深水區大體積水下障礙物打撈技術研究

鄭喜平

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519000)

1 引言

在跨海橋梁施工過程中，往往會遇到水下不明障礙物，阻礙了橋梁的施工，造成工期滯后、管理成本增加。在非洲地區，受制于落后的技術及經濟條件，許多水工建筑物往往年久失修或者廢棄后不拆除，船舶沉沒后不打撈，使得水上水下存在大量的障礙物，大大增加了跨海橋梁的施工難度和不確定性。

為確保工期目標和節約成本，需充分利用當地既有的物資設備條件，盡量避免從國內調遣大型機械設備，應從多個角度對比分析，充分發揮創新能力，制定符合現場實際情況且高效的施工方案。

2 工程概況及重難點分析

2.1 工程概況

尼日利亞拉各斯輕軌跨海橋位于尼日利亞拉各斯州，橋梁主跨為40 m+5×60 m+40 m連續梁，基礎為樁徑φ1.25 m和φ1.5 m的摩擦群樁。跨海橋南端連接拉各斯島，北端連接國家大劇院，東側與EKO大橋平行對孔布置，西側為空曠水域，橋位區下方為未知的廢舊水上建筑物。

本工程地表水為瀉湖水，水深15～18 m，受潮汐影響，潮汐每4 h變換一次，最大潮差為1.5 m，最大流速為1 m/s，最大浪高約為1 m。每年12月至次年3月水質較為清澈，其余時間水質較為渾濁；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。低潮位水面標高為+0.65 m，高潮位水面標高為+1.5 m。

2.2 重難點分析

(1)施工區域泥面以下存在大小不均沉船，經長時間海床演變，覆蓋層較厚，無法直接采用起重設備進行打撈作業，且受當地起重設備起重能力限制，打撈作業存在極大困難。

(2)經水下探摸、查驗，施工區域存在大量水上、水下鋼筋混凝土系纜墩，體積大，且最大重量達300 t，受當地起重設備起重能力限制，打撈作業存在極大困難。

(3)施工區域存在水下碼頭廢棄鋼筋砼基樁且入土深度較深，部分基樁靠打樁船無法拔出。

3 打撈方案及關鍵技術

3.1 打撈方案

根據水下探查結果，障礙物主要為沉船、系船墩(部分系船墩倒塌并沉入海底)、鋼管樁，以及型鋼、輪胎、卷揚機等其他雜物，根據項目所在地的國情和現場情況，制定打撈方案。

障礙物分類見表1所示。

表1 障礙物分類

障礙物具體分布如圖1所示。

圖1 障礙物分布

由于項目工期緊，需快速清理水下障礙物。當地經濟落后，無大型水上起重設備，若從國內調遣大型的打撈設備則耗時長、成本高，因此只能依靠當地及項目現場已有設備。根據研究分析，確定打撈方案的總體原則:小塊體整體打撈，大塊體分塊切割后打撈，化整為零，大型起重機械采用打樁船、履帶吊代替。遠離岸側的障礙物采用打樁船起重打撈，靠岸側的障礙物用履帶吊起重打撈；大體積系船墩先切割分塊，然后打撈；體積小的沉船整體打撈，體積大的沉船采用清淤+切割分塊+打撈的方式；鋼管樁采用千斤頂+打樁船相結合的方式拔除。

3.2 打撈關鍵技術

3.2.1 沉船打撈技術

根據沉船的不同分布位置和水下狀況，采取不同的打撈方式[1]。

(1)整體打撈

6＃、13＃、14＃沉船船體較小、重量輕，可直接用起重機械打撈[2]。6＃沉船位于棧橋ZQ-11＃墩處，水域較為開闊，可采用打樁船直接捆綁打撈。13＃和14＃沉船靠近岸線并且有棧橋及平臺阻擋，利用100 t履帶吊在棧橋上起吊打撈。潛水員用細繩牽引鋼絲繩捆綁的方法，將沉船兩端捆綁牢固，然后用打樁船或履帶吊吊離海床面，慢速浮托至指定的地方處置。

(2)沉船切割

9＃沉船位于跨海橋112＃橋墩，船長約25 m，寬約5 m，而打樁船的最大起重能力為70 t，無法整體起吊，因此需對沉船進行水下切割[3]分塊，然后逐塊清除。首先潛水員將需要切割的船體用鋼絲繩捆綁好，然后打樁船吊緊鋼絲繩，防止切割過程中沉船斷裂，確保潛水員的安全。潛水員采用水下氧-弧切割方法[4]進行船體切割分塊，切割完成后用打樁船起吊移除。切割和打撈均在潮水較為平緩時間進行，打撈過程中沉船不脫離水面，打樁船分塊打撈沉船如圖2所示。

圖2 打樁船打撈沉船

(3)氣舉反循環清淤

經水下探查，15＃沉船大部分船體被淤泥覆蓋，覆蓋厚度約為2 m，船艙內也淤積了較多的泥土，而且船體被海水腐蝕嚴重。經研究分析，采取清淤+分塊切割+分塊打撈的方法。項目部自行設計、加工清淤設備，采取氣舉反循環清淤[5]。

空壓機的選型，根據排氣壓強計算公式:

P＝1.2˙ρ˙g˙H+ ΔP

式中，P為空壓機排氣壓強(MPa)；ρ為泥漿密度(kg/m3)；g為重力加速度(N/kg)；H為清淤水深(m)；ΔP為大氣壓強(MPa)。

根據地質情況，泥漿密度為1.3×103kg/m3，水深取最大值15 m，計算得排氣壓強P＝0.33 MPa，故選用排氣壓強大于0.33 MPa的空壓機。施工現場有一臺PSD375S型空壓機，排氣量為10.6 m3/min，排氣壓力為0.69 MPa，滿足使用要求。

根據功效分析、空壓機排氣量等計算吸泥管流量，選用外徑為159 mm的鋼管。清淤效率與沉沒比[6]有關，一般來說沉沒比要大于0.5，現場制作吸泥管時，其沉沒比為0.83＞0.5。

清淤過程中，潛水員輔助定位吸泥管的清淤位置，特別是清除船艙內的泥沙。此外，潛水員用高壓水槍配合沖刷攪動吸泥管周邊的泥沙，使吸泥管可以更好地清淤。氣舉反循環清淤如圖3所示。

圖3 氣舉反循環清淤

清淤完成后，潛水員采用水下電弧-氧切割方法，潛水員先用鋼絲繩將沉船捆綁好，然后對沉船進行切割分塊，用100 t履帶吊進行沉船打撈。

3.2.2 系船墩打撈技術

系船墩為多邊形，厚度為2.5 m，重約300 t。由于系船墩重量大，超過現有起重設備的起重能力，因此先用金剛石繩鋸進行切割[7]，然后分塊打撈清除。

未倒塌的系船墩切割時，先在系船墩上鉆孔，用鋼絲繩穿過鉆孔將要切割的系船墩綁牢并吊緊，然后用金剛繩鋸沿切割線切割分塊，再用金剛石繩鋸切斷系船墩下部的樁基[8]，最后起吊清除。

水下系船墩拆除[9]需潛水員配合，GPS精確定位。先用地質勘探鉆機按照預先確定的位置鉆孔，用于起吊時穿鋼絲繩捆綁。切割機安放在駁船船頭的工作平臺上，潛水員將金剛石繩固定到預先劃定的混凝土切割線上，啟動繩鋸切割。切割完成后，潛水員用鋼絲繩捆綁好混凝土塊，起重設備起吊移除。金剛石繩鋸水下切割如圖4所示。

圖4 金剛石繩鋸水下切割

3.2.3 鋼管樁拔除技術

根據地質報告的持力層深度，分析出鋼管樁為摩擦樁，樁側摩阻力可以通過樁基的承載力來反映。根據單樁容許承載力計算公式:

式中，[P]為樁的容許承載力(kN)；u為樁身截面周長(m)；fi為樁周土的極限摩阻力(kPa)；li為各土層厚度(m)；ai、a為振動沉樁對各土層樁周摩阻力和樁底承壓力的影響系數；A為樁底支承面積(m2)；R為樁尖土的極限承載力(kPa)。

鋼管樁的最大入土深度約20 m，計算得容許承載力最大值約為1 060 kN。

結合現場實際進行拔樁工藝技術的分析[10]，常用的拔樁方法有靜力拔樁、振動沉管加水利切割拔樁、套管拔樁[11]等。但考慮到鋼管樁有較多的斜樁，采用沉管或套管的方式均難以實現，因此選擇靜力拔樁的方式。

(1)打樁船拔樁

通過潛水員將鋼絲繩捆綁在鋼管樁上，利用打樁船的起重系統及潮水上漲時船舶浮力的共同作用拔起鋼管樁。打樁船拔樁如圖5所示。

圖5 打樁船拔樁

(2)千斤頂拔樁

部分鋼管樁入土深度較深，打樁船無法拔出，通過研究分析，利用穿心式千斤頂，通過體系將千斤頂的頂升力轉換成拔樁力進行拔樁[12]。

設計千斤頂拔樁平臺，千斤頂拔樁平臺主要由分配梁、貝雷片組成。通過midas有限元分析軟件對平臺進行結構驗算，設計出安全穩定的拔樁平臺。千斤頂拔樁平臺設計如圖6所示。

圖6 千斤頂拔樁平臺設計

如何將千斤頂產生的頂升力轉換為拔樁力是關鍵，通過設計千斤頂托架和連接器，用精軋螺紋鋼傳遞受力，使千斤頂頂升力轉換為拔樁力。千斤頂拔樁體系設計如圖7所示。

圖7 千斤頂拔樁體系

用鋼墊板和螺母將精軋螺紋鋼鎖定的千斤頂頂部，精軋螺紋鋼下部用螺母與連接器連接，鋼絲繩系在連接器下部并捆綁住鋼管樁，在千斤頂及浮力共同作用下進行拔樁。千斤頂拔樁如圖8所示。

圖8 千斤頂拔樁

3.2.4 其他障礙物清理打撈技術

其他障礙物主要是一些雜物，包括水泥塊、槽鋼、輪胎、鋼管、卷揚機等，因其體積小、重量輕，利用船上卷揚機或地面大型吊車，配合潛水員，即可清理干凈。

4 結束語

在國外落后的沿海區域，特別是在原址上重建或新建工程，若未能事前探查清楚水下情況，將對施工造成較大影響，甚至可能導致施工因故中斷。建議海外項目加強橋址地質勘察，特別是涉水項目，避免工期、造價發生重大風險。

(1)相比傳統的鑿除方法，采用金剛石繩鋸切割鋼筋混凝土，具有切割深度不受限制、環境適應性好等特點，工作效率更高，值得推廣。

(2)將國內成熟的鉆孔樁氣舉反循環清孔方法轉換為海上精準清淤，結合水下氧-弧切割，在起重設備缺乏的條件下，將沉船化整為零分塊打撈，避免了從國內調遣大型起重設備，有效降低了施工難度和成本，工期基本可控。

(3)千斤頂的體積小、頂力大，通過巧妙的體系轉換，可產生較大的上拔提升力。

利用現有的工程材料進行作業平臺、施力裝置的創新設計，既解決了大型起重設備匱乏的客觀條件，又充分利用了現有設備，為項目節省了成本。經過本次技術應用，證明了此次打撈方案的可行性；同時在海外船機資源有限和在經濟不發達地區處理深水障礙物打撈卡脖子難題的情況下，本次技術創新具有一定的推廣價值。