中長周期波影響下港口水域高強度礁盤疏浚方案比選研究

汪洪祥，林朝霞，李博名

（1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引言

國際工程承包多采用EPC 模式，合同總價固定，EPC 承包商在工程設計、進度控制、質量控制和成本方面承擔著較大的責任和風險，尤其是投標階段獲取的勘察測量資料存在很大不確定性，一旦項目實施階段的勘察測量成果與投標階段存在較大差異，由此帶來的成本增加須由EPC 承包商承擔。此外，目前中資企業的大部分海外市場集中在經濟基礎和技術力量相對薄弱的國家，專業的施工設備匱乏，調遣費用高、周期長，更放大了勘察測量偏差導致的成本增加效應。本文結合巴基斯坦某電廠配套碼頭項目巖礁疏浚始末，淺談海外總承包項目中勘察測量偏差的應對措施，并為類似中長周期波影響水域的小范圍硬質巖礁疏浚提供借鑒。

1 項目背景

本項目位于巴基斯坦Baluchistan 省Hub 河河口地區，為專用煤炭進口碼頭，停靠10 000 t 駁船，碼頭的年煤炭進口量440 萬t。建設內容主要包括引堤、引橋、碼頭、防波堤及配套的輸煤工藝設備和公用工程設施。其中碼頭平臺長265 m，寬28 m；引橋長507 m，寬12.5 m；引堤長488 m，路面寬12.5 m；防波堤長727 m。總工期27 個月。EPC 投標階段，據業主提供的1:5 000 工可深度測圖，結合水文、波浪、地質等條件，考慮在不進行額外疏浚的前提下，將進港航道、回旋水域及碼頭平臺布置于-6.8 m 等深線外，滿足10 000 t 駁船的航行及靠泊要求。據此平面布置方案，完成全部模型試驗工作作為設計基礎，并已經獲得業主工程師的批準。

項目進入實施階段后，立即開展1:500 施工圖深度詳細測量。測量成果揭示進港航道、回旋水域各存在一處較大的巖礁分布區，如圖1。航道處巖礁分布區長約370 m，寬約80 m，最淺處海床標高為-3.80 m，回旋水域處巖礁分布區長約100 m，寬約80 m，最淺處海床標高為-5.40 m。為確認巖礁巖性，委托勘察測量單位對巖礁進行鉆孔取樣工作，取樣結果揭示巖礁主要成分為中風化砂泥巖。砂泥巖完整性好，巖石質量指標RQD 達35%，強度高；其中，進港航道口門巖礁分布區巖樣抗壓強度大于100 MPa，回旋水域巖礁分布區巖樣抗壓強度大于25 MPa。經計算，巖礁總疏浚量約為9 000 m3，面積約40 000 m2。

圖1 巖礁分布范圍示意圖Fig.1 Schematic diagram of reef distribution

此時正值非季風施工關鍵期，如調整總平面布置避開巖礁，將導致作為設計輸入條件的模型試驗成果及已接近完成的施工圖設計工作推倒重來，進而造成6 個月以上的工期延誤及約4 000萬美元的高額罰款，項目進度目標及盈利目標無法完成。因此，項目團隊決策維持原總平面布置方案不變，按原定計劃推進主體工程的施工，同步開展巖礁疏浚的前期準備工作，并根據主體工程實施的進度要求，反推巖礁疏浚進度節點，避免工期延誤。

2 疏浚難點分析

2.1 水下爆破受限

本項目位于巴基斯坦Baluchistan 省，恐怖襲擊猖獗，安全形勢嚴峻，地方政府嚴禁使用炸藥，硬質巖礁疏浚常采用的水下爆破法不可行。

2.2 季風期海況惡劣

疏浚區域直面阿拉伯海，長周期涌浪海況特征明顯，對施工船錨泊穩定性要求高。外海波浪實測揭示有效波高（Hs）平均值為3.13 m，有效波高最大值為5.38 m，周期平均值為9.61 s，周期最大值為12.7 s。依據國家海洋局提供的該區域2006—2015 年波浪預報數據，對分級波高每月累積頻率和分級周期每月累積頻率進行分析。受限于作業波高及波浪周期，疏浚船舶可作業時間僅為每年10 月至第二年4 月的非季風期。

2.3 疏浚設備匱乏、依托條件差

巴基斯坦當地幾乎沒有專業的疏浚設備和施工隊伍，巖礁疏浚所需的船機設備及人員需由國內或鄰近國家調遣，周期長、費用高。

2.4 巖礁分布差異性大

取樣結果揭示航道口門區域巖礁強度高達100 MPa，屬15 級稍強巖石類[1]，破碎難度大，且疏浚厚度超過4 m；回旋水域巖礁強度約30 MPa，屬14 級弱巖石類[1]，可挖性稍好，疏浚厚度約為0.1～1.5 m，零星分布于約30 000 m2的廣闊區域。疏浚總量小、巖礁強度高、分布廣，均不同程度限制了疏浚設備的選擇。

3 疏浚方案比選

結合可獲取資源，從技術和經濟角度對采用絞吸船、抓斗船、鑿巖棒、反鏟挖泥船等設備的疏浚方案進行比選[2-9]。考慮疏浚量只有約9 000 m3，采用單一疏浚工藝，不考慮多種工藝結合的方案。

3.1 絞吸船疏浚方案

項目附近巴基斯坦Qasim 港某航道局屬絞吸船可供調遣，但該船的最大挖巖強度不超過30 MPa；進一步研究國內外工程實例，應用絞吸船可挖巖礁的最高單軸抗壓強度約為60～70 MPa，不能滿足航道區域100 MPa 硬質巖礁的疏浚需求，采用絞吸船方案技術上不可行。

3.2 重型抓斗挖泥船疏浚方案

香港某公司一艘用于外海沉船打撈工作的500 t 抓斗挖泥船可供調遣，該挖泥船總噸位為8 246 t，抓斗尺寸為5 m×7 m，水下沖擊能力強，斗齒可穿透5 cm 厚的鋼板，每次抓深1 m，通過分層多次開挖，可滿足航道區域厚4 m 且強度達100 MPa 硬質巖礁的疏浚需求，且船體特征可滿足非季風期在本工程海域完成疏浚作業的錨泊穩定性要求，技術可行性較高。但對于疏浚厚度約0.1～1.5 m，零星分布于回旋水域的淺點，疏浚超深過大，經濟性較差。

由進一步詢價得知，該挖泥船調遣費用約為350 萬美元，抓斗船、拖輪、自航泥駁的日租金約6 萬美元，施工期總租金約720 萬美元；總費用約1 070 萬美元，不具有經濟可行性。

3.3 鑿巖棒水下碎巖疏浚方案

國內有多家公司可提供鑿巖系統挖泥船供調遣，由挖泥船配泥駁進行碎巖和清礁，配置簡便。對于疏浚厚度約0.1～1.5 m，零星分布于回旋水域的淺點適應性較好，但對于航道區域厚4 m 且強度達100 MPa 硬質巖礁的疏浚，碎巖難度大、效率低。

鑿巖棒水下碎巖疏浚方案的調遣費用約400萬美元，抓斗船、拖輪、自航泥駁的日租金約5萬美元，施工期總租金約600 萬美元；總費用達到1 000 萬美元，不具有經濟可行性。

3.4 反鏟式挖泥船疏浚方案

經調研，提出一種采用簡易自造反鏟式挖泥船配備高頻破碎錘的優化方案，進行技術及經濟可行性論證，最終選取該方案作為實施方案。

3.4.1 錨泊穩定性

走訪多家具有反鏟式挖泥船設計、建造業績和經驗的造船廠了解到，適當加大船體尺度、配備定位方樁及大抓力錨等措施可解決挖機船在水下碎巖作業條件下的錨泊穩定性問題。

3.4.2 疏浚能力

陸上碎巖，通常采用中小型挖掘機配備破碎錘形成破碎單元，能有效破解堅硬的巖礁，多用于石料開采、鋼筋混凝土構筑物的拆除等；破碎錘的定制、挖掘機的改裝技術非常成熟，應用非常廣泛。受此啟發，考慮挖機配置破碎錘，以滿足100 MPa 硬質巖礁的疏浚需求。

3.4.3 經濟可行性

廣東省某船廠水上工程施工經驗豐富，并且有拋泥船和輔助船舶在項目附近可隨時調遣進場。方案計劃在項目現場制造一艘簡易方駁，所需設備材料均由中國進口海運到場，船舶建造和設備配置費用總計約150 萬美元；錨艇、自航泥駁的日租金約0.3 萬美元，施工期總租金約54 萬美元；人員調遣、人工工資和燃料費用總計約100萬美元，預計成本約304 萬美元，此方案經濟性優勢突出。

4 疏浚方案實施及效果

4.1 疏浚方駁設計和制造

為滿足反鏟設備的施工需求，新建1 艘簡易鋼質方駁。方駁長35 m，寬12 m，型深2.6 m。方駁上配備3 根邊長1 m 的定位方樁、4 臺錨機及4 口3 t 的大抓力錨，可確保中長周期波影響下碎巖作業時的錨泊穩定性。方駁自2017 年8 月開始建造，至2017 年11 月建造完成，總計歷時約100 d，建造消耗鋼材約700 t。

4.2 疏浚設備采購、安裝及調試

巖礁破碎及清礁作業設備采用日立870 反鏟式挖掘機，配備18 m 加長臂，見圖2。額定鏟斗挖掘力為472 kN，斗桿挖掘力為394 kN，鏟斗容量4 m3，定制液壓抓斗容量2 m3，最大設計挖深8 m。為增強適應性，破碎系統采用2 套設備，互為備用：1） 定制 WS-D10 型高頻破碎錘；2）DKO-165 破碎錘配備2 m3/min 空壓機，可進行水下破碎作業。

圖2 簡易疏浚方駁Fig.2 Simple dredging barge

泥駁租用當地2 艘倉容120 m3的開體泥駁，并配備1 艘錨艇。

4.3 施工方案及實施效果

對巖礁厚度大于1 m 的區域，采用分層破碎、逐層清除的施工方案。液壓振動破碎錘破碎點間距控制在0.3 m 以內，根據破碎錘錘頭尺度，每次破碎深度約0.6 m。為了避免出現遺漏的淺點，超挖深度按照0.4 m 控制。完成指定區域網格內巖礁的破碎工作后，換裝鏟斗，進行清礁作業。疏浚鏟斗作業點間距控制在1 m 以內。巖礁碎屑卸至緊靠在方駁側舷的拋泥船內，待所有破碎區疏浚完成后，進行海床地形復測。如復測結果不滿足設計，進行二次破碎及清礁[10]。

依據地質情況及施工進度需求，劃分為航道區、碼頭前沿區和回旋水域區等3 個區域，施工工效等見表1。

表1 疏浚方案及工效一覽表Table 1 List of dredging scheme and work efficiency

本疏浚作業自 2017 年 12 月 10 日起，至2018 年5 月4 日完成，扣除設備故障、天氣影響等非作業工況42 d，總有效作業天數為103 d，綜合疏浚效率為150 m3/d。浚后測量揭示反鏟式挖泥船平均疏浚超深0.4 m，超寬1 m，疏浚區域未發現淺點。2018 年 5 月 8 日，30 000 DWT 級卸船機運輸專用船乘潮進港靠泊，5 月12 日完成卸船機滾裝上岸作業并安全離港，證明疏浚方案實施效果良好，滿足工程進度和質量要求[11]。實際綜合疏浚費用僅310 萬美元。

5 結語

加裝了定位樁的反鏟式挖泥船船體小巧，可在相對受限的水域內靈活作業，配置的大功率破碎錘及挖斗能有效清除強度高達100 MPa 的巖礁，可為類似中長周期波影響水域的小范圍硬質巖礁疏浚提供參考和借鑒。該設備的應用不僅規避了海外工程專業施工設備匱乏，調遣費用高、周期長的問題，有效控制了勘察測量偏差導致的成本增加，而且保證了整個項目的進度目標和盈利目標的實現。