拖耙水下清障方案的工程應用

袁晨晨，高昕，翟華，朱芳芳，王坤

（長江南京航道工程局，江蘇 南京 215000）

基建性疏浚工程的主要任務是在較長時期內根本改善航行條件。維修性疏浚工程是為了保持航期內航道的規定尺度，以保證船舶和木筏的安全運行[1]。與維護性疏浚相比，基建疏浚的原始施工區域地形復雜，施工環境惡劣、疏浚土構成復雜，且沒有歷史疏浚資料可供參考。耙吸挖泥船屬于重要的疏浚設施之一，具有自航、自挖、自載、自卸等功能，具有較強的專業性和操作性，與其他類型挖泥船相比，擁有較大的優勢，但是，該船在復雜水域下航行或者施工時，可能出現船損、擱淺、碰撞等事故[2]。疏浚施工中在不同施工區域會碰到不同土質，例如漁網、石頭等雜物，損壞施工機具，硬質土和粘質土會嚴重磨損耙頭機具，增加施工作業難度，降低效率[3]。因此，作業水域環境的優化對于提高耙吸船施工效率，降低施工風險因素都是重要的環節。但是對于疏浚工程中的工前清障作業，目前行業內清障措施多為臨時性、應急性，缺少規范化體系和重要參數指導。本工程中采用耙吸船與障礙物掃拖作業聯合施工的分析及工程應用，對類似工程提高耙吸船的施工效率以及保障疏浚安全均具有重要參考價值。

1 工程概況

潮州華瀛液化天然氣接收站項目配套碼頭工程港池及航道疏浚工程施工項目位于廣東省潮州港金獅灣港區饒平縣所城鎮水龜地大堤灣作業區東片區，東與福建省詔安縣交界，西隔西澳島與柘林灣相鄰，南隔南海與汕頭市南澳島相望。

1.1 工程量及設計標準

港池疏浚包含碼頭前沿停泊水域（區域2）、回旋水域及連接水域，疏浚區長度方向約為850m，寬度方向約為700m。疏浚面積為75.49 萬m2，疏浚工程量約為556 萬m3。

圖1 疏浚區平面布置圖

（1）碼頭前沿停泊水域（區域2）設計底高程為-14.0m，設計超深0.4m，設計超寬3m，設計邊坡為1:7；

（2）回旋水域及連接水域設計底高程為-14.6m，設計超深0.4m，設計超寬3m，設計邊坡為1:7。

1.2 疏浚土質

根據設計圖紙[4]，本工程碼頭前沿停泊水域（區域2）土質為1、2、5 級土，回旋水域及連接水域及下層土質為6-8 級土。

1.3 周邊自然環境及疏浚區調研

依據現場實地調查及周圍區域經濟構成分析。疏浚區域所在城市潮州市饒平縣黃岡鎮養殖業發達，其周圍沿海分布大量養殖區，養殖業主要以生蠔為主。結合前期勘察綜合分析認為港池內垃圾主要類別為：養殖垃圾（漁網、繩索等）、經過波浪裹挾外來垃圾（生活垃圾、廢棄浮漂、泡沫等）以及少量附近碼頭、防波堤施工遺留建筑垃圾、歷史沉積垃圾（生活垃圾、養殖垃圾等分布在泥層內）。

2 施工進展

施工單位此次參與施工船均為近年建造的先進大型耙吸挖泥船，設備狀態極佳，挖掘能力較強。但是在復雜工況下施工效率依然較低，船舶故障率較高。施工單位通過分析后認為主要原因為港池水域水下存在巨量垃圾導致。且通過抓斗船試挖得出，港池內垃圾及障礙物為多層分布。工程實施中制約工程進度的主要原因之一是時間效率。條件允許時需要增加挖泥船施工的運轉時間，減少停歇時間，特別是減少非生產性停歇時間。影響挖泥船的時間效率主要有風力、濃霧、海潮和施工干擾因素。按照各類影響因素，可計算整個施工期間的時間利用率：

S——挖泥船時間利用率（%）

T1——挖泥船挖泥時間（h）

T2——挖泥船的生產性停歇時間（h）

T3——挖泥船的生產性停歇時間。

通過對兩艘耙吸船施工數據進行采樣分析，依據上文公示分析計算施工期間時間利用率僅為34%，時間利用率嚴重偏離合理數值。其中排除設備故障時間平均260 小時，非生產性停工時間過長，是造成本次疏浚效率較低的主要原因。

表1 耙吸船某時間段運轉數據表

3 應對措施

3.1 通用措施

目前障礙物探測的手段主要有多波束測深、側掃聲納、海洋磁測、淺地層剖面法、拖底掃海及人工探摸等。目前任何單一的海底障礙物探測技術都存在其固有的局限性，而無法達到準確摸清障礙物存在形態的目的。因此，多種探測手段綜合應用成為解決這一問題的一個有效途徑[5]。不同的方法有其各自的優缺點：多波束具有覆蓋寬度大、水深密度大的特點，發現目標能力強，主要用于較大范圍內探測出露海底的礁石、沉船等；淺地層剖面法用以探明障礙物的埋深、形態、規模等；側掃聲納用以探明海底面存在的未埋藏的障礙物的位置及形態；海洋磁法用以探明海底鐵質或水泥質的具有強磁性的障礙物[6]。此外類似“硬式掃海、軟式掃海”的物理探摸方式也被廣泛使用。

3.2 制定應對措施及關鍵點

根據前期探明垃圾類型較多，同時因常年累計，垃圾呈多層、多深度分布。采用傳統的聲吶掃側結合硬式掃拖進行表層清理并不適合本工程。通過研究后施工單位采用改造型“拖耙”強拖，配合DGPS 定位系統、垃圾收集處理船舶，組成整套清障作業系統。同時，清障作業系統集合現場施工作業面合理布置，形成清障作業與疏浚施工聯合作業。

圖2 定制拖耙正視圖

圖3 定制拖耙側視圖

圖4 清障作業系統組成

施工中使用動力充足的主拖船，拖掛定制高強度拖耙，按照間距2m 航跡計劃線，均勻掃拖施工區域。掃拖中依據掃拖鋼纜拉力及掃拖時間，吊起拖耙并清理拖耙上掛載垃圾，轉運至垃圾裝載船舶。垃圾裝載船舶在施工區域邊緣等待，周期轉運垃圾。因拖耙采用特殊設計，主橫向受力拉桿均勻布置8 根長達1m 主拖刺，主拖刺上加焊4 根倒刺。因此拖耙單次掃拖可以清理深度達1m 內疏浚泥層內以及表層垃圾。同時，拖具可以直接將拖帶垃圾帶出水面。避免了障礙物及垃圾繼續遺留在周邊水域的問題。

圖5 掃拖作業整體流程圖

耙吸船施工與掃拖作業聯合施工關鍵點：

（1）受制于主拖船動力以及疏浚區域垃圾多層分布，一次掃拖僅能清障1m 深度內。因此單次掃拖并不能徹底保證后續正常施工。必須建立掃拖作業與耙吸船作業交替進行的流水作業。

（2）掃拖作業后必然對原始沉積物造成擾動，為防止掃拖后懸浮物對船舶造成干擾，耙吸船施工中需要定期組織潛水員探摸螺旋槳情況，防止纏繞漂浮垃圾造成設備故障。

4 適用性分析

4.1 關鍵參數設定

首日進行試拖，主拖船保持5kn 航速，放纜20 米。實際拖耙中多次吊起拖耙后發現，拖耙強度不足，多處耙齒彎曲，且附著垃圾較少。經過研究后認為拖船航速過快，且放纜長度不足，導致拖耙著地底后附著面積不足。后續航速降為2kn、拖纜長度調整為30m。同時強化拖耙，增加耙齒焊接鋼制倒刺。經過多日，不斷實驗及摸索，最終確定以下掃拖參數。

表2 掃拖關鍵參數表

4.2 效果驗證

經過本次使用定制拖耙對疏浚區域進行一次完成全區域掃拖后，耙吸船的施工效率得到了明顯的提升。由于非生產性停歇時間的降低，挖泥時間同步得到了巨大的提高，因此時間利用率由之前的約34%，提高至平均約85%。同時疏浚區域內可見垃圾、隱藏、埋沒垃圾、障礙物等得到根本上的清除。

表3 耙吸船某時間段運轉數據表

5 結論

耙吸船是航道疏浚、吹填造陸工程中廣泛采用的施工設備，先進的耙吸船施工工藝能充分發揮船舶的能力、縮短工期、促進航道疏浚工程質量的提高[7]。但是其設備組成復雜，施工中對于疏浚土質要求較高，使其極容易受到水下障礙物影響。一旦發生故障將對工程進度造成嚴重干擾，對施工單位造成巨額財產損失。因此在面對陌生施工環境時，必須采取實地調研，水下探測。在明確了水下是否存在障礙物及可能干擾施工的情況，采取合理的清障措施對于耙吸船疏浚施工至關重要。本工程中施工單位前期嘗試性施工后，即刻采取了側掃聲吶前期底物探測，其后針對工況特點設計并定制專用拖耙，組織清障掃拖作業與耙吸船聯合施工的方案，在極短的時間內大幅降低了施工干擾。施工單位因本次科學合理并具有成效的掃拖清障作業既獲得了經濟效益，也獲得一定的社會效益、環保效益。因此針對本次典型施工案例的分析并獲得關鍵實踐數據，對于其他類似疏浚工程具有重要實踐意義。