管板組合樁碼頭前沿疏浚技術(shù)研究

謝賢舉，王付耀，呂亦陸

（1.中國(guó)港灣工程有限責(zé)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絞吸船進(jìn)行開(kāi)挖施工，一方面因?yàn)榻g吸船開(kāi)挖精度和效率相對(duì)較高，另一方面因?yàn)榻g吸船可以直接將疏浚土吹填至碼頭規(guī)劃區(qū)輔助碼頭建設(shè)。此外碼頭的胸墻結(jié)構(gòu)一般會(huì)突出碼頭樁基線2 m左右，耙吸船無(wú)法進(jìn)行胸墻以下區(qū)域的土方疏浚[1]，故在港池有限的施工空間內(nèi)選用絞吸船進(jìn)行碼頭前沿施工最為有利。

絞吸船在進(jìn)行港池疏浚施工時(shí)，一定會(huì)面對(duì)碼頭前沿施工這一難題，之所以稱(chēng)之為施工難題主要原因是碼頭設(shè)計(jì)一般為垂直地面結(jié)構(gòu)，當(dāng)絞吸船在下放絞刀疏浚碼頭前沿土方時(shí)，由于受到絞刀直徑（約2.5 m）的影響，導(dǎo)致碼頭前沿會(huì)出現(xiàn)一個(gè)斷面形狀為三角形的殘留土區(qū)域。針對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)前的殘留土疏浚方法在尼日利亞拉各斯自貿(mào)區(qū)萊基深水港疏浚吹填工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)萊基港工程）中進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 工程概況

萊基港工程位于尼日利亞拉各斯自貿(mào)區(qū)，在拉各斯市區(qū)以東70 km處毗鄰大西洋。工程內(nèi)容包含長(zhǎng)約9 km、寬約150 m的航道及長(zhǎng)約800 m、寬約600 m的港池，港池及航道的疏浚底高程為-16.5 m，合同疏浚工程量約1 600萬(wàn)m3，碼頭結(jié)構(gòu)斷面如圖1。前沿停泊水域設(shè)計(jì)寬度為34.35 m，設(shè)計(jì)底高程-18 m，允許最大超深為0.5 m，停泊水域允許超寬為1 m[2]。該段為復(fù)合土質(zhì)，-8 m以上為松散～極密實(shí)砂，-8～-12 m為含黏土砂，-12～-16.5 m為軟質(zhì)黏土，-16.5～-18 m停泊水域深度范圍主要為松散～中密的細(xì)砂到中砂，一部分區(qū)域?yàn)楹ね令w粒的細(xì)砂。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.1 Wharf structure sectional view

萊基港碼頭結(jié)構(gòu)為鋼管板組合樁，如圖2所示，管樁與板樁通過(guò)鎖扣對(duì)接，上部為胸墻結(jié)構(gòu)。碼頭前沿停泊水域疏浚前，樁結(jié)構(gòu)已施工完畢，胸墻已澆筑完成并達(dá)到養(yǎng)護(hù)期。施工時(shí)因受大西洋涌浪影響導(dǎo)致施工工況條件較差。另外停泊水域需開(kāi)挖至鋼管樁前沿線（已澆筑的胸墻突出管樁前沿線2.35 m），且不允許有淺點(diǎn)區(qū)域，碼頭前沿為整個(gè)項(xiàng)目施工難度最大的區(qū)域。

圖2 鋼管板組合樁結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure drawing of the tube-sheet pile

2 碼頭前沿殘留土施工措施及原理分析

通過(guò)采用限深超挖、減小絞刀頭與碼頭前沿線的距離、多次定點(diǎn)泵吸、提高水下泵轉(zhuǎn)速、潛水員水下處理等措施組合對(duì)碼頭前沿殘留土進(jìn)行施工[3-4]。各施工措施的具體內(nèi)容和原理如下所述。

2.1 限深超挖

限深超挖就是在設(shè)計(jì)允許的超深范圍內(nèi)比設(shè)計(jì)深度H向下多開(kāi)挖h，即疏浚施工深度為H+h，疏浚超深h應(yīng)小于設(shè)計(jì)允許超深以免造成超挖[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個(gè)平衡邊坡的原理。在殘留土邊緣處繼續(xù)向下開(kāi)挖，則會(huì)打破殘留土現(xiàn)有邊坡平衡，殘留土邊坡則會(huì)坍塌形成再平衡，坍塌土方則會(huì)滑落至絞刀頭吸口處被泵吸清除。假設(shè)在殘留土邊緣處垂直向下開(kāi)挖h，施工過(guò)程中碼頭前沿殘留土的高度為h1，如不考慮絞刀下挖形成的坑槽的弧度，把其視為開(kāi)挖后殘留土自然坍塌為三角形，則可以得到超挖后土方挖除部分的理想模型如圖3所示，如超挖點(diǎn)與碼頭前沿線的距離為d，殘留土自然坍塌平衡坡比為1∶i。根據(jù)幾何原理則可以得到式（1）和式（2）。

圖3 沿殘留土邊緣處超挖后土方清除模型Fig.3 Soil removal model after over-excavation along the edge of residual soil

根據(jù)該理論可以得出要想清除殘留土超出設(shè)計(jì)底高程的部分，則必須使得超挖深度h等于h0，然而設(shè)計(jì)單位從樁基穩(wěn)定性和停泊水域拋石量考慮，一般對(duì)停泊水域超挖深度有嚴(yán)格的限制，本工程設(shè)計(jì)允許超深為0.5 m，所以采用超深0.5 m疏浚樁前殘留土的措施，即樁前疏浚開(kāi)挖底高程定為-18.5 m。

2.2 減小絞刀頭與碼頭前沿線的距離

根據(jù)式（1）可以得出絞刀頭最后開(kāi)挖位置與碼頭前沿線的距離是影響殘留土最大標(biāo)高的重要因素。盡量減小絞刀頭最終開(kāi)挖位置與碼頭前沿線的距離是殘留土疏浚的重要措施之一，原理見(jiàn)圖4。根據(jù)以往工程施工經(jīng)驗(yàn)，絞刀頭開(kāi)挖至距離碼頭前沿線2 m時(shí)即暫停施工。為了減小這一距離，根據(jù)JTS 131—2012《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》[6]中的挖泥船定位要求，通過(guò)多次對(duì)比得出絞刀位置誤差在0.5 m以?xún)?nèi)，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)該校核數(shù)據(jù)并考慮設(shè)備和樁基安全，本工程將絞刀頭與碼頭前沿線的最小施工距離減小至1.5 m并采取絞刀停轉(zhuǎn)和在絞刀正前方安裝橡膠防撞物等措施。

圖4 絞刀前移清除殘留土模型Fig.4 Model of cutter moving forward to remove residual soil

表1 絞刀平面位置對(duì)比表Table 1 Comparison table of cutter plane position m

2.3 多次定點(diǎn)泵吸

多次定點(diǎn)泵吸是在以上其他施工措施的基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)量結(jié)果有針對(duì)性地定點(diǎn)泵吸不合格點(diǎn)的殘留土。該措施相當(dāng)于提高泥泵的單點(diǎn)作用時(shí)間，以保證絞吸船能把絞刀吸口作用范圍的殘留土吸除干凈，另外對(duì)每個(gè)殘留土泵吸點(diǎn)的吸除時(shí)間都設(shè)置為不小于1 min，經(jīng)過(guò)多次定點(diǎn)吸除將會(huì)有很好的清除效果。

2.4 提高水下泵轉(zhuǎn)速

在設(shè)備允許的條件下提高水下泵轉(zhuǎn)速10%。由于絞刀與碼頭線的最小距離是1.5 m，泥泵吸口對(duì)貼近樁基殘留土的作用力相比其他位置作用力最小，極易導(dǎo)致貼近樁基的土方清除不徹底。提高水下泵轉(zhuǎn)速10%是為了提升吸口的吸力，從而對(duì)更遠(yuǎn)區(qū)域產(chǎn)生良好的殘留土吸除效果，實(shí)現(xiàn)靠近樁基殘留土的清除目的。該措施的殘留土疏浚效果如圖5所示。

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

2.5 潛水員水下處理

潛水員水下處理主要是針對(duì)特殊土質(zhì)如較黏的黏性土。首先潛水員進(jìn)行潛摸攝像以確定水下淺點(diǎn)具體情況（包含土質(zhì)、位置、大小等詳細(xì)信息），如果存在懸空粘連在管樁上的相對(duì)較小的黏土塊，則潛水員利用工具使其脫落；如果存在較大范圍的頑固淺點(diǎn)，則采用高壓沖水進(jìn)行破土，使其破碎并從管樁上脫落，最后待潛水員水下處理完成后再利用絞吸船泵吸完成渣土清理，從而完成淺點(diǎn)掃除工作。

3 碼頭前沿首段殘留土疏浚施工

3.1 碼頭前沿平面施工方法

碼頭前沿停泊水域（除K0+000—K0+060）施工采用絞吸船垂直朝向碼頭前沿線的施工方向，距離碼頭前沿2 m以外區(qū)域采用單次挖寬100 m左右的橫挖法施工方案，距離碼頭前沿2 m以?xún)?nèi)挖寬調(diào)整為10 m左右，即只使用絞吸船左右橫擺形成的弧線的弧頂段進(jìn)行施工，如圖6所示。

圖6 絞吸船橫移擺動(dòng)弧頂段示意圖Fig.6 Schematic diagram of the section of the lateral movement and swing arc top of the CSD

3.2 碼頭前沿沿深度方向施工方法

先將距離碼頭前沿線2 m以外區(qū)域，開(kāi)挖至-16.5 m左右，為絞吸船提供基本的工作空間。隨后根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙開(kāi)挖距離碼頭前沿2 m以外的停泊水域部分至-18 m。對(duì)于距離碼頭前沿2 m以?xún)?nèi)的停泊水域部分，由于2 m以外區(qū)域已經(jīng)開(kāi)挖至-18 m，根據(jù)本工程碼頭前沿土質(zhì)開(kāi)挖測(cè)量結(jié)果可知該土質(zhì)疏浚后自然塌方邊坡約為1∶2，2 m以?xún)?nèi)區(qū)域基本已經(jīng)坍塌至-17 m以下且土層約成三角形分布，在距離碼頭前沿2 m的位置直接繼續(xù)下放絞刀深度，將絞刀開(kāi)挖深度設(shè)置為-18.5 m，然后繼續(xù)向前開(kāi)挖碼頭前沿2 m以?xún)?nèi)區(qū)域。當(dāng)絞刀前移至距離碼頭前沿線1.5 m時(shí)，絞刀停轉(zhuǎn)繼續(xù)泵吸1 min，完成該點(diǎn)泵吸后，將絞刀位置后退至距離碼頭前沿2 m處，向右調(diào)整絞刀位置2 m，重復(fù)以上步驟直至整個(gè)工作面全部被覆蓋。

3.3 不合格斷面施工

1）當(dāng)整個(gè)工作面疏浚施工1次后，對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，找出不合格的斷面位置，對(duì)不合格點(diǎn)單獨(dú)進(jìn)行定點(diǎn)疏浚施工，施工時(shí)同樣采用超挖至-18.5 m，然后前移絞刀位置到距離碼頭前沿1.5 m，繼續(xù)泵吸1 min，利用該方法逐一對(duì)不合格斷面點(diǎn)進(jìn)行疏浚施工。每逐一施工1遍不合格斷面后再進(jìn)行1次測(cè)量檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)出的不合格斷面點(diǎn)繼續(xù)新一輪的定點(diǎn)疏浚。進(jìn)行3遍定點(diǎn)疏浚不合格斷面后，停止重復(fù)該施工措施。不同施工輪次水深檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同輪次定點(diǎn)疏浚后斷面合格率Table 2 Section pass rate after fixed-point dredging in different rounds

2）經(jīng)過(guò)多次定點(diǎn)疏浚施工的不合格斷面派潛水員進(jìn)行水下處理。待處理完成后，利用絞吸船泵吸完成渣土清理，從而完成所有淺點(diǎn)掃除工作。通過(guò)該措施對(duì)不合格斷面處理后，經(jīng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析碼頭前沿首段疏浚斷面全部合格，無(wú)淺點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在萊基港工程管板組合樁碼頭前沿區(qū)域進(jìn)行疏浚試驗(yàn)可以證明：采用限深超挖、減小絞刀頭與碼頭前沿線的距離、多次定點(diǎn)泵吸、提高水下泵轉(zhuǎn)速、潛水員水下處理等措施，可以有效地清除管板組合樁碼頭前沿殘留土。該施工方法對(duì)今后絞吸船施工碼頭前沿區(qū)域?qū)?huì)具有廣泛的借鑒意義。本工程停泊水域設(shè)計(jì)底高程-18 m處多為砂類(lèi)土質(zhì)，因此，碼頭前沿疏浚底高程處為砂土的可以采用與本工程相同的殘留土施工方法，對(duì)于疏浚底高程處為黏土的需要通過(guò)具體試挖來(lái)確定該施工方法的有效性。其他工程應(yīng)根據(jù)土質(zhì)情況試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)底高程平面開(kāi)挖時(shí)的絞刀下放深度，不能套用本工程施工深度。