外海深水土工墊層攤鋪工藝研究

袁明明 曾建青 廣東海工建設(shè)工程有限公司

蘇千立 廣州粵科工程技術(shù)有限公司

1.工程概況

國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸二線管道共 1 條干線和 8 條支線，其中香港支線位于珠江口海域深圳市西岸，起于西氣東輸二線香港支線大鏟島分輸站，海底敷設(shè)經(jīng)大鏟水道，過礬石淺灘并直跨銅鼓航道，經(jīng)深圳灣口登陸香港龍鼓灘輸氣站。在2018 年12 月對香港支線大陸段海管的狀態(tài)檢測中，檢測單位發(fā)現(xiàn)管道西側(cè)分布有不少采砂活動區(qū)，從KP4至KP9，平行于管道分布，在KP5+440～KP5+560 處采砂區(qū)距離管道最近處約300 m，在KP6+880～KP7+240 處，采砂區(qū)距管道約450m，調(diào)查也顯示采砂坑邊界北部向管道方向有不同程度移動，為了阻止砂坑邊坡繼續(xù)向管道側(cè)移動，2020 年 10 月 22 日，國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司在上海組織召開了《香港支線海底管道臨近采砂區(qū)安全隱患治理試驗(yàn)段工程方案設(shè)計（代初步設(shè)計）》評審會，評審?fù)饬吮眰?cè)試驗(yàn)段方案。北部試驗(yàn)段整治長度700.0m，整治寬度190.0m，整治面積13.30萬m2。整治方案主要是對現(xiàn)狀邊坡進(jìn)行整理，并將削坡和清理的淤泥回填至低洼處，再在整理后的邊坡上先鋪設(shè)一層土工墊，土工復(fù)合墊由一層土工格柵和一層土工布復(fù)合而成，土工復(fù)合墊施工完畢后再在其上安放一層 500mm 厚鋼絲石籠，本工程施工區(qū)域水深在10～25m之間。

2.現(xiàn)狀工藝研究

傳統(tǒng)的土工墊層鋪排由鋪排船進(jìn)行，鋪排船采用GPS定位后進(jìn)入施工區(qū)域，并采用八字拋錨固定，船舶定位后將卷有土工墊層的滾筒放置水中，土工墊起始邊使用小錨固定，隨后通過鋪排船上的鉸錨機(jī)移動鋪排船鋪設(shè)土工墊層，再采用拋石船緊隨其后拋撒碎石對土工墊層進(jìn)行固定[1-3]。

按照上述施工方法，土工墊層鋪設(shè)后普遍存在以下缺陷：①土工墊層易被浪潮頂浮、飄起與翻邊；②土工墊層起始邊位置容易走錨，從而造成鋪設(shè)位置偏差和相鄰?fù)凉|層搭接寬度不符合安裝質(zhì)量要求。

3.本工程土工墊水上攤鋪施工方法研究

3.1 施工工藝流程

本工程的施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→土工格柵、土工布采購→土工復(fù)合墊加工→土工復(fù)合墊、定位浮標(biāo)上滾筒→地錨參數(shù)確定→鋪排船定位→卷筒沉放→移船鋪排→拋石船拋石壓載→土工復(fù)合墊鋪設(shè)結(jié)束→質(zhì)量位置檢驗(yàn)→沉排驗(yàn)收。

3.2 土工墊上卷筒

1）采用直徑14mm的雙股丙綸繩將土工復(fù)合墊排體端頭與卷排滾筒連接，連接繩子的長度需要大于施工期最深水深，以便卷筒在土工復(fù)合墊鋪設(shè)完畢后，再將滾軸提出水面而不牽扯到已鋪設(shè)的土工復(fù)合墊排體，本工程連接繩長度取30.0m。

2）打開電動絞車，將土工復(fù)合墊層卷上卷筒。

首先，打開電動絞車使卷筒轉(zhuǎn)動，卷起雙股丙綸繩，繩子派人隨時糾正，以保證繩子位置準(zhǔn)確，從而確保復(fù)合土工墊層能平整均勻地卷上滾筒。

其次，土工復(fù)合墊排體上卷時，卷筒的兩端各配兩名工人，隨時糾正排體的位置，避免卷偏、卷皺，甲板上排體兩側(cè)配兩名工人整平預(yù)卷排體。

最后，當(dāng)土工復(fù)合墊層的尾部已上滾筒時，停止土工復(fù)合墊上滾筒作業(yè)。

3）土工復(fù)合墊卷材在上滾筒的時候，在土工復(fù)合墊的長邊上，等距離設(shè)置4個定位浮標(biāo)。浮標(biāo)材質(zhì)為軟體塑料泡沫，采用細(xì)丙綸繩（長度為30.0m）連接在土工復(fù)合墊的長邊上。浮標(biāo)作用為檢查土工復(fù)合墊安裝位置和相鄰塊體搭接位置是否滿足要求。浮標(biāo)和連接繩隨著土工復(fù)合墊一并卷入滾筒。

4）土工復(fù)合墊全部上滾筒后，施工人員需將一個長度等于土工復(fù)合墊寬度的鋼管固定在土工復(fù)合墊的端頭上，以防止土工復(fù)合墊在鋪排時排頭受到不均勻拉力而出現(xiàn)撕裂和皺折現(xiàn)象。

3.3 確定地錨參數(shù)

地錨的作用就是為土工復(fù)合墊初始攤鋪提供固定作用，地錨參數(shù)的正確與否直接關(guān)系到土工復(fù)合墊層在攤鋪過程中地錨是否能保持穩(wěn)定、走錨距離是否滿足施工要求以及土工復(fù)合墊攤鋪位置是否滿足施工要求。

地錨參數(shù)主要包含三項：①錨地土質(zhì)：地錨落入海床面的土質(zhì)；②地錨布置間距：地錨沿著土工復(fù)合墊起始邊布置距離，布置距離應(yīng)在滿足施工要求的前提下，盡量減小拋錨、收錨的工作量；③地錨穩(wěn)定走錨距離：地錨在土工復(fù)合墊的安裝拉力下，會經(jīng)過一段走錨距離而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此段距離為地錨穩(wěn)定走錨距離。

本工程地錨參數(shù)的確定：

1）地錨土質(zhì)根據(jù)本工程的巖土勘察報告確定；

2）地錨布置間距和地錨穩(wěn)定走錨距離采用模擬實(shí)測方法確定。具體步驟如下：

第一步：根據(jù)本工程巖土勘察報告，試驗(yàn)段內(nèi)面層土主要分為兩種：一是邊皮底部的流泥；二是邊坡和坡頂?shù)挠倌啵ɑ焐埃?。地錨土質(zhì)區(qū)域劃分見圖2。

第二步：確定地錨布置間距。

地錨（見圖2）布置間距應(yīng)在滿足施工要求的前提下盡減小拋錨及收錨的工作量，本工程采用地錨重量為25kg，分別在流泥區(qū)及淤泥（混砂）區(qū)以地錨布置間距3.0m開始模擬實(shí)測，并以每次增加0.5m的距離進(jìn)行下一次模擬實(shí)測。通過模擬實(shí)測，流泥區(qū)地錨布置間距為4.0m，淤泥（混砂）區(qū)地錨布置間距為5.0m。

第三步：確定地錨穩(wěn)定走錨距離。

流泥區(qū)及以淤泥（混砂）區(qū)地錨布置間距分別以4.0m和5.0m來實(shí)驗(yàn)測設(shè)地錨穩(wěn)定走錨距離，實(shí)驗(yàn)次數(shù)為10次，其地錨穩(wěn)定走錨距離確定方法：去掉一個最高值和一個最低值，取其余值的平均值。

根據(jù)以上原則確定了地錨參數(shù)：

流泥區(qū)：地錨重25kg，地錨布置間距4.0 m，地錨穩(wěn)定走錨距離0.42m。（見表1）

表1 地錨穩(wěn)定走錨距離模擬實(shí)測值（流泥區(qū)）

圖3 地錨

淤泥（混砂）區(qū)：地錨重25kg，地錨布置間距5.0m，地錨穩(wěn)定走錨距離0.24m。（見表2）

表2 地錨穩(wěn)定走錨距離模擬實(shí)測值（淤泥（混砂）區(qū)）

3.4 土工墊鋪設(shè)

1）定位。建立GPS差分基準(zhǔn)站，并將土工復(fù)合墊層的鋪設(shè)寬度及鋪設(shè)數(shù)量等數(shù)據(jù)輸入鋪排船的GPS系統(tǒng)，標(biāo)明土工復(fù)合墊每塊的鋪設(shè)的位置，并以此位置作為鋪設(shè)土工復(fù)合墊的定位依據(jù)。鋪排船采用GPS定位，具體做法如下：配備2套GPS接收系統(tǒng)以及一套相應(yīng)的土工復(fù)合墊鋪排專用軟件，建立土工復(fù)合墊鋪排電子區(qū)域圖。將鋪排船的GPS系統(tǒng)連接到計算機(jī)，鋪排電子區(qū)域圖能實(shí)時地顯示在計算機(jī)屏上。（見圖4）

圖4 土工墊鋪排電子圖

將兩臺GPS接收器設(shè)置在鋪排船的合適位置，并以這兩臺GPS接收器連線為基線，建立一套鋪排船作業(yè)坐標(biāo)系，量取兩接收器天線高度以及天線到鋪排滾筒的距離，確定鋪排船定位參數(shù)。鋪排船坐標(biāo)系確定后，將其輸入到專用鋪排軟件中，并按設(shè)計值確定土工復(fù)合墊層鋪排的設(shè)計軌跡施工圖。此時鋪排軟件將根據(jù)船位及土工復(fù)合墊相對于GPS基線的各項參數(shù)形成實(shí)時軌跡，并顯示出實(shí)時軌跡與設(shè)計軌跡的偏差。

2）鋪設(shè)施工。土工復(fù)合墊的鋪設(shè)全部在鋪排船進(jìn)行。作業(yè)時間應(yīng)選擇在平潮期施工，鋪設(shè)時采用工作船定位，并依之測設(shè)水下定位樁、導(dǎo)線或?qū)к?。鋪設(shè)時應(yīng)將土工復(fù)合墊平緩展開并不斷拉緊、鋪平，避免產(chǎn)生褶皺，土工復(fù)合墊鋪設(shè)后應(yīng)及時覆蓋一層石料，防止涌浪水流造成損壞，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在本水域及時覆蓋的一層石料厚度約10cm的二片石。施工步驟如下：

第一步∶鋪排船上采用吊機(jī)將整個卷筒從起吊臂上垂直下放到海床上，卷筒落地的位置應(yīng)距離土工復(fù)合墊層起始邊有一定的提前距離。（見圖5）

圖5 土工墊卷安裝示意圖一

第二步∶在距土工復(fù)合墊安裝起始位置一定距離拋下地錨，地錨至土工復(fù)合墊起始邊距離=土工復(fù)合墊與地錨連接繩子凈長度（30.0m）+地錨錨固穩(wěn)定距離。移動鋪排船拉緊繩索固定起始邊。地錨尾部采用丙綸繩連接地錨浮漂，連接繩的長度大于施工水深，取30.0m。地錨浮標(biāo)和連接繩主要作用為定位、拋錨與收錨。（見圖6）

圖6 土工墊卷安裝示意圖二

第三步：兩根船上的鋼絲繩通過兩邊滑輪分別吊在土工墊筒的滾軸上，此時鋪設(shè)船平行于長度方向徐徐后退。隨著鋼絲繩的牽引，滾筒上的土工復(fù)合墊逐步展開，設(shè)置在卷筒內(nèi)的定位浮漂隨著土工復(fù)合墊展開而逐漸浮出水面。每浮出一對定位浮標(biāo)，就先暫定鋪排作業(yè)，快速對浮出水面的定位浮標(biāo)進(jìn)行位置測量，將測量的浮標(biāo)位置與原設(shè)計位置進(jìn)行對比計算所產(chǎn)生的誤差，誤差控制在允許范圍之內(nèi)，再根據(jù)已測浮標(biāo)的位置來調(diào)整還未攤鋪的土工墊安裝軸線走向。（見圖7）

圖7 土工墊卷安裝示意圖三

第四步∶土工復(fù)合墊一邊展開，一邊就將拋石船上準(zhǔn)備好的碎石拋向土工復(fù)合墊層上，碎石厚度取10.0cm。（見圖8）

圖8 土工墊卷安裝示意圖

第五步：鋪設(shè)船在土工復(fù)合墊全部展開完畢后吊起滾軸與地錨，移船至下一位置。（見圖9、10）

圖9 土工復(fù)合墊鋪設(shè)施工工藝圖

圖10 土工墊鋪設(shè)施工圖

3.5 安裝質(zhì)量檢驗(yàn)

為保證土工復(fù)合墊的鋪排質(zhì)量，隨時了解和掌握相鄰?fù)凉?fù)合墊層之間的搭接寬度以及每幅土工復(fù)合墊排體 的實(shí)際位置，便于指導(dǎo)后續(xù)施工，因此須對每幅已鋪設(shè)排體的相鄰排體間搭接寬度和實(shí)際平面位置進(jìn)行檢測。

1）土工復(fù)合墊排體實(shí)際平面位置及搭接寬度的檢測。采用定位浮標(biāo)法對其平面位置進(jìn)行檢測。在每幅土工復(fù)合墊兩側(cè)沿長度方向均勻布置4個定位浮標(biāo)檢測點(diǎn)位。

檢驗(yàn)方法：待整幅土工復(fù)合墊排體鋪設(shè)結(jié)束后，再利用拋錨船為檢測平臺，將拋錨船移動至定位浮標(biāo)處，打撈起浮標(biāo)并將丙綸繩拉緊確保其處于垂直狀態(tài)，再利用GPS快速測量定位浮標(biāo)的實(shí)際位置，每單元土工復(fù)合墊共8個測點(diǎn)。其中沿排體推進(jìn)方向一側(cè)（短邊）的2個測點(diǎn)的平面位置可作為下一幅排體安裝平面位置的修正依據(jù)，而另一側(cè)的4個檢測點(diǎn)的平面位置可作為與相鄰排體間搭接寬度的檢測的依據(jù)。

2）檢驗(yàn)結(jié)果。土工復(fù)合墊攤鋪完成后，抽取50張對攤鋪位置偏差、搭接寬度進(jìn)行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 鋪設(shè)位置偏差、搭接寬度統(tǒng)計表

4.施工工藝成效

本土工復(fù)合墊水上鋪設(shè)施工工藝，相比傳統(tǒng)的施工方法具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在鋪設(shè)土工復(fù)合墊前，先確定地錨施工參數(shù)，參數(shù)包括地錨土質(zhì)，地錨布置間距及地錨穩(wěn)定走錨距離。其中地錨土質(zhì)通過分析巖土勘察報告確定，地錨布置間距和地錨穩(wěn)定走錨距離通過模擬實(shí)測確定。地錨參數(shù)的確定能提高地錨穩(wěn)定幾率，同時提前消化地錨在達(dá)到穩(wěn)定前產(chǎn)生的走錨距離。

（2）土工復(fù)合墊卷材在上滾筒時候，在土工復(fù)合墊的長邊上，等距離設(shè)置定位浮標(biāo)，浮標(biāo)材質(zhì)為軟體塑料泡沫，浮標(biāo)采用細(xì)丙綸繩連接在土工復(fù)合墊的長邊上。浮標(biāo)作用為檢查土工復(fù)合墊安裝位置和相鄰塊體搭接位置是否滿足要求。浮標(biāo)和連接繩也隨著土工復(fù)合墊一并卷入滾筒上。該方法能快速、準(zhǔn)確的確定土工墊的安裝位置。

（3）在攤鋪過程中，根據(jù)已浮上水面的定位浮標(biāo)，來檢測已安裝土工復(fù)合墊的安裝位置偏差，同時也能預(yù)測還未安裝土工復(fù)合墊安裝軸向走向，為安裝抉擇者提供修正走向依據(jù)。

5.結(jié)束語

近年來，隨著土工材料行業(yè)的飛躍發(fā)展，其性能更加優(yōu)良、種類更加豐富，越來越多的土工材料被廣泛應(yīng)用于水利等工程建設(shè)中。對于外海土工材料鋪設(shè)，需要針對不同工況條件，不能完全照搬現(xiàn)有工藝，應(yīng)根據(jù)特定條件去完善和改進(jìn)不同的施工方法，使之與現(xiàn)狀相匹配。