港口航道交叉段疏浚施工工藝研究

◎ 季立花 吳鵬輝 江西省港航造價咨詢有限公司

1.工程概況

某港口航道交叉段與長江口相距520km，航道水深位于7.0～12.0m之間，航道長175.3k m，流域面積7895km2。根據疏浚地質，該航道交叉段河床以粉質黏土、粉砂地質為主，平均濃度為1.24t/m3，疏浚過程中耙齒磨損、疏浚管路堵塞的可能性極大。該交叉口作業端水域無遮擋物，受臺風、寒潮、風浪干擾大；為避開不利施工條件，應選擇在4～6月展開疏浚。

2.疏浚施工難點

該航道交叉段疏浚施工整體難度大，主要面臨以下難題：

一是項目工期緊，任務重。為避開風浪、寒潮等不良氣候條件，該航道交叉段疏浚施工必須安排在4～6月展開。為避免對港口正常通航的不利影響，疏浚任務必須在更短時間內完成。此外，該交叉段疏浚開挖涉及水域廣，開挖面積及工程量大，施工任務重。

二是土質復雜，開挖工作量大；處理工藝復雜。結合地勘資料，該交叉段航道底泥土質復雜，包括淤泥質土、粗粒砂、殘積土、硬質風化巖、膠結細粉砂等，存在較大的開挖難度。此外，開挖后的不同土質需進行不同處理，砂石需要運輸至指定區域回填，淤泥則要運至指定拋泥區，泥土開挖疏浚工藝復雜。大粒徑硬質石塊會增大航道堵口風險，引起脫泵；排泥管線如果較短，泵級運轉速度則會受到影響，造成船舶設備運作性能大幅降低。

三是疏浚施工干擾因素多。疏浚施工期間，該港口航道處于正常運營過程，施工區來往船舶多，會對施工造成一定干擾，控制管理難度大。

3.疏浚設計要點

3.1 疏浚施工參數設計

3.1.1 航道設計水深及寬度

根據《內河航道通航標準》（GB 50139-2014），航道設計階段確定水深及寬度時，必須綜合考慮疏浚地質、水文條件、船舶類型、安全距離等方面[1]。通航標準所規定的航道水深和寬度常見數值見表1。該港口航道所在流域屬于限定化Ⅳ級航道，結合該港口航道交叉段實際情況，經過標準性計算，可以得出該航道交叉段維護疏浚工程最高、最低通航水位應為4.52m和3.32m，常水位為3.80m。

表1 航道水深和寬度結果

3.1.2 疏浚邊坡

疏浚區水文地質、水動力、邊坡治理情況、對接航道邊坡情況、疏浚工藝及設備等是疏浚邊坡確定時必須要考慮的方面，疏浚邊坡的確定結果又會影響疏浚工程量、造價、回淤[2]。結合對該港口航道交叉段巖土勘察結果，此次疏浚深度內河床下部以淤泥和淤泥質土為主。根據《疏浚與吹填工程設計規范》（JTS 181-5-2012）及邊坡成果，航道上游200m到下游100m范圍內均應從底寬40m疏浚至底部標高0.82m，并應以1:3的坡度向兩岸放坡。

3.1.3 挖泥設備及拋泥區

根據港口航道交叉段疏浚工程施工特點展開挖泥設備選型，該港口航道交叉段疏浚施工應綜合使用絞吸式挖泥船和鏈斗式挖泥船兩種設備。其中，絞吸式挖泥船艙容為1980m3，絞刀直徑2.18m，計算超深0.35m；鏈斗式挖泥船艙容為2150m3，絞刀直徑1.25m，計算超深0.75m。

在開挖期間，對于浮管無法直接連接拋泥區域，則應選用絞吸式挖泥設備。裝配有鋼樁的絞吸式挖泥船在一般作業過程中采用對稱橫挖方式；而裝配有錨纜橫挖裝置的絞吸式挖泥船應采用錨纜橫挖方式。如果疏浚實踐中挖槽寬度超出挖泥船最大挖泥限度時，必須對疏浚區分條、分區。在相應區域內，結合土質坡度比進一步細化分區范圍，不同土質的水下坡度比可參考表2。根據疏浚施工區水下邊坡土質情況，如果坡度比超出表中范圍，則應適當增大分區；如果坡度比小于表中范圍，則應相應縮減分區。

表2 不同土質的水下坡度比

在使用鏈斗式挖泥船開挖施工期間，如果施工區水域環境較好，則挖泥船受邊緣水深及挖槽寬度的影響也較小，此時可采取傾斜式橫向挖泥工藝。而當施工區水域環境差，挖槽狹窄時，則應采取扇形橫向挖泥工藝[3]。當挖槽寬度超出鏈斗式挖泥船最大限度時，應分條、分區開挖，并按照主錨纜拋出時的具體長度確定分條分區寬度，確保挖泥效果。

3.2 施工工藝流程

在確定出疏浚施工參數取值的基礎上，進行該港口航道交叉段疏浚施工工藝流程設計。先通過裝艙法將空艙泥艙運輸至挖泥區指定區域，減速后借助離心泵裝置將挖泥區泥土撓松，并下耙挖泥。當泥艙內無法引入過多泥量后完成起耙，將滿艙運至拋泥區，開啟泥艙底部泥門后拋泥。此后，將空載裝泥艙重新運至挖泥區，重復以上操作環節，直至完成挖泥。

根據多船施工平面布置，展開絞吸式挖泥船和鏈斗式挖泥船的協同作業。施工前必須編制施工進度計劃，由監督船督促各類船型完成挖泥疏浚施工任務。鏈斗式挖泥船施挖期間，借助錨壓方式為多條挖泥船協同施工提供保障；其橫錨布設時，必須采用重錨形式，通過改變錨纜長度，避免鏈斗式挖泥船影響其余船舶施工。

在挖泥施工結束后，對于底質較硬的區域會出現明顯的深淺溝，必須使用大型耙吸船進行處理。在正常直線開挖方式下，出現溜耙的可能性較大，即深區泊位越挖越深，淺區泊位較難挖到。為此，耙吸船必須按照S形路線挖泥，以提升挖泥工效及后續掃淺效果，并能保證將淺區泊位開挖至設計深度，提升港口航道交叉段疏浚施工效果。

4.疏浚施工工藝

按照方案設計，該港口航道交叉段疏浚施工過程中，應由鏈斗式挖泥船和耙吸挖泥船挖泥、運泥、拋泥后聯合絞吸船拋吹。先由操作人員驅動鏈斗式挖泥船和耙吸船進入疏浚點和具備拋坑條件的臨時轉運點，再驅動鏈斗式挖泥船和耙吸船挖泥、拋泥，最終聯合絞吸船在納泥區吹填。以上過程輪流作業，交替循環，直至完成交叉段疏浚施工任務。

4.1 絞吸式挖泥船挖泥控制

絞吸船挖泥時主要借助橋架端頭安裝的絞刀將污染底泥切割、混合為泥漿，經排泥管排送底泥。結合該航道交叉段疏浚要求，絞吸船最大挖掘寬度應達到24m，最大挖深應達到10m。絞吸船拋吹實施過程中，必須圍繞鋼樁圓心劃定位置，經船體兩側橫移錨擺動挖泥；并按照遠挖近吹填的原則，1艘絞吸船和1艘耙吸船對應作業；挖泥關口應設置在泄水遠端，以便一次性完成挖泥和泥泵管道泥漿輸送任務。

絞吸船施工期間，操作人員應通過絞吸船自帶的GPS系統實時精準定位，并在船上挖深感應器、流量計、絞刀深度指示器等輔助性儀器的配合下，實現挖泥深度的精準控制。全部操作過程應分階段、分層次、分條段展開，相鄰挖泥帶重疊寬度應控制在1.0m以上，1次挖泥厚度應不超出0.2m；先開挖疏浚交叉段上層被污染底泥，再開挖下層底泥。考慮到該港口航道交叉段疏浚區底泥雜質較多，操作人員應密切關注水深、船舶吃水量等的變化，一旦兩個參數變幅超出0.1m，應立即調整絞刀下放深度，同時加強絞吸船配套設備狀態監控，防止發生機械事故。

4.2 鏈斗式挖泥船挖泥控制

鏈斗式挖泥船施工過程中應同步展開橫移速度、斗鏈運轉速度、前移距離、斗橋下放深度等的控制。

（1）斗鏈運轉速度。該速度越快則疏浚開挖效率越高，該速度主要受土質、泥土被泥斗切割后脫離航道底部的難易程度等因素的影響。在流速較大區域挖泥時，如果斗鏈運轉過快，部分泥土很可能遺留在挖槽內或挖槽下游，影響疏浚效果。在其他條件相同時，如果挖泥船橫移速度過快且前移速度越大，則泥斗充泥越滿。對于黏土土質而言，在泥斗壁附著力的作用下很難倒空，帶出泥槽的泥土很容易漏入橋檔淤淺挖槽，引發新的問題。為此，必須采取有效措施控制和降低斗鏈運轉速度；必要時，還需降低船舶橫移速度，控制充泥量。

（2）橫移速度。鏈斗船橫移速度主要由橫移速度儀根據泥斗充泥情況控制，橫移時，若泥斗充泥未滿，則應加快橫移；若泥斗充泥過滿且有溢泥發生時，應減弱橫移速度。橫移期間必須加強邊錨繩動態控制，邊絞邊松，并防止斷繩。橫移期間船艉不得超出船艏，以防止下導輪下方斗鏈碰撞泥層塹口而造成出軌；在船位回正前向另一側橫移的速度應盡可能慢，避免斗鏈脫出。

（3）前移距。鏈斗船開挖完一個斷面后繼續開挖下一斷面時借助主錨纜前移的距離即為前移距。為確保泥斗內充滿淤泥，提升疏浚效率，必須加強前移距控制。該距離主要受斗鏈著底距、挖泥厚度、底泥土質等影響。如果前移距設計值與斗鏈著底距完全一致，則疏浚后航道底部平整度最差，施工質量也無法保證；如果前移距較小，搭接長度大，則泥斗充泥量較少，工效不高。為此，必須合理確定前移距取值，在提升橫移速度的同時，確保挖泥工效。

4.3 耙吸挖泥船挖泥控制

在耙吸船開挖前，操作人員應將耙吸船停置于待疏浚區域，并調低船舶行進速度，放出耙頭；通過耙齒展開機械切削，同時沖刷高壓水，將區域內疏浚土液化。此后，操作人員通過控制耙吸船泥泵吸取液化疏浚物后納入船舶泥艙。按照以上流程重復操作，直至船舶泥艙滿載或達到經濟裝載量后，將耙吸船行駛至臨時裝載區，經過拋泥、艏噴及回填等操作后卸除泥漿。

疏浚施工過程中，耙吸船疏浚系統的動力系統模型、泥漿沉積模型、泥泵-管線模型、船舶運動模型、耙頭挖掘過程之間存在相互作用[4]，操作人員必須通過各部分參數的合理調整，保證耙吸船良好運行。

5.疏浚效果

通過統計該港口航道交叉段疏浚區段內多船次疏浚挖泥數據，得出該疏浚區第1天疏浚開挖土方量1189m3，單位方量耗時0.02977min/m3；第2天疏浚開挖土方量1079m3，單位方量耗時0.02876min/m3；第3天疏浚開挖土方量976m3，單位方量耗時0.02571min/m3。此3日疏浚開挖單位方量平均耗時0.02808min/m3，每船次平均油耗1.35t。根據以上結果，該交叉段航道挖泥效果高，能耗低；泥艙內疏浚物沉淀效果良好。

如果單純考慮能耗和油耗，則疏浚期間挖泥工程量和油耗的比較見表3。根據表中結果，該航道交叉段采用絞吸船、鏈斗船、耙吸船疏浚過程中，油耗及單位能耗均較低，功率浪費少，保證了航道高效低耗疏浚過程的展開。

表3 交叉段疏浚能耗比較

6.結論

本文針對港口航道交叉段疏浚工程面臨的施工難題，提出絞吸船、耙吸船、鏈斗船組合使用的方案，以充分發揮不同挖泥船技術優勢，施工后較好解決了工程工期緊、任務重，工程量大，疏浚處理工藝復雜等難題。通過加強疏浚施工方案設計及施工過程控制，取得了較好的疏浚效果。港口航道在水域交通中占有重要地位，也是構成整個交通運輸網絡的重要部分，加強港口航道底泥疏浚，是保證航道安全穩定運行的必然環節，在推進我國航運事業蓬勃發展的過程中意義重大。