沿海港口航道疏浚施工后期鑿巖及掃淺工藝研究

林顯才 湛江港（集團(tuán)）股份有限公司

1.引言

由于沿海港口建港選址時(shí)通常充分考慮了進(jìn)出港航道通航條件，選在天然水深優(yōu)良或土質(zhì)松軟易于進(jìn)行航道整治的地方，故沿海港口航道水域的淺層土質(zhì)通常以流泥、淤泥、中粗砂、粉細(xì)砂、黏土等為主，遇到大面積巖石層的情況比較少見(jiàn)，故沿海港口航道改善通航條件方式以疏浚為主，這一點(diǎn)有別于內(nèi)河航道整治時(shí)常遇到的礁石問(wèn)題（需采取炸礁的方式改善航道通航條件）。

但隨著海運(yùn)船舶大型化發(fā)展趨勢(shì)，船舶吃水深度越來(lái)越深（40萬(wàn)噸散貨船達(dá)到-23米），沿海港口進(jìn)出港航道底標(biāo)高已經(jīng)不斷突破原有規(guī)劃，需要對(duì)進(jìn)出港航道進(jìn)行拓寬加深，在航道加深拓寬過(guò)程中也會(huì)遇到硬點(diǎn)及小范圍的巖石層。由于疏浚前期施工通常按海測(cè)圖先挖上層，硬點(diǎn)及小范圍的巖石層較難發(fā)現(xiàn)，而在疏浚施工后期,由于土質(zhì)特性及密度差異,船型施工特點(diǎn),人工操作等因素,施工區(qū)存在壟溝、淺埂、淺區(qū)、淺點(diǎn)等，施工期后期必須進(jìn)行掃淺，掃淺過(guò)程中，硬點(diǎn)及小范圍的巖石層就會(huì)突現(xiàn)，疏浚后期掃淺施工時(shí)，施工效率是非常低的，單位疏浚量成本是最高的,是疏浚工程效率、成本管控的重要階段。

2.工程案例

2.1 工程概況

本工程所在地為南方沿海地區(qū)某重要港口，2019年開(kāi)始進(jìn)行主航道改擴(kuò)建，工程對(duì)原有30萬(wàn)噸級(jí)主航道改擴(kuò)建，按滿足30萬(wàn)噸級(jí)船舶滿載乘潮單向通航，兼顧10萬(wàn)噸級(jí)船舶和15萬(wàn)噸級(jí)散貨船全潮通航雙向通航的規(guī)模建設(shè)，航道長(zhǎng)64100米，通航寬度為340米，會(huì)船區(qū)通航寬度510米，配套建設(shè)導(dǎo)助航設(shè)施等，與此同時(shí)，在主航道E點(diǎn)附近的15萬(wàn)噸級(jí)支航道也正在實(shí)施，主航道及支航道總疏浚量超過(guò)6000萬(wàn)方。

本工程施工后期由海測(cè)大隊(duì)進(jìn)行了3次全面測(cè)圖及進(jìn)行了多次的局部補(bǔ)測(cè)，在外航道、內(nèi)航道及支航道發(fā)現(xiàn)5個(gè)硬點(diǎn)及巖石層區(qū)域。通過(guò)對(duì)硬點(diǎn)及巖石層區(qū)域進(jìn)行磁探、側(cè)掃聲納及淺剖測(cè)量，在采用耙吸船、絞吸船試挖效果不佳的情況下，選擇合適的鑿巖錘結(jié)合抓斗船進(jìn)行硬點(diǎn)及巖石層破碎，進(jìn)行了多次的掃淺作業(yè)，如期完成了項(xiàng)目建設(shè)。

2.2 水下鑿巖工藝

2.2.1 鑿巖錘選擇

關(guān)于本工程的硬點(diǎn)及巖石層清挖，在考慮使用鑿巖錘施工前，已經(jīng)采用耙吸船、絞吸船進(jìn)行試挖，已清挖覆蓋層至巖層層面，并進(jìn)行了水下測(cè)量。試挖及測(cè)量情況為鑿巖錘的選擇提供了依據(jù)，鑿巖錘選擇主要考慮鑿巖錘的重量和形狀兩個(gè)方面。

對(duì)于鑿巖錘的重量，主要根據(jù)巖石形狀、質(zhì)地、厚度、現(xiàn)場(chǎng)已有船機(jī)設(shè)備性能以及兼顧施工成本等因素進(jìn)行選擇。一般情況下，巖石較硬較厚時(shí)采用重量較重的鑿巖錘進(jìn)行施工；巖石厚度偏薄、硬度不大、開(kāi)鑿次數(shù)無(wú)需超過(guò)兩次時(shí)，可選用重量較輕的鑿巖錘施工，有利于節(jié)約總成本。

對(duì)于鑿巖錘形狀，鑿巖錘前端為楔狀或梅花狀對(duì)面積大且硬度較低的硬點(diǎn)或巖石有較好的效果。這種鑿巖錘一般頭部?jī)蓚?cè)呈楔形，總體沖擊能量大，以線或面方式傳遞到待破碎的硬點(diǎn)或巖石層，可多方向傳遞能量，增加對(duì)巖土的整體破壞力作用，但單次操作鑿進(jìn)深度有限。鉛筆形狀的鑿巖錘可產(chǎn)生集中的沖量，在遇到比較堅(jiān)硬巖石又不適宜爆破的情況下使用，但效率較低。

本工程巖石層硬度為普氏Ⅳ級(jí)以下，厚度不超過(guò)1.5米，鑿巖施工確定采用楔狀鑿巖錘，鑿巖錘重量選用35t。

2.2.2 確定施工方案

根據(jù)工程實(shí)際情況，選擇巖石層范圍及強(qiáng)度較大的內(nèi)航道存在巖石層區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)域，通過(guò)試驗(yàn)區(qū)試鑿，以確定鑿巖布錘方案以及鑿巖錘的提升高度。按邊長(zhǎng)30米的正方形分塊分區(qū)，鑿巖錘的布點(diǎn)距離控制為楔狀鑿巖錘厚度直徑的2 倍。

2.2.3 鑿巖操作步驟

（1）分析巖層分布、潮流方向及大小、風(fēng)向風(fēng)力等因素，確定施工操作方法；

（2）暖機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)、液力變矩器、減速機(jī)、各鼓筒等無(wú)異常響聲和振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣顏色有無(wú)異常，燃油、冷卻水、操作氣體等有無(wú)泄漏現(xiàn)象；

（3）查驗(yàn) GPS 定位電子顯示系統(tǒng)上的方位數(shù)據(jù)及施工區(qū)數(shù)據(jù)，檢查操作臺(tái)上所有指示燈是否正常以及檢查控制開(kāi)關(guān)所處位置狀態(tài)是否符合碎巖操作，檢查各操作儀表指示值是否在正常的范圍；

（4）鑿巖錘起吊靠近水面，基準(zhǔn)高度復(fù)位，并根據(jù)潮位數(shù)據(jù)和施工水深設(shè)定水深補(bǔ)償值；

（5）根據(jù)計(jì)算機(jī)屏幕的施工畫面，將鑿巖錘吊至開(kāi)鑿點(diǎn)位置（根據(jù)水流急緩程度和方向等因素進(jìn)行位置的微調(diào)），扳動(dòng)手柄，松脫離合器，鑿巖錘自由落下；

（6）注視儀表顯示的落下深度，在撞擊底巖前適當(dāng)距離及時(shí)制動(dòng)；

（7）觀察鑿巖錘撞擊底巖后吊纜的松出狀態(tài)，以便根據(jù)情況對(duì)制動(dòng)的深度值進(jìn)行調(diào)整，避免出現(xiàn)鋼絲過(guò)度松出或者過(guò)度繃緊的現(xiàn)象,手柄扳至離合器合上位置，起吊鑿巖錘，必須將鑿巖錘吊起露出水面，以便觀察錘體和連接鋼絲的狀況；

（8）根據(jù)導(dǎo)航畫面以及儀表指示，旋轉(zhuǎn)（起伏）吊臂至下一個(gè)鑿巖布點(diǎn)，與集控室保持聯(lián)系，根據(jù)施工位置的變化情況進(jìn)行船位移動(dòng)，重復(fù)(4)～(8)操作步驟。

2.2.4 清礁工作流程

鑿巖完成后通常需要把碎巖清理外運(yùn)，當(dāng)然如果碎石量不大，周邊水深土質(zhì)條件符合“去高填底”要求，可用后續(xù)章節(jié)的平板法掃淺方式處理。對(duì)于需要清運(yùn)碎巖的工作流程見(jiàn)圖1。2.2.5提高鑿巖施工效率分析

圖1 清礁工作流程

根據(jù)本項(xiàng)目淺點(diǎn)深度，鑿巖施工一般按“鑿巖施工-清碎石-鑿淺點(diǎn)-掃淺”這樣的步驟循環(huán)施工，這就要求一定要精確掌握覆蓋層施工和第一次清碎石的土質(zhì)變化情況，合理選擇鑿巖錘的類型，盡量地減少鑿巖的次數(shù)，提高施工效率。

2.3 掃淺施工工藝

施工后期的掃淺工作是整個(gè)疏浚工程的重要工序，本工程航道疏浚區(qū)域?qū)儆跔I(yíng)運(yùn)中的繁忙航道，工程量大，故采用以耙吸船掃淺為主，抓斗船為輔的掃淺方式。其中耙吸船掃淺作業(yè)主要掃除連片的淺點(diǎn)，掃淺采用“定深挖泥”和“進(jìn)退挖泥”相結(jié)合的方式；抓斗船掃淺作業(yè)主要作用于零星淺點(diǎn)，特別是硬點(diǎn)及巖石層區(qū)域，無(wú)法采用耙吸船掃淺，又分為“普通抓斗清淺”和新工藝“抓斗挖泥船平板側(cè)推掃淺施工”。

2.3.1 定深挖泥的使用與操作要點(diǎn)

本工程耙吸船施工工藝為裝艙溢流法，由于運(yùn)距遠(yuǎn)，使用了1萬(wàn)m3和2.1萬(wàn)m3耙吸船掃淺，根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行定深挖泥，效率高，屬于本工程實(shí)施過(guò)程中大范圍使用的方式。根據(jù)淺點(diǎn)高低，控制好每次下耙深度，使它要深于淺點(diǎn)峰值，但不能過(guò)深導(dǎo)致耙不動(dòng)，尤其需要注意松軟淤泥質(zhì)軟土或極軟土的吸耙問(wèn)題，以保證耙頭不被破壞為原則，必要時(shí)進(jìn)行試耙。

2.3.2 拉鋸式進(jìn)退挖泥法的使用與操作要點(diǎn)

本工程主要是在主航道與支航道連接段（見(jiàn)圖2的斜線陰影部分，寬度僅為80米～300米）使用了進(jìn)退挖泥法，由于連接段右側(cè)的30萬(wàn)噸級(jí)主航道和左側(cè)的15萬(wàn)噸級(jí)航道均為繁忙的營(yíng)運(yùn)航道，為了減少對(duì)營(yíng)運(yùn)航道的影響，需減少耙吸船的調(diào)頭次數(shù)。進(jìn)退挖泥法適用于水域受限，難以實(shí)施回轉(zhuǎn)調(diào)頭的情況，耙吸船正常挖進(jìn)，挖到每次目的地后，起耙至的安全高度，注意防止發(fā)生耙頭碰撞折損情況，然后倒車使船退回下一次計(jì)劃起挖點(diǎn)，確認(rèn)船穩(wěn)定后再次耙著底挖泥。

圖2 主航道與支航道連接段

2.3.3 平板法掃淺的優(yōu)勢(shì)及操作要點(diǎn)

針對(duì)本工程的掃淺工作，經(jīng)過(guò)對(duì)比分許，從工程成本考慮，條件具備的地方使用“抓斗挖泥船平板側(cè)推掃淺施工”（簡(jiǎn)稱“平板法掃淺”），平板法掃淺曾在類似疏浚工程項(xiàng)目中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了局部位置快速、高質(zhì)量掃淺。

（1）采用平板法掃淺的效果好、精度高，50m3抓斗挖泥船依靠自重，能始終保持在一個(gè)合適預(yù)設(shè)深度形成一個(gè)掃淺平面，在淺區(qū)定位精確，清淺效果好，質(zhì)量能得到保證。其次按照“去高填低”的原則，無(wú)需泥駁外運(yùn)，工效較高。

（2）平板法掃淺操作要點(diǎn)：

①施工流程：

移船至掃淺區(qū)域→根據(jù)水位確定抓斗下放深度→橫移抓斗掃淺→移船進(jìn)關(guān)至下一區(qū)域掃→多波束測(cè)量檢測(cè)→不合格則移船重掃，直至滿足要求；

②淺點(diǎn)區(qū)域確定：根據(jù)四波束海測(cè)確定大致區(qū)域，然后抓斗逐一探測(cè)淺點(diǎn)，以防漏掃；

③分條寬度：考慮銜接，分條寬度比抓斗船船寬少2米；

④進(jìn)關(guān)距離：關(guān)與關(guān)的搭接不低于2米，確定為每關(guān)進(jìn)尺10～15米；

⑤掃淺深度控制：安裝完掃淺板后重新對(duì)鋼箱（板）下邊緣的深度進(jìn)度校準(zhǔn)，并在小排鋼纜上做好深度標(biāo)記，必須根據(jù)水深及土質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整，以避免形成新的泥層堆積導(dǎo)致新淺點(diǎn)產(chǎn)生。

3.結(jié)束語(yǔ)

本工程采取的鑿巖及掃淺工藝順利地解決了工程中遇到的硬點(diǎn)及巖石層問(wèn)題，但在選取疏浚施工工藝時(shí)，不宜機(jī)械式套取某種工藝，應(yīng)結(jié)合施工區(qū)域環(huán)境、營(yíng)運(yùn)航道的通航要求、工程規(guī)模等進(jìn)行綜合考慮，科學(xué)合理的施工設(shè)備及工藝對(duì)工程成本控制和效率有重要作用。