復雜地質下疏浚施工工藝比選及經濟性分析

劉 碩，孫文若，孫 睿

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220；2.秦皇島市公路建設發展中心，河北秦皇島 066000）

引言

21 世紀以來，疏浚行業發展迅速，疏浚船舶呈現大型化和專業化發展，施工工藝日趨成熟。在復雜工程地質條件下，選擇合適的施工工藝對于疏浚工程施工的質量、進度及經濟性影響巨大。本文以茂名港某碼頭疏浚工程為例，結合其實測勘察地質資料，綜合考慮各疏浚工藝的優缺點，對比選取最合適的疏浚施工工藝，為類似復雜地質條件下的工程確定技術可行、經濟合理的施工工藝提供參考依據。

1 工程概況

本工程位于茂名港博賀港區內，本工程的疏浚主要包括港池疏浚及基槽疏浚。由地質勘查資料可知，本工程疏浚區域上層土方以黏性土類及砂土類為主，下層土類以強風化花崗片麻巖為主并含有少量的中風化花崗片麻巖和微風化花崗片麻巖。本工程的地質剖面如圖1 所示，土方分類如表1 所示。

表1 各巖土層疏浚巖土分級

圖1 工程地質剖面

2 施工工藝分析[1]

根據測量和鉆探結果，本項目疏浚水域地質條件復雜，港池與基槽區域各類型巖面分布不規律，清巖疏浚量對工程施工質量、工期、造價影響極大。因此，本工程疏浚不能單獨考慮港池疏浚或者基槽疏浚，需針對實際巖層分布，選取相適應的船型，來確定最適合本工程疏浚的施工工藝。

2.1 港池疏浚施工工藝分析

由地質勘查資料可知，本工程港池上層土方以黏性土類及砂土類為主，下層土類以強風化花崗片麻巖為主，并含有少量的中風化花崗片麻巖和微風化花崗片麻巖。結合土類特點及各類型挖泥船的施工特點。港池疏浚擬采用自航式耙吸挖泥船與絞吸式挖泥船相配合的方案。即上層2、3、4、5、6 類土擬采用倉容為8 000 m3的自航耙吸式挖泥船開挖，所挖土方運至拋泥區外拋。下層強風化花崗片麻巖及中風化花崗巖擬采用大型絞吸式挖泥船進行施工，所挖土方吹填上岸。對于微風化花崗片麻巖，采用鉆孔炸巖、抓斗挖泥船清渣的方式進行處理。

1）自航式耙吸挖泥船施工分析

本工程2、3、4、5、6 類土擬采用倉容為8 000 m3的自航耙吸式挖泥船開挖，所挖土方運至拋泥區外拋。耙吸式挖泥船能夠獨立完成挖、裝、運、卸任務，它的船體大，抗風能力強，挖泥效率高，特別適合于通航水域開挖，在有潮水風浪的水域作業更能顯示其優越性。大型耙吸式挖泥船能夠在3～5m波高的惡劣海況條件下工作。它能夠邊航行邊挖泥，對其他船舶干擾少，施工時基本不影響航道的使用。它具有自航能力，調遣靈活方便，作業多種多樣。對于挖掘淤泥、黏土、砂壤土及各種沙土均能適應。耙吸船施工本工程岸坡時，8 000 m3的自航耙吸式挖泥船長度一般在120 m 左右，出于安全考慮，耙吸船施工時與應與岸坡保持30 m 安全通航水域。耙吸船未能施工的岸坡區域采用定位性更好、挖掘能力更強的絞吸挖泥船進行挖掘，剩余區域待抓斗船進行基槽開挖時一并施工。

2）絞吸式挖泥船施工分析

對于港池大面積中風化巖（11、12、13 類土），大型耙吸式挖泥船不適宜此類土方的開挖。工程上經常采用的施工方法包括：采用大型絞吸式挖泥船直接開挖或者采用鑿巖錘配合抓斗式挖泥船開挖。對比“抓斗+鑿巖”施工方案，絞吸船挖巖具有施工成本低、施工進度快、施工精度高、挖槽平整度好、施工時振動小、對施工區域周圍環境影響小等優點。在廣西防城港的施工中，中風化巖的抗壓強度為27.5 MPa，投入大型絞吸船進行挖巖施工效果較好，其施工效率遠遠高于“抓斗+鑿巖”方案。

大型絞吸式挖泥船錨纜短，占用施工水域小，采用鋼樁定位，船位控制方便，抗風能力較強，適宜近海施工作業。挖泥船隊主要考慮由絞吸式挖泥船以及必要的錨艇、值班拖輪等組成。吹填施工時，挖泥船開挖土方通過浮管連接布置于陸上的岸管向陸域內吹填。絞吸船屬于水力式挖泥船中的一種，工作原理為：利用旋轉的絞刀將水底沙、石等挖掘絞松，并進行泥水混合，同時，由船上離心泵產生的真空把挖掘所得的泥漿吸入、提升再通過排泥管線排出輸送到吹填區。整個施工過程可分為三步：挖掘、吸入和泥漿輸送。

3）港池炸巖施工分析

在對微風化（60～100 MPa）巖石區域進行施工時，由于微風化巖石強度高，直接鑿巖效果差，無法達到施工要求，鑿巖錘工藝需要采用“鉆孔-布鋼錠-鑿巖-抓斗”才能滿足施工要求，通過對廈門嵩嶼港區二期工程除礁施工效果分析，鑿巖施工產生的沖擊波要大于炸巖施工，而且其施工工藝復雜，施工工期長，出于施工安全性與高效性考慮，建議采用炸巖的施工方式。港池挖巖擬先采用鉆孔炸巖技術，鉆孔炸巖后，采用抓斗船對炸開的巖塊進行清理，所挖巖塊外拋至拋泥區。

2.2 碼頭基槽疏浚施工工藝分析

由于碼頭后方臨近已建碼頭的斜坡堤護岸，碼頭前沿線距已建護岸的距離為102.4 m。因此選擇合理的基槽開挖方式，減小對已有護岸的影響，是本工程設計的難點。

本工程巖面變化劇烈，巖層分布不均，在沉箱基槽開挖范圍包含多種土性，應根據不同土性選擇合理的開挖方式。

1）全風化巖及以上土體施工工藝分析

④1全風化巖及以上土體為2～6 類土，可選擇的開挖方式較多，在滿足船舶安全作業范圍內，選擇較為經濟的耙吸式挖泥船，與港池同類土一同挖除。在臨近護岸的區域，考慮岸坡開挖精度和安全性的原因采用抓斗式挖泥船進行施工。

2）強風化、中風化花崗片麻巖施工工藝分析

強風化、中風化花崗片麻巖為11～13 類土，常見的施工船型包括絞吸式挖泥船和抓斗式挖泥船。絞吸式挖泥船效率高，但作業方式不靈活，尤其對于墩式沉箱基槽的開挖，操作效率和開挖精度均較低。此外，碼頭區存在巖面起伏較大的微風化巖，更加限制了絞吸挖泥船的作業。相比之下，抓斗式挖泥船操作靈活，對可適應各種形狀的開挖基槽。

3）微風化花崗片麻巖施工工藝分析

根據勘察報告，該層微風化巖的單軸飽和抗壓強度為44.0～106.4 MPa，巖質堅硬，一般可采用挖巖和炸巖兩種方式。

挖巖可選擇大型絞吸式挖泥船和大型抓斗式挖泥船，但大絞吸式挖泥船開挖效率過低，造價高。大型抓斗式挖泥船需提前將巖石進行預處理，一般配合鑿巖錘使用。鑿巖錘的原理與炸巖相同，即采用與炸巖同等級的能量對巖體進行夯錘處理，即與炸巖產生同樣的沖擊能，該種方式并不能避免對后方護岸的沖擊影響。把鑿巖棒對巖石的沖擊能折算成產生等量能量需要的硝銨類炸藥用量，計算鑿巖棒施工對水生生物和鄰近建筑物的危險區半徑，但是鑿巖錘在下降過程中需要克服水體阻力，因此如果鑿巖棒需要產生與炸巖同樣的效果，鑿巖棒所產生的沖擊波（鑿巖+水體阻力）大于炸藥產生的沖擊波。因此，與炸巖相比，該方式對后方護岸的沖擊影響更大。根據以往工程的施工經驗，在廈門嵩嶼港區二期工程除礁施工中，70 MPa 以上的超高硬度礁石采用“鉆孔-布鋼錠-鑿巖-抓斗”相結合的施工方法，原理是利用鉆孔來降低礁石的整體性，加大礁石的裂隙，在鉆孔內布設鋼錠，由重錘對鋼錠進行錘擊，通過鋼錠受力，把豎向作用力轉化為對巖石的水平力，從而剝離巖石，再經抓斗船清礁，有效的清除巖石。施工中與炸巖一樣需要鉆孔和下潛水員，但是鑿巖施工同一塊巖石這一步驟需要反復進行5～10 次，施工效率極低。直接鑿巖效果不好，不能較好完成施工任務。因此，對微風化巖采用炸巖方式較為合理。

為了減小對已有建筑物的影響，采用分層微差爆破的方式，控制單孔藥量以滿足與建筑物之間的安全距離的要求。碼頭邊坡與護岸坡腳的最近距離約20 m，根據《水運工程爆破技術規范》（JTS 204-2008）計算，分布取K＝100，α＝1.4，允許安全速度參考重力式碼頭選取8 cm/s,計算單孔藥量控制在30 kg 以內。水下爆破采用防水性能較好的乳化炸藥，孔距×排距岸取2.0 m×2.0 m，乳化炸藥的炸藥換算e=320/260=1.23，反算設計爆破層厚為3.0 m，即單層爆破厚度。基槽炸巖厚度1.0～9.0 m，平均4.5 m，大部分區域分1～2 層爆破，局部分3層爆破。該安全距離為岸坡與護岸坡腳最近點，當炸巖位置與護岸坡腳的距離增加至29 m 時，單層爆破厚度即可達到9 m，炸巖效率不再受護岸的限制，故基槽炸巖過程中僅局部較小寬度內受護岸的限制。此外，還可以設置隔震帶，在碼頭岸坡與護岸之間設置一排小孔徑密排距的單排鉆孔，用很小的藥量炸出一條預裂縫，起到阻隔震動波的作用，進而可適當放寬對安全距離的要求。由以上分析可知，通過控制藥量和設置隔震帶的方式能保證炸巖操縱的安全性，且從以上數據來看，炸巖工期可控。綜合分析，炸巖方案合理可行。

3 適用性及經濟性分析[2-4]

結合上面各疏浚施工工藝的分析，得出本工程擬采用的施工方案及相應的經濟指標，見表2。

表2 適用性及經濟性分析

4 結語

本文以茂名港某工程為例，分別從港池挖泥和基槽挖泥進行施工工藝選擇的分析，并結合以往實際工程，選擇最適合本工程的施工方案。由于本工程土類分布不均勻，地質比較復雜，不能選取單一船型進行施工，所以要采取多船型組合，多工藝結合，多區域統籌考慮的方法，使工程項目施工質量高、工期短、費用低，為類似復雜地質條件下的工程確定技術可行、經濟合理的施工工藝提供參考依據。