高樁碼頭受限空間疏浚工藝

劉聰聰，劉 衛，鄒 豐，林富豪

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040；5.中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮江 212004)

高樁碼頭具有對水流波浪影響小、軟土地基適用強等特點，是目前應用最為廣泛的碼頭結構形式之一，主要由樁基及上部結構組成[1-2]。高樁碼頭施工，傳統工藝為先完成岸坡疏浚挖泥，后沉樁作業，最后進行樁帽、梁板、面層等上部結構施工，整體形成流水作業[3]。而對于體量大、工序繁多的工程，流水作業施工在一定程度上制約了工效最大化。若同時考慮縮短工期、降低成本并保障質量等因素，須優化施工工序，例如將岸坡疏浚工序置于樁基及上部結構等其他工序之后，岸坡疏浚形成受限空間內施工。此外，高樁碼頭疏浚施工的質量保障措施尤為重要。在一些工程中高樁碼頭下方易產生泥沙回淤，對樁基、岸坡穩定性均可能產生不良影響[4-5]；張振超等[6]通過數值計算表明樁間土回淤深度達3 m時可能對樁基產生結構裂縫。這些文獻均說明樁間土疏浚必要性強，但施工難度大，對施工組織、疏浚設備及技術要求高[7]。

本文以某碼頭工程為研究對象，改進施工工藝，優化施工組織，采用先沉樁后疏浚工藝進行網格化平行施工，利用小型挖機、改裝絞吸船及水下智能清淤裝備組合疏浚，通過受限空間疏浚算量及生成水下地形圖方法快速評估樁間土疏浚狀態，采用二維潮流泥沙數學模型分析拋泥回淤程度。

1 工程概況

某碼頭工程處于半環抱式港池內，波浪、流速較小，潮汐為規則半日潮，屬大潮差水域，平均潮差、最大潮差分別為3.5、7.1 m。樁基至擋土墻區域為原海堤所在位置，拆除原海堤過程中地基留有護坦塊石、碎石、土工布等雜物，因此工程區域需疏浚的地質包含淤泥、沖填土、粉土、鐵板砂、塊石及其他雜物，水下地質條件復雜。以當地理論最低潮位作為高程、潮位、設計水位起算基準面(85國家高程基準面-當地理論最低潮面=3.23 m)，碼頭前沿原泥面高程約為-2.0 m，碼頭前沿設計高程為-14.8 m，與擋土墻接岸處高程為2.8 m，開挖深度大。

碼頭總長812 m、寬度為66 m，總體為高樁梁板結構。分為10個結構段，由西至東1～5、5～10結構段分別為B、A泊位。主體結構分為前平臺、后平臺，后平臺采用現澆橫梁、預制面板及現澆面層形式，排架中心間距6 m，樁基采用φ800 mm PHC管樁；前平臺采用現澆樁帽、預制梁板、現澆節點及面層形式，排架中心間距為12 m，樁基采用直徑1 200 mm鋼管樁，見圖1。

圖1 碼頭主體結構

考慮項目工期緊、任務重，改進岸坡挖泥、新建護岸傳統工藝，進行先沉樁后疏浚，而樁間土疏浚施工存在作業空間受限、挖泥深度大、水下地質條件復雜等特點，導致傳統絞吸船、長臂挖機無法直接進行疏浚[8]，施工難度大。

2 施工工藝

2.1 工藝改進

高樁碼頭傳統施工工藝首先進行岸坡挖泥，待疏浚挖泥完成后進行水下沉樁，后依次開展樁帽現澆、預制縱橫梁安裝、節點現澆、預制面板安裝、碼頭面層現澆施工。本研究改進傳統施工工藝，在進行初步岸坡挖泥后開展樁基施工，隨后開展上部結構多項工序同時施工，并針對各個施工階段采用不同疏浚設備完成樁間土疏浚，加快整體施工進度。

結合研究對象實際情況，某碼頭沉樁順序從西側B泊位至東側A泊位，沉樁完成的區域即可開展樁帽、預制梁板等上部結構施工，未沉樁區域仍可使用大型絞吸船進行水下開挖。待2個泊位沉樁全部結束后，西側B泊位前后平臺上部結構部分區域已施工，由此可針對上部結構全部完成、部分完成(頂部預制面板未安裝)以及僅樁基施工完成的區域采用不同方式進行樁間土疏浚。

2.2 作業環境及疏浚設備

碼頭結構施工工藝改進后，受限空間內樁間土疏浚施工難度大。后平臺樁基橫向最小凈間距為4.0 m、縱向最小凈間距為5.2 m，前平臺相鄰樁帽橫向最小凈間距為5.5 m、縱向最小凈間距為5.2 m。預制梁板安裝后，頂部被遮蔽，高潮位可淹沒前平臺預制梁0.2～0.6 m，樁間土疏浚作業空間受限。另外根據設計要求，疏浚應超深0.4 m，則在樁基施工完成的條件下，樁間土水下挖泥深度普遍為6 m以上，最大達12 m，總體挖泥深度大。

為解決樁間土疏浚問題，采用小型挖機、改造絞吸船及自主研發的水下智能清淤裝備組合施工。小型挖機為徐工XE60D履帶式反鏟挖掘機，基本尺寸為5.86 m×1.92 m×2.58 m(長×寬×高)，最大挖掘深度3.83 m，待低潮位時可在后平臺接岸處挖泥理坡，基本適宜該區域粉砂、黏土、沖填土等土質，可滿足疏浚要求。改造絞吸船由浮排、絞吸泵組裝而成，吸砂泵流量2 300 m3/h，單艘浮排尺寸6 m×4 m×1.8 m(長×寬×高)，抵抗風、浪、潮流條件較差，但對受限空間適應性較強，可自由組裝2～5艘浮排；小型絞吸船尺寸為28 m×5 m×1.8 m，只在碼頭排架間前后移動，對風、浪、潮流條件適應性較強。組裝絞吸船可在碼頭下方進行水下疏浚，主要適宜粉砂、黏土等，對部分鐵板砂等硬質土層疏浚效率低。小型挖機及絞吸船疏浚平均超深達0.4 m。水下智能清淤裝備總長4.5 m、總寬3.45 m、總高3.7 m，主要針對硬質土層輔助疏浚。該裝備前端安裝有可回轉180°的工作臂，針對不同土層可靈活更換鏟斗、絞吸泵、貝克抓斗、梅花抓斗等工具，后端安裝有供設備航行的螺旋推進器，兩側有4個可自動折疊的用于維持機器人姿態穩定的平衡槳，附有水下平衡系統、報警系統、攝像監測等軟件系統。清淤裝備最大下潛深度25 m，絞吸泵設計流量500 m3/h，輸泥管道設計長度120 m，見圖2。

圖2 水下智能清淤裝備

2.3 樁間土受限空間疏浚

具體疏浚施工區分B、A泊位，B泊位進行上部結構施工的同時，A泊位先進行樁間土疏浚。擋土墻至后平臺第2排PHC管樁區域使用6輛徐工XE60D挖機進行疏浚理坡，疏浚量約4.02萬m3；其他區域使用8艘浮排船裝載吸砂泵的組裝絞吸船及4艘常用小型絞吸船進行疏浚，疏浚量約18.30萬m3。考慮港池大潮差影響，小型挖機在低潮位(小于2.8 m)時施工，絞吸船施工潮位包括預制梁板安裝前后兩種情況，預制梁板安裝前施工潮位小于樁帽頂高程5.75 m，梁板安裝后受頂部高程影響，施工潮位小于3.55 m。

由于水下地質條件復雜，且絞吸船疏浚后未能形成良好的坡面，采用水下智能清淤裝備輔助疏浚。其裝備利用自身的推進器和排水功能進行下潛、上浮及保持平衡狀態，接收水下各種傳感器的數據，如水深、溫度、油壓、影像、姿態、航向等，并發送給上位機顯示系統，通過地面遠程操控完成水下施工任務。

水下樁間土由不同設備開挖后，將泥土直接輸送到港池指定的區域內，后由大型疏浚船在港池疏浚的同時定期對拋泥區清淤。

2.4 實施效果及質量保障措施

2.4.1實施效果

樁間土施工受潮差影響較大，有效作業時間受限。據現場統計，單日最大疏浚量達3 100 m3，平均日疏浚量2 024 m3。而由于工藝改進，現場網格化平行施工，2個10萬噸級泊位碼頭主體結構提前兩個月完工，縮短了總體工期，節省了施工成本。

2.4.2受限空間疏浚與拋泥評估

受上部結構遮蔽，樁間土疏浚施工較難確定具體區域的超挖、欠挖狀態。此外，向港池布置輸泥管道直接影響疏浚效率，輸泥管道布置過長則影響其他施工船舶作業，也增加絞吸船的準備時間；輸泥管道布置過短則容易產生泥沙回淤[9]。為此提出受限空間疏浚與拋泥評估方法，科學精準指導樁間土疏浚施工，保障疏浚施工質量。

1)疏浚狀態快速評估。疏浚量快速評估主要包括編制斷面法[10]Fortran程序快速計算疏浚量，進行網格劃分與高程插值階段性生成水下地形圖。具體以碼頭寬度方向為疏浚斷面，碼頭長度方向間隔6 m均勻劃分多個斷面，并在碼頭面層、橫梁頂部等上部結構處做標識。預制面板安裝后，人工記錄測點高程及其與樁基的相對位置。由此計算期間總疏浚量為22.32萬m3以及單次疏浚總量。

圖3展示了某單次疏浚量水下地形。由圖3可知，此次疏浚后斷面S5～S7碼頭前沿部分區域超挖0.2 m以內；靠岸側水下樁間土較碼頭前沿開挖難度更大，單次疏浚量小，后續所需疏浚厚度大，為2.2～2.6 m；臨近擋土墻的前兩排PHC管樁附近可使用挖機施工，所需疏浚厚度為0.6 m以內。各斷面比較，S3～S4受上次疏浚作用，后續所需疏浚厚度較小；而S6～S7斷面土層地質疏浚難度大，改用鉸刀工具進行破土。

圖3 單次樁間土疏浚狀況

2)疏浚拋泥評估。基于水動力控制方程、泥沙運動方程、床面變形方程，構建二維潮流泥沙數學模型[11]。模型以港池口門潮位為邊界條件，圍堰及海岸設為固定邊界。港池區域網格尺寸最大100 m2，碼頭及拋泥區域局部加密，網格尺寸最大5 m2，時間步長2 s，總模擬時長為7 d。模型驗證依據現場實測數據，預制梁板未安裝情況下，拋泥點距離碼頭前沿線約25 m，輸泥管口流量1.5 m3/s，濃度為80 kg/m3。對比拋泥回淤模擬結果與實測結果可知，拋泥回淤厚度模擬值與實測值最大相差0.05 m，表明模型能夠較為準確地反映拋泥回淤深度和范圍的規律。

結合現場實際情況，擬定4種計算工況，即設置4個位置拋泥，輸泥管流量1.5 m3/s，濃度為90 kg/m3，拋泥點為4個(每次只有1個位置拋泥)，碼頭長度方向以排架標準間距12 m布置，距離碼頭前沿線向海側分別取10、20、30、35 m。

圖3為不同工況下拋泥回淤模擬結果，由圖3可知，拋泥點距離碼頭前沿線10 m工況下，整體淤積影響最大，拋泥點位置最大淤積厚度超過2.0 m，其中碼頭前沿線位置淤積為1.0～1.5 m；拋泥點位于前沿線向海側30 m的工況下，碼頭前沿向岸側4.0 m內回淤最大深度為0.6 m；拋泥點位于碼頭前沿線向海側距離35 m時，碼頭前沿向岸側4.0 m以內回淤深度不超過0.20 m。由此可知，拋泥點距離35 m時回淤深度及范圍均較小，且可通過絞吸船快速清淤解決，因此樁間土疏浚拋泥臨界點擬定為碼頭前線向海側35 m。

圖4 拋泥回淤數值模擬結果

3 結論

1)改進高樁碼頭傳統施工工藝，在岸坡初步挖泥后先進行水上沉樁，其后上部結構施工與樁間土疏浚同時進行。工程實踐結果表明采用該先沉樁后疏浚工藝可行，縮短了整體工期。但改進工藝后形成的受限空間下樁間土疏浚難度大，需根據作業空間、土質、潮位與泥面高程等因素，采用小型挖機、改裝絞吸船及可潛水的水下清淤設備多種組合方式進行疏浚。

2)通過現場標識及斷面法快速計算疏浚量，生成水下地形圖，為受限空間疏浚施工提供精準、直觀的依據；采用二維潮流泥沙數學模型評估拋泥回淤程度，確定了拋泥臨界點，減少了拋泥距離過短或過長而分別產生泥沙回淤、水上作業干擾等問題，以此保障了高樁碼頭樁間土疏浚施工質量。