洋山深水港區四期工程碼頭下方清淤技術

黃飛宇，趙飛，沈偉平*

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交上海航道局有限公司，上海 200136）

隨著社會經濟的飛速發展，越來越多的港口建造了高樁碼頭，但受泥沙的回於影響，高樁碼頭下方內部會淤積大量泥沙，導致鋼樁承受泥沙的壓力作用，嚴重時會導致鋼樁傾倒碼頭局部坍塌。為保持高樁碼頭的長期穩定性，必須對碼頭下方進行針對性維護疏浚。

1 工程概況

上海國際航運中心洋山深水港區位于杭州灣口東北部，上海市蘆潮港東南的崎嶇列島海區嵊泗縣海域，東臨黃澤洋，北鄰長江口。四期工程位于小洋山島鏈最西端，與洋山二期工程相鄰，碼頭總長2 350 m。洋山深水港區水路北距長江口燈船72 km（江海航道），西距蘆潮港約32 km，南至寧波北侖港90 km，東經黃澤洋直通外海，到國際遠洋航線航距約104 km。陸路由32.5 km的東海大橋與上海南匯區蘆潮港相連。

疏浚工程范圍包括：四期工程碼頭前沿停泊水域、船舶回旋及連接水域、港內航道和碼頭下方疏浚。其中碼頭下方碼頭前沿線向里30 m范圍取1∶3，30 m以外取1∶2[1-2]；與回旋及連接水域之間過渡邊坡取1∶15。施工區域平均高潮位3.88 m，平均低潮位1.44 m，樁徑分1.5 m樁和1.3 m樁，長樁距60 m，短樁距30 m。本文重點研究的是碼頭下方疏浚的施工技術。

2 碼頭下方清淤難點

碼頭下方清淤是一種工程量小，但施工難度較大的特殊疏浚工程[3]。其施工主要難點是施工效率相比一般的疏浚工程低很多，且施工安全隱患較大，導致這種情況的主要原因是：

1）有效作業時間短。由于碼頭下方水面以上的凈空高度較低，加上碼頭下方有鋼管樁及（軌道）承重梁、預應力橫梁，且受漲落潮水的影響，施工設備與人員在進出碼頭下方排架之間的施工水域作業時條件極為苛刻，所以必須抓緊漲落潮時的適合空間（水面以上凈空高度）進行施工，平均每天24 h內碼頭下方有效工作時間僅約10～14 h，有效作業時間有限，時間利用率約為50%。

2）有效作業天數少。由于船體較小，采用小型船機組在碼頭下方清淤施工時，對涌浪、大風和大霧等水文和天氣因素較為敏感，受天氣影響同樣較大，如果工程受臺風影響天數多，冬季寒潮大風頻發，全年涌浪、大霧和強對流等惡劣天氣較多，將直接導致小型船機的可作業天數較少。在洋山港四期工程中，自2016年10月18日—2017年3月14日日歷天為158 d，實際碼頭下方清淤作業天數為60 d，僅占日歷天的37.97%。

3）安全隱患大，施工效率低。受小型船機施工設備、作業面空間、施工工藝、操作人員施工操作不熟練等因素影響，單艘小型船機前期疏浚的單位小時效率僅在25 m3/h左右，施工強度有限，再加上有效作業時間少，很難滿足工程進度的需要。同時在碼頭下方施工環境差，水底存在具有傷害性的垃圾，施工安全隱患較大。

3 施工工藝

洋山四期工程碼頭下方清淤總體施工工藝是通過抓斗船在碼頭前沿挖掘出一道儲泥槽，再通過小型船機進入碼頭下方內疏浚作業，將碼頭下方的泥沙排放到儲泥槽中。本文對傳統施工工藝小型船機（絞吸型）疏浚和創新的耙斗疏浚船（挖掘型）疏浚進行介紹，并在施工效率及安全性上進行對比分析。

3.1 小型船機施工工藝

1）母船定位

在滿足小型船機生產條件時，定位船先行定位到指定的區域，定位母船船首拋2個交叉錨，內錨由碼頭系纜攏岸作業，錨位上系自亮浮燈警示標志保證其他船舶航行安全。船尾拋交叉錨，內錨由碼頭系纜樁攏岸作業，錨位上系自亮浮燈警示標志[4]。母船離開碼頭前沿10 m左右，定位完成并把小型船機放入水中，最后定位小型船機。

2）小型船機定位

操作人員把其中2個卷揚機上的鋼絲繩系在母船，用小船把另外2個卷揚機的鋼絲繩固定在橋墩上。操作人員穿戴安全帽和救生衣下到小型船機控制室，操控卷揚機到指定的區域。放下吸泥泵進行施工。

3）小型船機清淤施工

工作時小型船機進到碼頭下方，利用船下方的2個絞刀擾動沙土，然后用吸泥泵吸泥并將泥漿噴至事先開挖好的儲泥槽內，施工示意圖如圖1所示，機械達不到的地方或者遇到障礙物則由人工進行處理。

圖1 小型船機施工示意圖Fig.1 Construction diagram of small boat machine

3.2 耙斗疏浚船施工工藝

3.2.1 耙斗設計

針對碼頭下方清淤的工況條件，設計出一套水下削坡專用耙泥斗，專門用于碼頭底部削坡清淤的施工作業。其需要與疏浚船共同使用，簡稱耙斗疏浚船，見圖2。其主要裝備有：

圖2 耙斗疏浚船俯視圖Fig.2 Top view of harrow dredging vessel

1）耙斗。耙斗寬度為1.3 m，長度為4.5 m，在鋼絲繩牽引力的作用下挖進泥層，下部焊接的耙齒為耙斗提供了較好的破土能力，見圖3。

圖3 水下削坡專用耙斗圖Fig.3 Mud rake bucket for underwater slope cutting

2）沉塊。沉塊的重量為10 t，基本作用為穩定上部的葫蘆片，使挖泥絞纜機的鋼絲繩通過葫蘆片改變鋼絲移動方向，牽引耙斗挖泥。

3）送斗絞纜機。在碼頭下方的鋼樁上固定一個葫蘆片，送斗絞纜機運轉時，通過葫蘆片的轉向作用，耙斗鋼絲繩在牽引力作用下，由碼頭外開始向斜上方移動，最終移至目標挖泥點。

4）倒泥絞纜機。當耙斗裝滿泥沙并移至碼頭外側的儲泥槽時，倒泥絞纜機開始運轉，使得耙斗向下翻轉，泥沙傾瀉而下。

5）沉塊絞纜機。挖掘型疏浚船定位到指定碼頭下方位置時，沉塊絞纜機開始運轉，使得沉塊緩緩下放至泥層表面，為上部的葫蘆片提供穩定的基礎。

6）挖泥絞纜機。當耙斗由送斗絞纜機牽引至目標位置時，挖泥絞纜機開始運轉，由于挖泥絞纜機的鋼絲繩需要經過沉塊位置的葫蘆片，耙斗收到斜下方的牽引力挖進泥面，在鋼絲繩的作用下移動至碼頭外側，完成挖泥工作[5]，見圖4。

圖4 鋼絲繩絞纜機Fig.4 Wire rope warping machine

3.2.2 施工工藝

耙斗疏浚船一般可以采用長度在40～50 m的小型駁船，凈噸位在80 t以內，改裝后吃水應在3 m以內，施工展布作業面小，工作靈活不需拋錨[6]，在施工船移動至對應碼頭前沿后，啟動沉塊絞纜機，直至沉塊下放至底部泥面層。施工人員乘小艇進入碼頭下方，在最里面的鋼樁上固定葫蘆片（約30 min），并把葫蘆片與送斗（挖泥）絞纜機的鋼絲繩安裝好。

準備工作完成后，啟動送斗絞纜機，耙斗在鋼絲牽引力的作用下向碼頭下方斜上方移動，直至移動至目標位置。啟動挖泥絞纜機，由于沉塊上部的葫蘆片改變鋼絲繩的移動方向，耙斗受到下部和外部方向的鋼絲繩牽引力作用，深深嵌入泥層并向碼頭外移動，將泥沙裝滿耙斗。待移動至外側的儲泥槽位置后，啟動倒泥絞纜機，耙斗向下傾斜，將泥沙倒進槽中。之后再次啟動送斗絞纜機將耙斗牽引至碼頭下方，重復上述步驟繼續疏浚。待該碼頭下方挖泥結束后，施工人員乘小艇進入碼頭下方拆卸葫蘆片并安裝至下一碼頭下方，送斗絞纜機、沉塊絞纜機運轉將耙斗、沉塊提升出泥層一定距離，當施工船移動至下一碼頭下方后，再次下放沉塊，固定碼頭下方葫蘆片并安裝鋼絲繩，完成準備工作后繼續疏浚施工。

耙頭挖掘型疏浚船疏浚作業時，一次挖掘泥層厚度為2 m，一次挖掘水平距離為6 m，將疏浚泥層挖成階梯形，待泥層自然坍塌后形成坡比為1∶3的斜坡。

3.2.3 安全措施

耙斗疏浚船在施工中除了要遵循一般的水上施工作業安全注意事項外，還需要注意2個安全保護。

1）注意碼頭樁基的保護。碼頭下方施工時需要嚴格控制各船機施工進度，并采取嚴格分層的方法施工（暫定分層厚度2 m），使各樁基之間水深均勻增深，保證碼頭樁基兩側泥面不產生較大高差，泥層側壓力不至于對樁基產生破壞，從而保證樁基的穩定性，使碼頭下方施工平穩有序推進。施工示意圖見圖5。

圖5 保護樁基分層施工示意圖Fig.5 Layered construction of protective pile foundation

2）由于可能會有多艘小型船舶參與施工，各施工船舶一定要做好彼此之間的協調與避讓工作，水上設施均需懸掛信號標志或有關的警戒措施，尤其是夜間必須配設明顯的燈光顯示。

3.3 2種施工工藝對比

耙斗疏浚船較小型船機組有以下優點：

1）由于直接使用耙頭水下疏浚，不需要小型船機進入碼頭下方，施工船每日受潮水影響無法作業的時間縮短至4 h，時間利用率顯著提升。

2）小型船機組施工時，由發動機吸上來的泥漿直接通過漂浮在水面的排泥口排出，泥漿與水充分接觸導致泥漿被稀釋，在抓斗船作業區域里造成回淤，削弱了儲泥槽的作用；而采用耙頭挖掘淤泥時，碼頭下方的淤泥被專用耙頭直接鏟至固定的儲泥槽中，極大地減少了泥漿的擴散[7-8]。

3）耙頭挖掘型疏浚船不需要多艘小型船機（單艘小型船機操控臺需3名操作工）進入碼頭下方疏浚，僅需要駕駛臺內2名操作工操控即可完成挖泥作業，從成本上極大地節約了人工費，并消除了工人進入碼頭下方作業因海水漲潮來不及撤離的安全隱患。

4）當疏浚區域存在部分石塊時，小型船機受設備局限，無法將石塊絞碎清除，會形成難以清除的淺點。耙頭疏浚型挖泥船則可以通過耙頭將石塊移送進儲泥槽，清除障礙物。

5）小型船機組在疏浚作業時，需要母船拋錨定位，而處在同一水域的抓斗船施工時也需要拋錨定位，兩者錨纜相互干擾，增加了安全隱患并使施工排布受限。耙頭挖掘型疏浚船作業時不需要拋錨，避免了與抓斗船的錨纜沖突，提高了安全系數，并增加了施工水域的有效作業面。

6）由于碼頭下方內部空間局限，碼頭下方兩側鋼樁間的淤泥難以清除，在碼頭下方底部淤泥清除后，碼頭下方兩側及放坡處極易出現坍塌造成回淤，耙斗疏浚船可以完美解決該問題。

4 工程應用情況

洋山四期工程碼頭下方清淤施工原計劃投入2艘定位輔助船及7艘小型船機，在施工過程中，現場進度無法滿足工期要求，后續應用了耙斗疏浚船加入施工，最終按期完成了工程。

根據2種疏浚工藝的施工數據對比，單艘小型船機效率24 m3/h，小型船機組（含3艘小型船機）的效率為72 m3/h，耙斗疏浚船約為53.26 m3/h，具體數據見表1。

表1 耙斗疏浚船與小型船機施工效率對比表Table 1 Comparison of construction efficiency between harrow dredge ship and small ship machine

不難看出1艘耙斗疏浚船的施工能力要高于2艘小型船機的施工能力之和，但比小型船機組（含3艘小型船機）的效率要低26%左右。但是考慮時間利用率、安全性、成本的降低等因素，依然是耙斗疏浚船綜合施工能力較高。

5 結語

我國海岸線綿長，高樁碼頭的應用也較為廣泛，但是碼頭在使用期間，由于樁群會對水流產生阻礙作用，容易造成比較嚴重的淤積，這種淤積除了使碼頭前沿水深變淺，影響船舶正常的進出港，而且會對樁基產生側向壓力，影響其使用壽命和結構安全。但碼頭下方清淤一直是個施工效率較低且安全隱患較大的特殊疏浚項目。應用耙斗疏浚船進行該施工，能有效提高時間利用率，消除大部分的人員安全隱患，降低施工成本，值得推廣應用。