皮帶式吹砂船在深厚淤泥底質(zhì)條件下施工技術(shù)

莫建波，趙彪，柳夏宸

（1.上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

隨著沿海吹填造地工程的日漸增多，吹砂船舶的類型越來(lái)越多，有泵吸式、絞吸式、耙吸式等等。

在東南亞沿海區(qū)域，砂質(zhì)多為中粗砂，適宜使用皮帶式吹砂船，而且皮帶式吹砂船具有準(zhǔn)入門檻低、施工效率高、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是皮帶式吹砂船多用于砂料的倒運(yùn)及碼頭裝卸施工，并且皮帶式吹砂船不同于絞吸船與耙吸船，自身僅配有船舶AIS 系統(tǒng)，無(wú)GPS 定位系統(tǒng)，所以僅靠自身設(shè)備無(wú)法做到精確定位精準(zhǔn)拋砂，從而無(wú)法完成砂壩精準(zhǔn)吹填和圍區(qū)分層拋填。本項(xiàng)目施工區(qū)域存在2~9 m 不等的淤泥層，如僅采取直接單向推進(jìn)的吹填方法，則會(huì)引起施工期沉降不一致和淤泥包隆起[1]，一方面不利于工程區(qū)域內(nèi)的地基穩(wěn)定，另一方面也容易引起周邊水域的地形變化。

為了控制施工成本，在不額外增加輔助船機(jī)設(shè)備的前提下，僅通過(guò)采取優(yōu)化施工部署，并輔以高精度雷達(dá)量方等措施，不僅滿足了工程質(zhì)量要求，還確保了施工安全。

1 工程概況

馬來(lái)西亞新山麗都項(xiàng)目位于馬來(lái)西亞柔佛州，緊鄰新加坡的新柔長(zhǎng)堤。新柔長(zhǎng)堤為不透水式實(shí)心堤，將柔佛海峽一分為二，本項(xiàng)目地處新柔長(zhǎng)堤西側(cè)。工程工期30 個(gè)月，施工內(nèi)容包括吹填砂、護(hù)岸、地表排水渠等結(jié)構(gòu)。工程造地面積約66 萬(wàn)m2，造地高程為+3.0 m，共分4 期實(shí)施，總填砂量約1 000 萬(wàn)m3。施工區(qū)域水深5~14 m 不等，滿足皮帶機(jī)船吃水深度要求。在綜合考慮當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)的船舶保有量、施工區(qū)域環(huán)境影響、成本等因素的基礎(chǔ)上，選定采用皮帶機(jī)船進(jìn)行填砂施工。工程區(qū)域分期實(shí)施平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 工程區(qū)域分期實(shí)施平面布置圖Fig.1 Layout plan for phased implementation of the engineering area

2 主要關(guān)鍵點(diǎn)

本項(xiàng)目位于馬來(lái)西亞柔佛海峽近柔佛長(zhǎng)堤處，距新加坡邊境線僅130 m 左右，屬敏感海區(qū)。施工區(qū)水深變化大，外側(cè)海底坡度大，波浪、潮流作用小，工程區(qū)域表層分布有2～9 m 的淤泥層，工程地質(zhì)性能差，滑移可能性大，極易形成淤泥包；施工區(qū)環(huán)保要求極為嚴(yán)格；人工量方難度大效率低。本工程主要技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)如下：

1）運(yùn)輸船舶為“二合一”或“三合一”的皮帶式運(yùn)輸船，船舶艙底為不規(guī)則形體，且二合一船舶裝艙后形成高低不一的砂堆，人工量方精度難以有效界定且效率低，須采用新技術(shù)手段解決裝艙量確認(rèn)的問(wèn)題。

2）施工區(qū)臨近新加坡邊境，屬敏感海區(qū)，相鄰境內(nèi)有漁業(yè)養(yǎng)殖要求，環(huán)保要求嚴(yán)格，須重點(diǎn)關(guān)注拋砂吹填施工所產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題，避免糾紛。

3）施工區(qū)域內(nèi)淤泥層厚度分布不均，淤泥承載力差，滑移可能性大，須重點(diǎn)研究施工工藝，避免發(fā)生淤泥包、防止滑塌等質(zhì)量事故。

3 針對(duì)性技術(shù)研究

3.1 采用三維激光掃描儀檢測(cè)船舶裝艙量

皮帶式吹砂船根據(jù)裝艙方式主要分為兩種：“三合一”與“二合一”。其中，“三合一”船舶具備自吸功能，裝艙過(guò)程中在水流作用下砂體密實(shí)度高，基本實(shí)現(xiàn)表層的整平；“二合一”船舶不具備自吸功能，由砂源地取砂泵裝艙，砂體為不規(guī)則體。此外，皮帶式吹砂船船艙內(nèi)桿、柱較多，底部皮帶艙門多且為不規(guī)則體，造成人工量方困難。“三合一”及“二合一”船舶滿載狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 “三合一”與“二合一”船舶滿載狀態(tài)Fig.2 Full load state of"three-in-one"and"two-in-one"ship

三維激光測(cè)量技術(shù)是一種全新的遙感技術(shù)，可連續(xù)、快速地采集目標(biāo)物表面的三維空間信息[2-4]。該技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)采集周期短、精度高等特點(diǎn)。集成了高精度的激光掃描儀、先進(jìn)的SLAM 算法，是目前集成度最高、精度最高、最輕巧的室內(nèi)外背包式激光雷達(dá)系統(tǒng)，該技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）測(cè)量速度快、使用靈活便捷。設(shè)備僅為背包大小，攜帶方便，測(cè)量時(shí)僅需打開(kāi)儀器，繞船艙勻速行走一圈即可。每船測(cè)量時(shí)間僅需3~5 min，相比較人工測(cè)量20 min 左右在工效上有了極大的提升，從而提升了砂船的拋填施工時(shí)間利用率。

2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)密集，測(cè)量精度及分辨率高。每秒可獲取30 萬(wàn)~70 萬(wàn)點(diǎn)。結(jié)合先進(jìn)SLAM 算法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化測(cè)量，無(wú)需GPS 定位即可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度。

3）能全天候工作，受環(huán)境影響小。人工夜間量方局限性大，激光掃描儀則不受限制，相比較其他固定式儀器受環(huán)境影響小。

在現(xiàn)場(chǎng)配有計(jì)算機(jī)的情況下，整個(gè)處理流程時(shí)間不超過(guò)10 min，滿足裝艙量數(shù)據(jù)及時(shí)的要求。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)船的多次測(cè)量，激光量方的方法可靠、結(jié)果準(zhǔn)確、測(cè)量便捷，適用于本工程的施工量方計(jì)量。

3.2 布設(shè)2 道防污簾控制水體污染物的擴(kuò)散

皮帶式吹砂船在施工過(guò)程中，底層淤泥在拋填砂的沖力作用下會(huì)泛起泥漿，引起表層水體的渾濁，造成一定的水體污染。因此采用布設(shè)防污簾的形式阻隔施工區(qū)域的水體表層污染物擴(kuò)散[5-6]。

防污屏結(jié)構(gòu)采用豎向布置方式，即上部為泡沫漂浮體，在浮力作用下露出海面，阻擋海面污染物，漂浮體之間用尼龍繩進(jìn)行連接；中部為土工布，用以過(guò)濾水中污染物；底部為不銹鋼壓載鏈，壓載鏈連接混凝土錨塊，提供重力荷載。防污簾結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3。

圖3 防污屏設(shè)計(jì)圖Fig.3 Design drawing of anti-fouling screen

一是通過(guò)漂浮體的浮力與錨鏈繩拉力達(dá)到平衡，使得防污屏能有效駐位于工程施工的所需設(shè)計(jì)位置，同時(shí)確保潮汐作用下不會(huì)產(chǎn)生較大位移。二是通過(guò)壓載鏈的重力拉緊土工布，從而維持防污屏整體結(jié)構(gòu)豎相垂直。

防污屏總長(zhǎng)6 000 m，分內(nèi)外側(cè)兩道布置，每道長(zhǎng)度3 000 m。內(nèi)側(cè)防污簾設(shè)計(jì)深度為4 m，外側(cè)即新加坡海域一側(cè)防污簾設(shè)計(jì)深度為10 m。2道防污屏具有兩方面的好處，一是保障單道防污屏出現(xiàn)漏洞后尚有另一道進(jìn)行日常的污染阻擋，確保施工海域的生態(tài)環(huán)保不受影響。二是不同深度的土工布產(chǎn)生的流體力差異，利于兩側(cè)海域的底層水質(zhì)交換，避免發(fā)生水體富氧化。施工時(shí)考慮漲落潮因素及海域水深狀況，合理確定了混凝土配重塊與壓載鏈之間的連接繩長(zhǎng)度，既能確保漲潮時(shí)防污屏移動(dòng)后與吹填施工的堤頂前沿線之間預(yù)留足夠的船舶通道，又能確保落潮時(shí)防污屏移動(dòng)后與國(guó)界線之間預(yù)留足夠的安全距離。

3.3 研發(fā)皮帶式吹砂船精準(zhǔn)拋砂壓載施工技術(shù)

工程施工區(qū)域內(nèi)有一定厚度的淤泥且厚度為2~9 m 不等，從工程施工成本的角度來(lái)講，存在淤泥可減少填砂方量；從工程施工的穩(wěn)定性來(lái)講，存在淤泥對(duì)填砂的穩(wěn)定性有一定的影響。因此如何“變廢為寶”，既減少淤泥的流失，又提高填砂的穩(wěn)定性成為項(xiàng)目施工的重點(diǎn)。經(jīng)與設(shè)計(jì)溝通，采取在外側(cè)構(gòu)筑砂壩集中擠淤，提高吹填砂邊緣的穩(wěn)定性；在內(nèi)側(cè)均勻分層拋砂，讓砂與淤泥充分混合，提高圍區(qū)內(nèi)砂體穩(wěn)定性的措施。

3.3.1 皮帶式吹砂船自身的局限性

目前國(guó)內(nèi)外采用帶式輸送吹砂船分層吹填的案例極少，主要原因在于皮帶式吹砂船自身僅配船舶AIS 系統(tǒng)，無(wú)GPS 定位系統(tǒng)，所以僅靠自身設(shè)備無(wú)法做到精確定位，精準(zhǔn)拋砂，從而無(wú)法確定整體施工流程，完成砂壩吹填和圍區(qū)分層拋填，因此在施工工序安排和吹填質(zhì)量控制方面增加了難度。

3.3.2 優(yōu)化皮帶式吹砂船施工方式

1）在外側(cè)集中加載構(gòu)筑砂壩

在施工區(qū)域的邊緣利用皮帶式吹砂船筑建砂壩，形成砂壩圍區(qū)。皮帶式吹砂船駛抵施工點(diǎn)后減速待定，人工手持GPS 在船頭進(jìn)行定位，測(cè)算吹砂船的皮帶機(jī)機(jī)頭的準(zhǔn)確方位，將皮帶機(jī)機(jī)頭對(duì)準(zhǔn)擬拋填的區(qū)域后，開(kāi)動(dòng)吹砂船的主機(jī)進(jìn)行定點(diǎn)拋填施工，單次加載深度為16 m 以上，以充分?jǐn)D走砂壩圍區(qū)內(nèi)的底層淤泥，增加砂壩體底部的摩擦力，直至砂體出水達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后吹砂船移位至下一施工點(diǎn)，直到砂壩構(gòu)筑完成；再向砂壩圍區(qū)內(nèi)填砂以提高砂壩體的側(cè)向穩(wěn)定性，同時(shí)又能形成相對(duì)封閉的施工區(qū)域，從而減少砂壩圍區(qū)內(nèi)回填砂時(shí)的流失量。現(xiàn)場(chǎng)施工見(jiàn)圖4。

圖4 施工現(xiàn)場(chǎng)外側(cè)砂壩施工Fig.4 Construction of sand dam outside the construction site

2）在圍區(qū)內(nèi)均勻加載拋砂

根據(jù)皮帶式吹砂船的裝載量，研究制定拋砂施工網(wǎng)格[7-8]。將圍區(qū)劃分成50 m×50 m 田字格，測(cè)量人員在田字格的4 個(gè)角點(diǎn)拋設(shè)浮標(biāo)，施工人員指揮吹砂船進(jìn)點(diǎn)后在田字格內(nèi)均勻擺動(dòng)皮帶機(jī)進(jìn)行拋砂。現(xiàn)場(chǎng)吹砂船舶多為4 000～5 000 m3左右的皮帶機(jī)船，單次拋砂厚度約為2 m。

利用帶式輸送吹砂船艏部?jī)煽阱^進(jìn)行定位，在進(jìn)入吹填網(wǎng)格150 m 左右拋下雙錨，船舶緩行放下錨鏈，行至吹填網(wǎng)格時(shí)放下止鏈器，鎖緊錨鏈；此時(shí)吹砂船主機(jī)不停，利用動(dòng)力與錨鏈拉力形成平衡使船舶達(dá)到精確駐位。再定位至吹填方塊底邊線時(shí)開(kāi)始吹填，施工過(guò)程中，利用船舵調(diào)整船舶方向，由方格一邊向另一邊勻速擺動(dòng)，當(dāng)船艙內(nèi)砂量卸掉1/3 時(shí)，即完成網(wǎng)格內(nèi)的第1 條弧形區(qū)拋砂施工；此時(shí)再抬起止鏈器，放下錨鏈15 m 后放下止鏈器，在船舶動(dòng)力作用下帶式輸送吹砂船緩慢向前行駛15 m 左右，繼續(xù)采用左右勻速擺動(dòng)，當(dāng)船艙內(nèi)砂量卸掉2/3 時(shí)，即完成網(wǎng)格內(nèi)的第2 條弧形區(qū)拋砂施工；以此往復(fù)，完成網(wǎng)格內(nèi)的第3 條弧形區(qū)拋砂施工，從而完成50 m×50 m 吹填網(wǎng)格內(nèi)的均勻加載拋砂。

3.3.3 優(yōu)化后皮帶式吹砂船吹填成陸方式的特點(diǎn)

1）施工區(qū)域的邊緣構(gòu)筑砂壩集中擠淤，在砂壩圍區(qū)內(nèi)填砂后提高砂壩體的側(cè)向穩(wěn)定性，同時(shí)又能形成相對(duì)封閉的施工區(qū)域，從而減少砂壩圍區(qū)內(nèi)回填砂時(shí)的流失量。

2）在砂壩圍區(qū)內(nèi)均勻分層拋砂，讓砂與淤泥充分混合，即避免了淤泥的集中隆起導(dǎo)致局部地基承載力較差，又提高砂壩圍區(qū)內(nèi)砂體的穩(wěn)定性。

3）不需要額外增加船機(jī)設(shè)備投入，僅通過(guò)皮帶式吹砂船自身的擺動(dòng)，確保了成陸區(qū)內(nèi)均勻壓載，解決了施工區(qū)域內(nèi)淤泥層深厚不均的問(wèn)題，同時(shí)避免出現(xiàn)淤泥包、滑塌等質(zhì)量事故的發(fā)生，不僅滿足了工程質(zhì)量要求，還確保了施工安全。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用三維激光雷達(dá)技術(shù)，解決了船舶量方精度問(wèn)題；通過(guò)在施工區(qū)域外側(cè)布設(shè)2 道防污屏，解決了緊鄰國(guó)境線的環(huán)保施工問(wèn)題；通過(guò)研究船舶自身機(jī)械設(shè)備條件，在不額外增加船機(jī)設(shè)備投入，僅通過(guò)皮帶式吹砂船的自身擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了分層拋砂的精度問(wèn)題，形成了一整套適宜于皮帶式吹砂船直接拋填的施工技術(shù)，為后續(xù)類似工程施工提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。