皮帶式吹砂船在深厚淤泥底質條件下施工技術

莫建波，趙彪，柳夏宸

（1.上海交通建設總承包有限公司，上海 200136；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

隨著沿海吹填造地工程的日漸增多，吹砂船舶的類型越來越多，有泵吸式、絞吸式、耙吸式等等。

在東南亞沿海區域，砂質多為中粗砂，適宜使用皮帶式吹砂船，而且皮帶式吹砂船具有準入門檻低、施工效率高、施工成本低等優點。但是皮帶式吹砂船多用于砂料的倒運及碼頭裝卸施工，并且皮帶式吹砂船不同于絞吸船與耙吸船，自身僅配有船舶AIS 系統，無GPS 定位系統，所以僅靠自身設備無法做到精確定位精準拋砂，從而無法完成砂壩精準吹填和圍區分層拋填。本項目施工區域存在2~9 m 不等的淤泥層，如僅采取直接單向推進的吹填方法，則會引起施工期沉降不一致和淤泥包隆起[1]，一方面不利于工程區域內的地基穩定，另一方面也容易引起周邊水域的地形變化。

為了控制施工成本，在不額外增加輔助船機設備的前提下，僅通過采取優化施工部署，并輔以高精度雷達量方等措施，不僅滿足了工程質量要求，還確保了施工安全。

1 工程概況

馬來西亞新山麗都項目位于馬來西亞柔佛州，緊鄰新加坡的新柔長堤。新柔長堤為不透水式實心堤，將柔佛海峽一分為二，本項目地處新柔長堤西側。工程工期30 個月，施工內容包括吹填砂、護岸、地表排水渠等結構。工程造地面積約66 萬m2，造地高程為+3.0 m，共分4 期實施，總填砂量約1 000 萬m3。施工區域水深5~14 m 不等，滿足皮帶機船吃水深度要求。在綜合考慮當地市場的船舶保有量、施工區域環境影響、成本等因素的基礎上，選定采用皮帶機船進行填砂施工。工程區域分期實施平面布置圖見圖1。

圖1 工程區域分期實施平面布置圖Fig.1 Layout plan for phased implementation of the engineering area

2 主要關鍵點

本項目位于馬來西亞柔佛海峽近柔佛長堤處，距新加坡邊境線僅130 m 左右，屬敏感海區。施工區水深變化大，外側海底坡度大，波浪、潮流作用小，工程區域表層分布有2～9 m 的淤泥層，工程地質性能差，滑移可能性大，極易形成淤泥包；施工區環保要求極為嚴格；人工量方難度大效率低。本工程主要技術關鍵點如下：

1）運輸船舶為“二合一”或“三合一”的皮帶式運輸船，船舶艙底為不規則形體，且二合一船舶裝艙后形成高低不一的砂堆，人工量方精度難以有效界定且效率低，須采用新技術手段解決裝艙量確認的問題。

2）施工區臨近新加坡邊境，屬敏感海區，相鄰境內有漁業養殖要求，環保要求嚴格，須重點關注拋砂吹填施工所產生的環境污染問題，避免糾紛。

3）施工區域內淤泥層厚度分布不均，淤泥承載力差，滑移可能性大，須重點研究施工工藝，避免發生淤泥包、防止滑塌等質量事故。

3 針對性技術研究

3.1 采用三維激光掃描儀檢測船舶裝艙量

皮帶式吹砂船根據裝艙方式主要分為兩種：“三合一”與“二合一”。其中，“三合一”船舶具備自吸功能，裝艙過程中在水流作用下砂體密實度高，基本實現表層的整平；“二合一”船舶不具備自吸功能，由砂源地取砂泵裝艙，砂體為不規則體。此外，皮帶式吹砂船船艙內桿、柱較多，底部皮帶艙門多且為不規則體，造成人工量方困難。“三合一”及“二合一”船舶滿載狀態見圖2。

圖2 “三合一”與“二合一”船舶滿載狀態Fig.2 Full load state of"three-in-one"and"two-in-one"ship

三維激光測量技術是一種全新的遙感技術，可連續、快速地采集目標物表面的三維空間信息[2-4]。該技術具有自動化程度高、受天氣影響小、數據采集周期短、精度高等特點。集成了高精度的激光掃描儀、先進的SLAM 算法，是目前集成度最高、精度最高、最輕巧的室內外背包式激光雷達系統，該技術具有如下優點：

1）測量速度快、使用靈活便捷。設備僅為背包大小，攜帶方便，測量時僅需打開儀器，繞船艙勻速行走一圈即可。每船測量時間僅需3~5 min，相比較人工測量20 min 左右在工效上有了極大的提升，從而提升了砂船的拋填施工時間利用率。

2）點云數據密集，測量精度及分辨率高。每秒可獲取30 萬~70 萬點。結合先進SLAM 算法實現室內外一體化測量，無需GPS 定位即可實現厘米級精度。

3）能全天候工作，受環境影響小。人工夜間量方局限性大，激光掃描儀則不受限制，相比較其他固定式儀器受環境影響小。

在現場配有計算機的情況下，整個處理流程時間不超過10 min，滿足裝艙量數據及時的要求。經過現場實船的多次測量，激光量方的方法可靠、結果準確、測量便捷，適用于本工程的施工量方計量。

3.2 布設2 道防污簾控制水體污染物的擴散

皮帶式吹砂船在施工過程中，底層淤泥在拋填砂的沖力作用下會泛起泥漿，引起表層水體的渾濁，造成一定的水體污染。因此采用布設防污簾的形式阻隔施工區域的水體表層污染物擴散[5-6]。

防污屏結構采用豎向布置方式，即上部為泡沫漂浮體，在浮力作用下露出海面，阻擋海面污染物，漂浮體之間用尼龍繩進行連接；中部為土工布，用以過濾水中污染物；底部為不銹鋼壓載鏈，壓載鏈連接混凝土錨塊，提供重力荷載。防污簾結構形式見圖3。

圖3 防污屏設計圖Fig.3 Design drawing of anti-fouling screen

一是通過漂浮體的浮力與錨鏈繩拉力達到平衡，使得防污屏能有效駐位于工程施工的所需設計位置，同時確保潮汐作用下不會產生較大位移。二是通過壓載鏈的重力拉緊土工布，從而維持防污屏整體結構豎相垂直。

防污屏總長6 000 m，分內外側兩道布置，每道長度3 000 m。內側防污簾設計深度為4 m，外側即新加坡海域一側防污簾設計深度為10 m。2道防污屏具有兩方面的好處，一是保障單道防污屏出現漏洞后尚有另一道進行日常的污染阻擋，確保施工海域的生態環保不受影響。二是不同深度的土工布產生的流體力差異，利于兩側海域的底層水質交換，避免發生水體富氧化。施工時考慮漲落潮因素及海域水深狀況，合理確定了混凝土配重塊與壓載鏈之間的連接繩長度，既能確保漲潮時防污屏移動后與吹填施工的堤頂前沿線之間預留足夠的船舶通道，又能確保落潮時防污屏移動后與國界線之間預留足夠的安全距離。

3.3 研發皮帶式吹砂船精準拋砂壓載施工技術

工程施工區域內有一定厚度的淤泥且厚度為2~9 m 不等，從工程施工成本的角度來講，存在淤泥可減少填砂方量；從工程施工的穩定性來講，存在淤泥對填砂的穩定性有一定的影響。因此如何“變廢為寶”，既減少淤泥的流失，又提高填砂的穩定性成為項目施工的重點。經與設計溝通，采取在外側構筑砂壩集中擠淤，提高吹填砂邊緣的穩定性；在內側均勻分層拋砂，讓砂與淤泥充分混合，提高圍區內砂體穩定性的措施。

3.3.1 皮帶式吹砂船自身的局限性

目前國內外采用帶式輸送吹砂船分層吹填的案例極少，主要原因在于皮帶式吹砂船自身僅配船舶AIS 系統，無GPS 定位系統，所以僅靠自身設備無法做到精確定位，精準拋砂，從而無法確定整體施工流程，完成砂壩吹填和圍區分層拋填，因此在施工工序安排和吹填質量控制方面增加了難度。

3.3.2 優化皮帶式吹砂船施工方式

1）在外側集中加載構筑砂壩

在施工區域的邊緣利用皮帶式吹砂船筑建砂壩，形成砂壩圍區。皮帶式吹砂船駛抵施工點后減速待定，人工手持GPS 在船頭進行定位，測算吹砂船的皮帶機機頭的準確方位，將皮帶機機頭對準擬拋填的區域后，開動吹砂船的主機進行定點拋填施工，單次加載深度為16 m 以上，以充分擠走砂壩圍區內的底層淤泥，增加砂壩體底部的摩擦力，直至砂體出水達到設計標高后吹砂船移位至下一施工點，直到砂壩構筑完成；再向砂壩圍區內填砂以提高砂壩體的側向穩定性，同時又能形成相對封閉的施工區域，從而減少砂壩圍區內回填砂時的流失量。現場施工見圖4。

圖4 施工現場外側砂壩施工Fig.4 Construction of sand dam outside the construction site

2）在圍區內均勻加載拋砂

根據皮帶式吹砂船的裝載量，研究制定拋砂施工網格[7-8]。將圍區劃分成50 m×50 m 田字格，測量人員在田字格的4 個角點拋設浮標，施工人員指揮吹砂船進點后在田字格內均勻擺動皮帶機進行拋砂。現場吹砂船舶多為4 000～5 000 m3左右的皮帶機船，單次拋砂厚度約為2 m。

利用帶式輸送吹砂船艏部兩口錨進行定位，在進入吹填網格150 m 左右拋下雙錨，船舶緩行放下錨鏈，行至吹填網格時放下止鏈器，鎖緊錨鏈；此時吹砂船主機不停，利用動力與錨鏈拉力形成平衡使船舶達到精確駐位。再定位至吹填方塊底邊線時開始吹填，施工過程中，利用船舵調整船舶方向，由方格一邊向另一邊勻速擺動，當船艙內砂量卸掉1/3 時，即完成網格內的第1 條弧形區拋砂施工；此時再抬起止鏈器，放下錨鏈15 m 后放下止鏈器，在船舶動力作用下帶式輸送吹砂船緩慢向前行駛15 m 左右，繼續采用左右勻速擺動，當船艙內砂量卸掉2/3 時，即完成網格內的第2 條弧形區拋砂施工；以此往復，完成網格內的第3 條弧形區拋砂施工，從而完成50 m×50 m 吹填網格內的均勻加載拋砂。

3.3.3 優化后皮帶式吹砂船吹填成陸方式的特點

1）施工區域的邊緣構筑砂壩集中擠淤，在砂壩圍區內填砂后提高砂壩體的側向穩定性，同時又能形成相對封閉的施工區域，從而減少砂壩圍區內回填砂時的流失量。

2）在砂壩圍區內均勻分層拋砂，讓砂與淤泥充分混合，即避免了淤泥的集中隆起導致局部地基承載力較差，又提高砂壩圍區內砂體的穩定性。

3）不需要額外增加船機設備投入，僅通過皮帶式吹砂船自身的擺動，確保了成陸區內均勻壓載，解決了施工區域內淤泥層深厚不均的問題，同時避免出現淤泥包、滑塌等質量事故的發生，不僅滿足了工程質量要求，還確保了施工安全。

4 結語

通過采用三維激光雷達技術，解決了船舶量方精度問題；通過在施工區域外側布設2 道防污屏，解決了緊鄰國境線的環保施工問題；通過研究船舶自身機械設備條件，在不額外增加船機設備投入，僅通過皮帶式吹砂船的自身擺動，實現了分層拋砂的精度問題，形成了一整套適宜于皮帶式吹砂船直接拋填的施工技術，為后續類似工程施工提供了經驗借鑒。