留土施工方法，对于疏浚底高程处为黏土的需要通过具体试挖来确定该施工方法的有效性。其他工程应根据土质情况试验确定设计底高程平面开挖时的绞刀下放深度，不能套用本工程施工深度。