過海段管道溝槽開挖施工

魏曉鋒

（福建省水利水電工程局有限公司,福建 泉州 362000）

0 引言

水下開挖在疏浚工程和內(nèi)河航道工程等施工項目中是較為常見的一種施工內(nèi)容。抓斗挖泥船開挖通常情況下是采用抓斗挖泥船和自航泥駁配合施工,即將施工區(qū)土石方用抓斗挖泥船定位開挖,后將棄渣通過泥駁運至指定位置。本文探討了抓斗挖泥船在過海段管道溝槽開挖中的應(yīng)用,提出具體的施工方案,保證開挖效果符合管道鋪設(shè)要求。

1 工程概況

本工程位于沙埕港后賴鎮(zhèn)附近,南岸與新建鋼鐵廠臨近,管線由后賴鎮(zhèn)引出過海,自北端防波堤下入海,通過沉管方式過海至鋼鐵廠上岸,起始點樁號K4+796；終點樁號K6+173,總長1377 m。過海沉管段管道最大埋設(shè)深度4.5 m,最小埋設(shè)深度1 m,平均埋設(shè)深度約3 m,兩端與陸上埋管相對接,過渡段為60 m～110 m。由于海上埋管段的海床大部分是淤泥（南岸登陸段有拋石區(qū)域）,沉管采用先開挖后敷設(shè)管道的施工方式[1]。

2 水下開挖施工特點和難點

2.1 水下開挖施工特點

（1）地質(zhì)情況多為淤泥質(zhì)和拋填塊石。根據(jù)地勘資料,施工區(qū)域地質(zhì)大多數(shù)為淤泥地質(zhì),靠近兩岸部分為堤岸防沖刷拋填石塊；地質(zhì)情況不同,管道溝槽開挖方式不同,岸上需要采用長臂挖掘機配合開挖。

（2）受潮汐影響較大,精度控制要求高。施工區(qū)穿越沙埕港水道,海水的水位受潮汐水的影響,高低潮位差值較大,在落潮期間有一定的水流速度,直接影響挖泥船開挖以及軸線和深度測量,對測量精度要求高。

2.2 水下開挖施工難點

（1）高低潮位差值較大。施工區(qū)潮汐水屬正規(guī)半日潮,落潮速大于漲潮速,據(jù)（1969 年～1975 年）潮位觀測資料統(tǒng)計（黃海高程）本區(qū)最大潮水為5.00 m,最小潮位-2.90 m,最大潮差7.90 m,最小潮差2.60 m,平均潮差2.30 m,平均高潮3.25 m,平均低潮-2.05 m。施工過程中,海水的水位受潮汐水的影響,呈規(guī)律性變化,需要根據(jù)潮位情況,實時調(diào)整開挖深度控制。

（2）開挖測量精度要求高。從設(shè)置高精度基準(zhǔn),到實地小環(huán)境的測試對比,再到定深控制和找平控制,每個環(huán)節(jié)均要結(jié)合潮汐水位情況,盡可能提高精度降低誤差,才可為后續(xù)鋪管提供符合要求的溝槽。

（3）涉及養(yǎng)殖區(qū)域,工期要求高。沙埕港海域兩岸有養(yǎng)殖區(qū)域,對于靠近北岸的350 m 區(qū)間為當(dāng)?shù)卮迕竦乃a(chǎn)養(yǎng)殖區(qū),為了本項工程的實施,已經(jīng)將養(yǎng)殖魚排拖出一道約150 m的口,但需要在1 個月內(nèi)結(jié)束魚排養(yǎng)殖區(qū)的管道敷設(shè)施工,滿足政府與養(yǎng)殖戶簽訂的回遷期限。因此,施工工期較短,水上施工會受到一定限制和影響。

3 水下開挖溝槽方案設(shè)計

結(jié)合本施工區(qū)域的地質(zhì)情況、管道埋深情況、潮汐水位情況以及周邊地理環(huán)境,采用抓斗式挖泥船進行水下溝槽開挖施工,先后采用大型抓斗和小型抓斗挖泥船施工；所用船舶設(shè)備包括：抓斗挖泥船（8 m3）1 艘、自航泥駁（1500 m3）2 艘、拋錨艇（740 HP）1 艘、DGPS 定位系統(tǒng)2 臺,同時配備足夠的錨泊定位、測量控制、潛水作業(yè)、資料收集整理等的施工輔助船舶和人員。為避免挖泥船與鋪管船施工作業(yè)的相互干擾,挖泥船與鋪管船間隔10 天施工,避免交叉施工影響鋪管船的施工效率[2]。

圖1 抓斗挖泥船開挖示意圖

4 水下開挖溝槽施工

首先對業(yè)主提供的測量控制點校核并建立GPS 基站和施工測量控制網(wǎng),結(jié)合船載GPS 作為施工船導(dǎo)航定位；之后按施工圖紙要求進行溝槽基準(zhǔn)線放樣；利用挖泥控制軟件指示挖泥船定位后進行分層粗挖,再對底部的0.5 m 部分進行找平開挖。

開挖施工首先采用8 m3抓斗挖泥船分層開挖,每層開挖深度控制在2 m 左右,粗挖基本完成后調(diào)換為小抓斗挖泥船進行細挖找平,直到滿足溝槽尺寸、高程、平整度的要求。運泥和拋泥采用自航泥駁全過程配合施工。

4.1 DGPS 定位參數(shù)確定

根據(jù)基站和施工控制網(wǎng)控制點,建立基準(zhǔn)臺,采集控制點坐標(biāo),計算并校核施工用DGPS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù),保證誤差在0.5 m 范圍內(nèi)。

4.2 分層開挖設(shè)計

開挖方式采用分區(qū)、分段、分條進行,分層開挖深度為2 m 厚,抓斗式挖泥船每一分段長度為100 m 左右,每一分條寬度為12 m 左右,如分段分條示意圖所示。依據(jù)實際需開挖深度,分兩層階梯式開挖,先開挖成鋸齒狀,后自然坍塌成坡,最后進行局部邊坡修理形成1∶4 邊坡。分條開挖步驟：

（1）通過船載DGPS 系統(tǒng),將挖泥船定位在圖中①條幅位置,按箭頭方向進行該條幅開挖施工；

（2）①條幅完成后,將挖泥船移到②條幅位置進行開挖作業(yè),挖泥方向按箭頭與①一致；

（3）按上述方法,進行第③條幅挖泥作業(yè)；每個條幅之間重疊1 m 左右開挖,防止漏挖；

（4）緩坡段開挖在表層土方開挖時,長度方向一并挖除到位；軸線兩側(cè)的放坡區(qū)域根據(jù)挖出的泥質(zhì)情況確定自然坍塌程度選擇開挖深度和控制開挖量,以保證溝槽能夠順利成型為基本條件；

（5）主溝槽的加深開挖是在表層泥土開挖全部完成后,將挖泥船重新定位后進行。

圖2 分段及分條示意圖

4.3 輸入施工區(qū)坐標(biāo)

根據(jù)施工安排,將相關(guān)控制坐標(biāo)計算出來后輸入測控手薄和施工軟件,即可將施工范圍顯示在顯示器上。平面分區(qū)圖全部采用CAD 軟件繪制,坐標(biāo)系統(tǒng)與施工用坐標(biāo)系統(tǒng)一致,直接將CAD 圖電子版輸入船載DGPS 系統(tǒng),直觀形象地指揮挖泥船開挖施工[3]。

按溝槽方向?qū)κ┕^(qū)進行分段并標(biāo)明里程,每一段施工區(qū)內(nèi)按縱橫網(wǎng)格分隔,之后再根據(jù)抓斗的操作尺寸,劃分成小網(wǎng)格；將施工圖中開挖輪廓線和劃分好的開挖網(wǎng)格圖合并導(dǎo)入控制系統(tǒng),由測量軟件操作,開挖時根據(jù)測量控制軟件按照小網(wǎng)格到大網(wǎng)格順序施工。

4.4 挖泥船定位

抓斗挖泥船采用DGPS 定位系統(tǒng)定位。定位前,由施工技術(shù)人員打開挖泥軟件,通過電腦顯示器直觀地操作挖泥,保證施工平面尺寸符合設(shè)計要求。

挖泥船有6 口錨,根據(jù)錨位設(shè)計要求,甲板駁兩頭呈“八字”形布設(shè)交叉錨位,工程船首尾設(shè)置牽引錨纜,根據(jù)水深情況,前進方向的錨纜長度盡量放長,船尾的錨纜盡量放短；為防止工程船受潮流、風(fēng)向、管線路由影響,艏艉交叉錨纜始終呈受力狀態(tài),開挖管溝施工期間,船舶移動過程盡量做到前后錨纜的松放、收緊呈同步狀態(tài)。

高程控制采用“雙控”模式,即岸上水尺與船載GPS 報潮相結(jié)合的模式。岸上在四道溝設(shè)置水尺,安排專人進行潮位觀察,每30 分鐘向施工船舶報潮位一次；施工現(xiàn)場專門安排一船舶,上設(shè)GPS 報潮系統(tǒng),觀察現(xiàn)場潮位情況,實時與岸上水尺讀數(shù)比對并進行調(diào)整,避免施工作業(yè)線過長而產(chǎn)生的潮位差。

4.5 挖泥船挖泥

挖泥船挖泥過程中要嚴(yán)格控制抓斗下落深度和開挖范圍線,特別是最后一層開挖時抓斗的下落深度控制,直接影響溝槽的底部平整度和高程；施工過程中采用測深水砣對水深進行校核,避免浮動泥漿影響水深測量。開挖施工時,控制前一斗和后一斗抓斗重疊約0.5 m 左右,防止已開挖和未開挖泥面高差導(dǎo)致抓斗上鋼絲繩傾斜,影響開挖精度[4]。

在開挖過程時,根據(jù)施工圖紙尺寸施工,定時校核DGPS系統(tǒng)、水深、潮汐水位等,做好數(shù)據(jù)記錄和施工過程情況記錄,確保施工平面平整度、開挖尺寸及高程滿足鋪管要求。

4.6 找平施工

溝槽設(shè)計底高程以上0.5 m～1.0 m 為找平施工。采用小抓斗（6m3）挖泥船進行細挖施工,小抓斗挖泥船應(yīng)滿足定深和找平的需求。溝槽找平細挖施工方向和粗挖一致,按照粗挖方案分段分條進行,根據(jù)挖泥控制系統(tǒng)控制挖泥船的縱向和橫向位置；將高精度RTK 接收器安裝在挖泥船的小抓斗上,采用三維坐標(biāo)基準(zhǔn),實現(xiàn)精確細挖施工。為保證找平精度,整個找平細挖施工過程應(yīng)選擇風(fēng)浪較小時施工,最好應(yīng)在平潮段施工,避免水流流動造成開挖誤差。

5 質(zhì)量安全控制措施

（1）起吊挖溝機前,認(rèn)真檢查吊索、吊具是否合格,有無磨損、銹蝕、變形、斷裂等情況,禁止超負(fù)荷使用,檢查吊點是否牢固。起吊過程中,鉤頭中心應(yīng)在挖溝機重心線上,起吊隔離區(qū)禁止人員進入,嚴(yán)禁多人指揮。

（2）船舶移動時,密切觀察張力變化情況,控制好行進速度。潛水員未出水上甲板,禁止啟動挖溝設(shè)備。

（3）在挖溝機操作設(shè)備的危險區(qū)拉警界線,懸掛警示牌。在挖溝過程中應(yīng)經(jīng)常查看吊索磨損情況,發(fā)現(xiàn)磨損立即更換。

（4）挖溝機回收,起吊過程中,應(yīng)監(jiān)視吊鉤受力情況,發(fā)現(xiàn)異常,潛水員下水檢查和處理,防止挖溝機掛異物,損壞設(shè)備。

（5）拋泥船嚴(yán)禁超載、超限,并做好淤泥的防滲漏措施。拋泥船要嚴(yán)格按照法律要求和施工方案,到指定位置按要求進行拋泥,嚴(yán)防環(huán)境污染事件的發(fā)生。作業(yè)時應(yīng)防止錨和錨纜對周圍管線造成損壞,嚴(yán)防人員誤操作挖斷、船舶擱淺損壞周圍管線。

（6）復(fù)雜海區(qū)、狹窄水道航行時要加強值班瞭望,應(yīng)急指揮小組要定時收聽和向海事局了解掌握氣象資料,根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r決定是否進港避風(fēng)。制定應(yīng)急預(yù)案,發(fā)生碰撞、失火、人員落水等緊急情況時,聽從應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組的指揮按照應(yīng)急預(yù)案進行急救,把損失減到最小程度。

6 結(jié)語

綜上所述,結(jié)合本工程的特點及施工條件,選用合理的開挖方式,通過水下開挖溝槽方案設(shè)計、挖泥船定位、挖泥找平施工,控制溝槽開挖的精度,保證后續(xù)鋪管施工順利完成。經(jīng)本案例項目施工效果驗證,抓斗挖泥船施工技術(shù)可精準(zhǔn)控制水下開挖,可供類似工程參考借鑒。