管板組合樁碼頭前沿疏浚技術研究

謝賢舉，王付耀，呂亦陸

（1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

新建航道港池等工程一般采用絞吸船進行開挖施工，一方面因為絞吸船開挖精度和效率相對較高，另一方面因為絞吸船可以直接將疏浚土吹填至碼頭規劃區輔助碼頭建設。此外碼頭的胸墻結構一般會突出碼頭樁基線2 m左右，耙吸船無法進行胸墻以下區域的土方疏浚[1]，故在港池有限的施工空間內選用絞吸船進行碼頭前沿施工最為有利。

絞吸船在進行港池疏浚施工時，一定會面對碼頭前沿施工這一難題，之所以稱之為施工難題主要原因是碼頭設計一般為垂直地面結構，當絞吸船在下放絞刀疏浚碼頭前沿土方時，由于受到絞刀直徑（約2.5 m）的影響，導致碼頭前沿會出現一個斷面形狀為三角形的殘留土區域。針對碼頭結構前的殘留土疏浚方法在尼日利亞拉各斯自貿區萊基深水港疏浚吹填工程（以下簡稱萊基港工程）中進行了試驗研究。

1 工程概況

萊基港工程位于尼日利亞拉各斯自貿區，在拉各斯市區以東70 km處毗鄰大西洋。工程內容包含長約9 km、寬約150 m的航道及長約800 m、寬約600 m的港池，港池及航道的疏浚底高程為-16.5 m，合同疏浚工程量約1 600萬m3，碼頭結構斷面如圖1。前沿停泊水域設計寬度為34.35 m，設計底高程-18 m，允許最大超深為0.5 m，停泊水域允許超寬為1 m[2]。該段為復合土質，-8 m以上為松散～極密實砂，-8～-12 m為含黏土砂，-12～-16.5 m為軟質黏土，-16.5～-18 m停泊水域深度范圍主要為松散～中密的細砂到中砂，一部分區域為含黏土顆粒的細砂。

圖1 碼頭結構斷面圖Fig.1 Wharf structure sectional view

萊基港碼頭結構為鋼管板組合樁，如圖2所示，管樁與板樁通過鎖扣對接，上部為胸墻結構。碼頭前沿停泊水域疏浚前，樁結構已施工完畢，胸墻已澆筑完成并達到養護期。施工時因受大西洋涌浪影響導致施工工況條件較差。另外停泊水域需開挖至鋼管樁前沿線（已澆筑的胸墻突出管樁前沿線2.35 m），且不允許有淺點區域，碼頭前沿為整個項目施工難度最大的區域。

圖2 鋼管板組合樁結構圖Fig.2 Structure drawing of the tube-sheet pile

2 碼頭前沿殘留土施工措施及原理分析

通過采用限深超挖、減小絞刀頭與碼頭前沿線的距離、多次定點泵吸、提高水下泵轉速、潛水員水下處理等措施組合對碼頭前沿殘留土進行施工[3-4]。各施工措施的具體內容和原理如下所述。

2.1 限深超挖

限深超挖就是在設計允許的超深范圍內比設計深度H向下多開挖h，即疏浚施工深度為H+h，疏浚超深h應小于設計允許超深以免造成超挖[5]。

超挖主要是利用土方在被挖除一部分后在重力作用下自然塌方形成一個平衡邊坡的原理。在殘留土邊緣處繼續向下開挖，則會打破殘留土現有邊坡平衡，殘留土邊坡則會坍塌形成再平衡，坍塌土方則會滑落至絞刀頭吸口處被泵吸清除。假設在殘留土邊緣處垂直向下開挖h，施工過程中碼頭前沿殘留土的高度為h1，如不考慮絞刀下挖形成的坑槽的弧度，把其視為開挖后殘留土自然坍塌為三角形，則可以得到超挖后土方挖除部分的理想模型如圖3所示，如超挖點與碼頭前沿線的距離為d，殘留土自然坍塌平衡坡比為1∶i。根據幾何原理則可以得到式（1）和式（2）。

圖3 沿殘留土邊緣處超挖后土方清除模型Fig.3 Soil removal model after over-excavation along the edge of residual soil

根據該理論可以得出要想清除殘留土超出設計底高程的部分，則必須使得超挖深度h等于h0，然而設計單位從樁基穩定性和停泊水域拋石量考慮，一般對停泊水域超挖深度有嚴格的限制，本工程設計允許超深為0.5 m，所以采用超深0.5 m疏浚樁前殘留土的措施，即樁前疏浚開挖底高程定為-18.5 m。

2.2 減小絞刀頭與碼頭前沿線的距離

根據式（1）可以得出絞刀頭最后開挖位置與碼頭前沿線的距離是影響殘留土最大標高的重要因素。盡量減小絞刀頭最終開挖位置與碼頭前沿線的距離是殘留土疏浚的重要措施之一，原理見圖4。根據以往工程施工經驗，絞刀頭開挖至距離碼頭前沿線2 m時即暫停施工。為了減小這一距離，根據JTS 131—2012《水運工程測量規范》[6]中的挖泥船定位要求，通過多次對比得出絞刀位置誤差在0.5 m以內，比對結果見表1。根據該校核數據并考慮設備和樁基安全，本工程將絞刀頭與碼頭前沿線的最小施工距離減小至1.5 m并采取絞刀停轉和在絞刀正前方安裝橡膠防撞物等措施。

圖4 絞刀前移清除殘留土模型Fig.4 Model of cutter moving forward to remove residual soil

表1 絞刀平面位置對比表Table 1 Comparison table of cutter plane position m

2.3 多次定點泵吸

多次定點泵吸是在以上其他施工措施的基礎上，根據測量結果有針對性地定點泵吸不合格點的殘留土。該措施相當于提高泥泵的單點作用時間，以保證絞吸船能把絞刀吸口作用范圍的殘留土吸除干凈，另外對每個殘留土泵吸點的吸除時間都設置為不小于1 min，經過多次定點吸除將會有很好的清除效果。

2.4 提高水下泵轉速

在設備允許的條件下提高水下泵轉速10%。由于絞刀與碼頭線的最小距離是1.5 m，泥泵吸口對貼近樁基殘留土的作用力相比其他位置作用力最小，極易導致貼近樁基的土方清除不徹底。提高水下泵轉速10%是為了提升吸口的吸力，從而對更遠區域產生良好的殘留土吸除效果，實現靠近樁基殘留土的清除目的。該措施的殘留土疏浚效果如圖5所示。

圖5 提高泥泵吸力清除殘留土模型Fig.5 Model of improving the suction of mud pump to remove residual soil

2.5 潛水員水下處理

潛水員水下處理主要是針對特殊土質如較黏的黏性土。首先潛水員進行潛摸攝像以確定水下淺點具體情況（包含土質、位置、大小等詳細信息），如果存在懸空粘連在管樁上的相對較小的黏土塊，則潛水員利用工具使其脫落；如果存在較大范圍的頑固淺點，則采用高壓沖水進行破土，使其破碎并從管樁上脫落，最后待潛水員水下處理完成后再利用絞吸船泵吸完成渣土清理，從而完成淺點掃除工作。

3 碼頭前沿首段殘留土疏浚施工

3.1 碼頭前沿平面施工方法

碼頭前沿停泊水域（除K0+000—K0+060）施工采用絞吸船垂直朝向碼頭前沿線的施工方向，距離碼頭前沿2 m以外區域采用單次挖寬100 m左右的橫挖法施工方案，距離碼頭前沿2 m以內挖寬調整為10 m左右，即只使用絞吸船左右橫擺形成的弧線的弧頂段進行施工，如圖6所示。

圖6 絞吸船橫移擺動弧頂段示意圖Fig.6 Schematic diagram of the section of the lateral movement and swing arc top of the CSD

3.2 碼頭前沿沿深度方向施工方法

先將距離碼頭前沿線2 m以外區域，開挖至-16.5 m左右，為絞吸船提供基本的工作空間。隨后根據設計圖紙開挖距離碼頭前沿2 m以外的停泊水域部分至-18 m。對于距離碼頭前沿2 m以內的停泊水域部分，由于2 m以外區域已經開挖至-18 m，根據本工程碼頭前沿土質開挖測量結果可知該土質疏浚后自然塌方邊坡約為1∶2，2 m以內區域基本已經坍塌至-17 m以下且土層約成三角形分布，在距離碼頭前沿2 m的位置直接繼續下放絞刀深度，將絞刀開挖深度設置為-18.5 m，然后繼續向前開挖碼頭前沿2 m以內區域。當絞刀前移至距離碼頭前沿線1.5 m時，絞刀停轉繼續泵吸1 min，完成該點泵吸后，將絞刀位置后退至距離碼頭前沿2 m處，向右調整絞刀位置2 m，重復以上步驟直至整個工作面全部被覆蓋。

3.3 不合格斷面施工

1）當整個工作面疏浚施工1次后，對施工區域進行測量，找出不合格的斷面位置，對不合格點單獨進行定點疏浚施工，施工時同樣采用超挖至-18.5 m，然后前移絞刀位置到距離碼頭前沿1.5 m，繼續泵吸1 min，利用該方法逐一對不合格斷面點進行疏浚施工。每逐一施工1遍不合格斷面后再進行1次測量檢測，對檢測出的不合格斷面點繼續新一輪的定點疏浚。進行3遍定點疏浚不合格斷面后，停止重復該施工措施。不同施工輪次水深檢測結果見表2。

表2 不同輪次定點疏浚后斷面合格率Table 2 Section pass rate after fixed-point dredging in different rounds

2）經過多次定點疏浚施工的不合格斷面派潛水員進行水下處理。待處理完成后，利用絞吸船泵吸完成渣土清理，從而完成所有淺點掃除工作。通過該措施對不合格斷面處理后，經測量數據分析碼頭前沿首段疏浚斷面全部合格，無淺點。

4 結語

通過在萊基港工程管板組合樁碼頭前沿區域進行疏浚試驗可以證明：采用限深超挖、減小絞刀頭與碼頭前沿線的距離、多次定點泵吸、提高水下泵轉速、潛水員水下處理等措施，可以有效地清除管板組合樁碼頭前沿殘留土。該施工方法對今后絞吸船施工碼頭前沿區域將會具有廣泛的借鑒意義。本工程停泊水域設計底高程-18 m處多為砂類土質，因此，碼頭前沿疏浚底高程處為砂土的可以采用與本工程相同的殘留土施工方法，對于疏浚底高程處為黏土的需要通過具體試挖來確定該施工方法的有效性。其他工程應根據土質情況試驗確定設計底高程平面開挖時的絞刀下放深度，不能套用本工程施工深度。