絞吸船在吹填復雜土質下的施工難點分析及對策研究

■黃宗福

(福建漳龍建投集團有限公司，漳州 363800)

1 項目背景

福建省漳州市古雷石化園區(北區)填海造地工程I標段工程位于古雷鎮古雷半島西北側、東山灣東北部海域。工程范圍為東山灣東部、古雷半島中部近岸區域，北起西林村岸線、南至油沃村岸線，岸線長度7.65km。

施工內容主要包括外護岸、排洪渠、隔堤、疏浚、吹填與地基處理等，疏浚范圍為南儲砂坑及運砂通道，南儲砂坑設計底標高-13.5m，運砂通道設計底標高-10.5m，總計疏浚量590萬m3。疏浚料吹填至陸域B-1區、B-2區內。其中南儲砂坑吹填B-1區時，最遠吹距約4100m，平均吹距約3500m。運砂通道LH4+350以北吹填B-1區時，最遠吹距約6300m，平均吹距約4750m。項目總吹砂量4200萬m3，建安總造價24.7億元。

根據設計單位提供的巖土工程勘察報告，南儲砂坑四個鉆探點 (SJ14、SJ15、SJ20、SJ21)的鉆探資料表明，除SJ15鉆探點含有3.8m粉質粘土，其余鉆探點以淤泥及淤泥質粉砂為主；運砂通道三個鉆探點(SJ23、SJ27、SJ30)的鉆探資料表明，除SJ23鉆探點含0.96m粉質粘土，其余鉆探點深度在-4.3m左右至原泥面時，土質分布為淤泥，屬于淤泥土類1級。深度在-9.0m至-4.3m時，土質分布為淤泥質土。

但在實際開挖過程中發現，南儲砂坑開挖土質以粉質粘土為主，深度在-7m以下，且遺留養殖垃圾過多；運砂通道在樁號K6+400～K6+700及以北范圍，表層1～2m為粉細砂，屬于砂土類7級，且分布大量漁網等垃圾，下層為硬黏土，屬于粘性土類5①級。南儲砂坑及運砂通道實際土質與勘察報告所揭示的土質嚴重不符，造成破土效率低及需經常清理絞刀，進而嚴重影響絞吸船舶的施工效率和時間利用率。

本文通過對古雷填海造地工程實例的分析，介紹絞吸船在應對復雜土質下的施工工藝及施工方案優化，通過現場實際施工驗證，經優化后的施工效果良好，對類似工程施工具有一定指導意義。

2 疏浚施工技術

2.1 施工方法

絞吸船施工方法為橫挖法，橫挖法又分為對稱鋼樁橫挖法、定位樁臺車橫挖法、錨纜橫挖法。對稱鋼樁橫挖法和定位樁臺車橫挖法原理極其相似，定位樁臺車橫挖法相比對稱鋼樁橫挖法多一個臺車系統，臺車鋼樁定位精度更高，更能有效避免重挖、漏挖現象，且移船就位極為方便快速。在施工區域流速過大時，可采用錨纜橫挖法。錨纜橫挖法是以艏(或艉)錨為擺動中心，利用絞車收緊橫移方向邊錨纜，同時放出反方向的邊錨纜進行左右移動橫移挖泥。自挖槽一邊挖至另一邊后收進主錨前移適當距離，在向反方向橫移開挖。以船艏為擺動中心，其絞切平面軌跡成反月牙形。

古雷項目絞吸船施工采用定位樁臺車橫挖法。

2.2 順逆流施工

在不考慮在內河施工的情況下，絞吸船施工需考慮漲落潮來選擇合適的施工方向。類似古雷工程此類絞吸船近海施工作業工程，受潮流影響大，不宜進行橫流施工。橫流會對鋼樁造成一定威脅，橫流對定位鋼樁施加了一個橫向的作用力，有使鋼樁彎曲變形的潛在風險。而且橫流會增加絞刀頭散落量，會在一定程度上降低施工效率。

圖1 吹填施工平面布置圖

2.3 分條施工

絞吸船最大挖寬：一般不宜超過船長的1.1～1.2倍，視當地水流流速、橫移錨纜拋放長度和該土質下橫移錨的抓地能力而定。一般來說，流速越大、土質越松散，最大開挖寬度越小，反之亦然。

絞吸船最小挖寬：當浚前水深小于挖泥船的吃水時，最小挖寬等于絞刀頭挖到邊線時，艏船體兩角不至于碰撞岸坡時的最小寬度。當浚前水深大于挖泥船的吃水時，最小挖寬采用等于挖泥船前移換樁時所需的擺動寬度。以8527型絞吸船為例，其最大挖寬和最小挖寬分別約120m和80m。

2.4 分層施工

分層挖泥的厚度應根據土質和挖泥船絞刀的性能確定，宜取絞刀直徑的0.5～2.5倍，對堅硬土取較低值，對松軟土取較高值；分層的上層宜較厚，以保證挖泥船的效能；最后一層應較薄，以保證工程質量；當浚前泥面在水面以上，或水深不足挖泥船的吃水時，最上層開挖深度應滿足挖泥船吃水和最小挖深的要求。當泥層過厚時應在高潮挖上層，低潮挖下層，以減少坍方。

3 吹填施工難點

在疏浚施工中，由勘查資料表明，南儲砂坑及運砂通道內土質以淤泥及淤泥質粉砂為主，屬于淤泥土類1級，吹填施工較為容易。但實際施工時發現南儲砂坑及運砂通道開挖土質以粘土為主，且表層存在大量漁網、竹竿、石柱等垃圾。導致絞吸船施工時頻繁包裹絞刀頭，并有堵管的風險，影響施工效率，進而對本就緊張的工期造成影響。

絞吸船在對粘土與淤泥質土施工時，因這兩種土質的輸送性不同，淤泥質土吹送濃度及流速較高，而粘土的吹送濃度不宜過高。其流量和流速的控制有著很大差異，尤其是在長排距下，造成的差異更加明顯。長排距下粘土極易出現堵管現象。如果是水上管被堵，則需要1～2天時間來搶修；如果是沉管被堵，首先堵塞位置不易確認，且確認之后難以處理修復，若出現錨艇無法吊起被堵沉管的問題，則修復需要花費大量時間和精力。

根據現場實際施工情況，南儲砂坑和運砂通道的最遠吹距分別達到了4100m、6300m。遠大于現場施工船舶開挖粘土的最佳吹距。管線堵塞的風險大大增加。究其原因大致如下：

3.1 表層養殖垃圾過多

圖2 垃圾及粘土包裹絞刀頭

對現場施工區域進行調查，發現南儲砂坑及運砂通道曾為漁業養殖區，開挖表層覆蓋大量漁網、鐵錨等養殖垃圾。當絞刀頭被垃圾包裹后，極易附著粘土，絞刀幾乎沒有破土能力，會出現滾刀現場。吸入真空增大，流速下降，當流速小于粘土球臨界啟動流速后，粘土球沉積在管內造成堵管。

3.2 施工工藝不合適

對現有工況、施工船舶開挖操作方式結合粘土特性進行研討分析，討論現有操作方式在開挖粘土時是否適用。經會議討論與分析，一致認為在現有工況條件下，施工區距離吹填區過遠，長排距和粘土土質已是既定事實無法改變，開挖淤泥質土的施工工藝并不適用，不能一味追求高濃度、高產量。需改進施工工藝，施工時首先考慮降低堵管風險，保證船舶順利施工。

3.3 管線布設不平緩

對現場包括相鄰標段在內的所有船舶、管線進行調查，調查是否有其他船舶、管線干擾導致施工船舶管線布設不平緩、多處大角度彎頭、爬坡角度過大，輸送阻力增大的現象存在。調查結果顯示，有兩艘7025型絞吸船在南儲砂坑施工，一艘8527型絞吸船在運砂通道施工，因南儲砂坑及運砂通道空間有限，船舶管線布設相互影響，水上管及沉管不能按照最佳線路布設，粘土輸送收到影響。

4 工程重點、難點及相應對策

4.1 改進開挖操作方式

粘土和淤泥因其不同的土質特性，適用的開挖操作方式也不同。粘土因為粘性大、附著力強、流動性差，對排泥管內的濃度和流速要求高，開挖和輸送難度大于淤泥，尤其是長排距的情況下。需要對開挖操作進行改進，降低堵管的風險。

(1)改進切土厚度

挖泥船在開挖的過程中，絞刀的切土厚度主要是由絞刀的尺寸和土質情況而定。開挖淤泥時一般不會大于絞刀的平均直徑。開挖粘土時則要縮減切土厚度，其主要原因是：①粘土硬塑性高于淤泥，土質較硬，切土困難；②切土厚度越大，在管道內形成的粘土球體積越大，也越難輸送。8527型絞吸船在開挖淤泥時，切土厚度4m左右；開挖粘土則調整為2～3m。通過降低切土厚度，減少開挖粘土時的濃度，保證粘土的流速，避免因流速過低導致粘土在管道內淤積。

(2)改進前移距離及橫移速度

控制前移距離及橫移速度的目的是為了控制泥泵吸入的泥漿濃度。開挖淤泥時，為了提高生產效率，必然會提高泥漿濃度，而泥泵對于淤泥和粘土的吸入及輸送能力是不同的。在開挖粘土時，如果前移距離及橫移速度過大、過快，會產生兩種不良后果：①單位時間內絞刀切土量大于泥泵吸入量，會遺留部分土方在水底，影響施工質量及成本；②單位時間內泥泵吸入泥漿濃度過高，使泥泵輸送阻力增大，排壓增大，流速下降，當流速低于粘土球的臨界啟動流速時，粘土球沉積在排泥管底部，導致排壓進一步增大，惡性循環下，極易發生堵管現象。8527型絞吸船開挖淤泥時前移距離1m，橫移速度12m/min；根據以往開挖粘土的施工經驗及本工程工況條件，結合試挖過程中的各種參數變化，調整開挖粘土的前移距離為50cm～70cm，橫移速度 8m/min～10m/min。將泥漿濃度控制在 1.2t/m3，流速控制在 4.5m/s～5.2m/s范圍內。

對于開挖粘土來說，高濃度并不等于高產量。需調整前移距離及橫移速度，找到最佳的泥漿輸送濃度和流速，使排壓和泵機負荷不至于過高，保證船舶的正常施工。既能降低堵管風險，也能提高生產效率。

(3)規范起錨、換臺車時的操作

絞吸船在開挖過程中起錨、換臺車時，會出現排壓下降的現象，導致流速降低，一旦流速低于臨界流速，就可能出現堵管問題。因此駕駛員在進行起錨、換臺車的操作前，需調節管內濃度及流速，空出一定的預留量，避免因起錨、換臺車造成堵管。

4.2 優化管線布設

管線的布設對于粘土的輸送也有很大影響。管線的彎曲角度越大、爬坡角度越大、鋪設不平緩等因素，都會增加泥漿輸送時的局部水頭損失，相當于增加了管線長度，導致輸送阻力增加，加大堵管風險。

吹填區內的管線要著重標高控制，采用分塊分條吹填的方式，確保吹填區內無死角和后期整平的效率結合。現場管線作業施工隊要多和施工船舶進行溝通，可結合修理、加油、測量、移船等生產間歇來配合接管改管，充分提高時間利用率。

4.3 利用錨艇進行拖耙清理

針對施工區域表層垃圾較多的問題，項目部根據現場水深等工況條件，自制耙頭進行拖耙清理。經過拖耙后，施工區表層垃圾大大減少，不僅降低了堵管的風險，也提高了船舶施工的時間利用率。經過錨艇拖耙后，船舶清理絞刀頭的時間占比(清絞刀時間比運轉時間)由拖耙前的19%降低至5%。

通過以上措施改善施工工藝，優化管線布設及運用創新技術自制耙平器清理輔助施工后，絞吸船舶的施工效率和有效時間利用率都得到明顯改善，產量顯著提升，工期得到保障。現場實采數據詳見表1～4。

表1 改進開挖操作方式前后相關數據對比

表2 優化管線布設前后相關數據對比

表3 應用自制耙平器進行拖耙清理前后相關數據對比

表4 施工總體優化前后相關數據對比

5 結語

目前，許多國家和地區采取了吹填造陸的方式來增加土地面積，本吹填工程采用以上措施改進提升后，經測量觀測，船舶堵管風險降低，清理絞刀表面垃圾時間及頻率減小，施工效率得到大幅提高，為今后此類吹填工程提供了實例參照。