有障碍水下削坡施工工法的探讨

水下挖泥最直接有效的方法是采用水上设备 (船) 进行机械开挖, 不管采用臂式挖斗还是缆式挖斗, 都要求有一定的水上作业空间, 同时挖泥设备与泥驳须并行作业, 因此对作业宽度要求也很高, 这些在敞开水域是没有问题的, 但在码头下方由于受码头结构限制, 上述方法是不可行的。

借镇江港4#～5#码头改造的契机, 我们有幸参与了该工程码头下方水下削坡施工的尝试。镇江港4#～5#码头是上世纪八十年代建成的, 为高桩梁板式码头, 码头水域属于微淤区, 近几年每年都要对前沿港池进行疏浚维护, 但二十多年来, 码头下方从未进行削坡处理, 原有的1∶4的坡比已发生巨大变化, 码头下方最大坡度接近1∶1。根据这次改造的要求, 码头前沿水深要加深1.5米, 同时要增加钢管桩, 由于打桩施工对土层扰动较大, 岸坡现状无法满足稳定要求, 因此必须事先进行削坡处理, 设计坡比1∶3。由于一开始我们就排除了水上设备机械开挖的方案, 而又缺乏这方面施工的经验可参照, 因此我们只能通过尝试各种可行的方案, 以求得最佳方案。

1 施工条件概述

镇江港4#～5#码头总长360m, 宽28m, 每榀排距12m, 净距9.5m, 码头面标高6.1m, 在码头排架间的联系结构中, 前沿 (走道板) 最低标高1.4m, 腹部 (轨道梁) 最底标高3.83m, 后沿 (后边梁) 最低标高5.1m, 如图1, 2所示。

大港港区年实测最底水位0.4m, 平均流速1.2m/s～1.4m/s, 码头下平均泥面标高-1.3m～-7.8m, 土质以灰黄色粉砂夹粉质粘土为主, 由于受码头常年散货作业的影响, 表土内夹杂有大量铁矿粉等杂质, 同时还含有少量的生产生活垃圾, 土的主要物理力学指标如下表所示。

2 试验方案选择

要实现码头下方削坡的目标, 有三个环节是必须解决的, 一是挖泥工艺, 二是水上施工平台方案, 三是排泥方案。

2.1 水上施工平台方案

水上施工平台主要用于安装施工设备以及施工人员作业, 这是水下挖泥施工的必备条件, 从图1、2中可以看出, 江侧由于受走道板影响任何水上设备是无法进出的, 而后沿有较大的空间, 可以允许小型设备通过, 但腹部有较苛刻的限高要求, 即使在最低水位时净高也只有3m～3.5m, 通过多方面调查, 可选方案有三个, 一是现场搭设浮桶平台, 平台由四个半月型塑料浮桶作为浮体, 并用槽钢将浮桶连为整体, 表面架设木板作为平台面, 平台搭设好后从后沿吊装下水;二是采用钢浮箱, 直接从后沿吊装下水;三是采用小型水陆两栖挖泥船可以直接从岸上自行下水。

2.2 挖泥方案

根据表1的数据可以看出, 水下淤泥处于软塑状态, 有一定粘性, 对于这类土采用机械开挖和水力冲挖都是有效的办法, 但现场条件对设备外形要求太高, 因此我们首先考虑的是以小形设备为主的水力冲挖方案。水力冲挖是一种比较成熟的工艺, 在河塘整治和沉井施工中应用比较广泛, 尤其在浅水环境下施工效果非常明显, 再加上设备轻巧、成本低廉, 与浮桶平台搭配使用最小作业高度仅1.5m。其次可采用真空铰吸工艺, 铰吸属于机械力开挖的范畴, 其主要设备是由动力系统、传动系统、吸泥系统和铰头组成, 设备外形略大于冲挖系统且需要采用扒杆控制设备下水, 适合与钢浮箱搭配使用, 最小作业高度需2.5m, 如图3所示。最后可以采用微型挖泥设备——水陆两栖挖泥船, 如图4所示, 该设备应用比较少, 主要用在一些特种工程中, 其外型和性能基本能满足本工程的要求, 最小作业高度需3m。

2.3 排泥方案

将淤泥制成浆状, 并用高压泵输运至码头江侧的泥驳船, 然后运至海事部门指定的排泥点进行排泥, 这是水上施工最经济有效的排泥方案, 以上提到的各种挖泥方案都能实现这种排泥方案, 只是在制浆环节中稍有区别。

3 方案实施情况

从上述三种组合方案的经济性、技术成熟程度、应用广泛性的角度考虑, 我们按照水力冲挖→真空铰吸→水陆挖泥船的顺序先后进行了尝试。

3.1 水力冲挖+浮桶平台

其原理是利用高压水柱对泥面的冲切作用, 使淤泥与江水混合成浆, 再用吸管将泥浆吸出水面, 施工流程如下。

组装平台→施工设备安装→下水→高压水泵冲泥→泥浆泵吸浆→泥浆排入泥驳船→排泥。

由于浮桶平台比较轻巧, 受波浪影响较大, 作业时平台晃动较大, 因此所有设备集中置于平台中部, 作业井孔也设在中间, 水力喷头和泥浆泵吸嘴通过作业井孔内下水作业。平台移位是利用码头下部结构作为着力点通过人工进行移位就位。高压水柱射向泥面时受江水的影响其冲切力大大削弱, 再加上土质粘性较大, 土体被冲刷后大部分形成颗粒状, 少部分与水混合成浆状, 同时又受江水稀释及水流影响, 最终能被吸嘴吸上的泥浆非常少, 排入泥驳船的泥浆颜色比江水稍微混浊, 因此该方案因工效太差而淘汰。

3.2 真空铰吸+钢浮箱

真空铰吸的工作原理是利用螺旋状金属刀片高速旋转将固状淤泥搅碎, 并与江水混合成浆状, 再用吸管将泥浆排出水面, 其施工流程如下。

机组安装→吊装下水→铰头就位→铰刀旋转制浆→泥浆泵吸浆→泥浆排入泥驳船→排泥。

由于钢浮箱自重较大, 下水后比浮桶平台稳重, 操作性有了很大提高。铰吸设备安装时动力设备主要集中在尾部, 而扒杆和铰头设在头部, 铰头通过扒杆控制入水深度。为了减少江水对制浆过程的影响, 整个铰头和吸嘴用反斗罩罩住 (如图5所示) , 铰刀快速旋转将淤泥打成浆状并迅速通过真空吸嘴将泥浆排出。泥浆浓度比水力冲挖方案有较大提高, 含泥量一般在30%～40%左右。但是铰头装置在工作过程中如受到外界障碍物的干扰时容易损坏, 本工程中淤泥内含有大量生产生活垃圾, 铰头容易绞死, 铰刀容易断裂, 因此需经常性的进行维修, 这样大大降低了工效, 增加了施工成本。而且施工过的坡面程坑状, 不适合平整度要求高的削坡挖泥。最终该方案也被放弃。

3.3 小型水陆两栖挖泥船

该方案的施工原理很简单, 关键是设备的性能, 这是决定方案成败的主要因素其次其制浆环节不在水下, 而是将泥挖入第一级泥驳船, 通过水力冲刷制浆, 再吸入前沿的二级泥驳船后外运排泥。其施工流程如下。

设备下水就位→挖斗挖泥→装入第一级泥驳船→水力制浆→排入第二级泥驳船→排泥。

本工程采用的水陆两栖挖泥船船长4.5 m宽1.9m, 最大臂长9 m, 最大挖深6 m, 作业幅度180°, 陆地行走依靠四条液压式腿轮, 在水下作业时四条腿轮可以起到稳定船身的作用。由于挖泥作业时机械臂要有一定的起臂高度, 因此对净高的要求比前两个方案都高, 必须在低潮时段施工。此外作业水深受臂长限制, 局部深水区无法完成任务, 本工程中对靠江侧的深水区采用了辅助手段, 使得整个削坡施工基本达到设计要求, 附着在桩基周围淤泥受桩帽尺寸影响无法挖除, 但不影响整地效果。

4 方案评比及结论

需要指出的是, 各方案都有各自优缺点和适用条件, 在具体应用时可根据现场实际情况进行选择, 比如在本工程尝试真空铰吸工艺过程中, 在局部无杂质土质区域施工时其工效还是比较明显的, 因此在土质纯净的前提下该方案还是可行的。因此上表对比分析的结果只是针对本工程而得出的。

通过该工程的尝试可以看出, 码头下方水下挖泥施工条件比较苛刻, 这就对施工设备和工艺有特殊要求, 从上述三个方案的实验情况可以看出, 效果最明显的施工工艺仍是传统机械开挖, 但是目前国内能够满足要求的水上挖泥设备很少, 所以解决问题的重点还是相应特种设备的研发, 以满足市场的需求。

摘要：对于大多数的港口经营者来说, 码头下方的水下地形的维护一直是被忽略的, 这主要基于码头下方地形变化并不直接影响码头靠泊使用, 对于处在淤积区的码头, 码头下方受群桩阻流影响其淤积速度大于前沿水域, 但是前沿为保证水深会经常性的疏浚, 而与其紧邻的码头下方则长年无人问津, 造成岸坡坡势日趋恶化, 稍有外界扰动就可能造成局部滑坡, 从而危及码头设施, 因此, 处于淤积区的码头下方也应定期进行削坡处理。

关键词：港口,码头,水下削坡,施工