劉聰聰，劉 衛(wèi)，鄒 豐，林富豪

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長大橋建設(shè)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(zhèn)江 212004)

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

本文以某碼頭工程為研究對(duì)象，改進(jìn)施工工藝，優(yōu)化施工組織，采用先沉樁后疏浚工藝進(jìn)行網(wǎng)格化平行施工，利用小型挖機(jī)、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(píng)估樁間土疏浚狀態(tài)，采用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型分析拋泥回淤程度。

1 工程概況

某碼頭工程處于半環(huán)抱式港池內(nèi)，波浪、流速較小，潮汐為規(guī)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(qū)域?yàn)樵５趟谖恢茫鸪５踢^程中地基留有護(hù)坦塊石、碎石、土工布等雜物，因此工程區(qū)域需疏浚的地質(zhì)包含淤泥、沖填土、粉土、鐵板砂、塊石及其他雜物，水下地質(zhì)條件復(fù)雜。以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统蔽蛔鳛楦叱?、潮位、設(shè)計(jì)水位起算基準(zhǔn)面(85國家高程基準(zhǔn)面-當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?3.23 m)，碼頭前沿原泥面高程約為-2.0 m，碼頭前沿設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。分為10個(gè)結(jié)構(gòu)段，由西至東1～5、5～10結(jié)構(gòu)段分別為B、A泊位。主體結(jié)構(gòu)分為前平臺(tái)、后平臺(tái)，后平臺(tái)采用現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制面板及現(xiàn)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(tái)采用現(xiàn)澆樁帽、預(yù)制梁板、現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)

考慮項(xiàng)目工期緊、任務(wù)重，改進(jìn)岸坡挖泥、新建護(hù)岸傳統(tǒng)工藝，進(jìn)行先沉樁后疏浚，而樁間土疏浚施工存在作業(yè)空間受限、挖泥深度大、水下地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)絞吸船、長臂挖機(jī)無法直接進(jìn)行疏浚[8]，施工難度大。

2 施工工藝

2.1 工藝改進(jìn)

高樁碼頭傳統(tǒng)施工工藝首先進(jìn)行岸坡挖泥，待疏浚挖泥完成后進(jìn)行水下沉樁，后依次開展樁帽現(xiàn)澆、預(yù)制縱橫梁安裝、節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆、預(yù)制面板安裝、碼頭面層現(xiàn)澆施工。本研究改進(jìn)傳統(tǒng)施工工藝，在進(jìn)行初步岸坡挖泥后開展樁基施工，隨后開展上部結(jié)構(gòu)多項(xiàng)工序同時(shí)施工，并針對(duì)各個(gè)施工階段采用不同疏浚設(shè)備完成樁間土疏浚，加快整體施工進(jìn)度。

結(jié)合研究對(duì)象實(shí)際情況，某碼頭沉樁順序從西側(cè)B泊位至東側(cè)A泊位，沉樁完成的區(qū)域即可開展樁帽、預(yù)制梁板等上部結(jié)構(gòu)施工，未沉樁區(qū)域仍可使用大型絞吸船進(jìn)行水下開挖。待2個(gè)泊位沉樁全部結(jié)束后，西側(cè)B泊位前后平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)部分區(qū)域已施工，由此可針對(duì)上部結(jié)構(gòu)全部完成、部分完成(頂部預(yù)制面板未安裝)以及僅樁基施工完成的區(qū)域采用不同方式進(jìn)行樁間土疏浚。

2.2 作業(yè)環(huán)境及疏浚設(shè)備

碼頭結(jié)構(gòu)施工工藝改進(jìn)后，受限空間內(nèi)樁間土疏浚施工難度大。后平臺(tái)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(tái)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(yù)制梁板安裝后，頂部被遮蔽，高潮位可淹沒前平臺(tái)預(yù)制梁0.2～0.6 m，樁間土疏浚作業(yè)空間受限。另外根據(jù)設(shè)計(jì)要求，疏浚應(yīng)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(dá)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(jī)、改造絞吸船及自主研發(fā)的水下智能清淤裝備組合施工。小型挖機(jī)為徐工XE60D履帶式反鏟挖掘機(jī)，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(shí)可在后平臺(tái)接岸處挖泥理坡，基本適宜該區(qū)域粉砂、黏土、沖填土等土質(zhì)，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(fēng)、浪、潮流條件較差，但對(duì)受限空間適應(yīng)性較強(qiáng)，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(dòng)，對(duì)風(fēng)、浪、潮流條件適應(yīng)性較強(qiáng)。組裝絞吸船可在碼頭下方進(jìn)行水下疏浚，主要適宜粉砂、黏土等，對(duì)部分鐵板砂等硬質(zhì)土層疏浚效率低。小型挖機(jī)及絞吸船疏浚平均超深達(dá)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(duì)硬質(zhì)土層輔助疏浚。該裝備前端安裝有可回轉(zhuǎn)180°的工作臂，針對(duì)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(shè)備航行的螺旋推進(jìn)器，兩側(cè)有4個(gè)可自動(dòng)折疊的用于維持機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定的平衡槳，附有水下平衡系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、攝像監(jiān)測等軟件系統(tǒng)。清淤裝備最大下潛深度25 m，絞吸泵設(shè)計(jì)流量500 m3/h，輸泥管道設(shè)計(jì)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(qū)分B、A泊位，B泊位進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)施工的同時(shí)，A泊位先進(jìn)行樁間土疏浚。擋土墻至后平臺(tái)第2排PHC管樁區(qū)域使用6輛徐工XE60D挖機(jī)進(jìn)行疏浚理坡，疏浚量約4.02萬m3；其他區(qū)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(jìn)行疏浚，疏浚量約18.30萬m3。考慮港池大潮差影響，小型挖機(jī)在低潮位(小于2.8 m)時(shí)施工，絞吸船施工潮位包括預(yù)制梁板安裝前后兩種情況，預(yù)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(zhì)條件復(fù)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(jìn)器和排水功能進(jìn)行下潛、上浮及保持平衡狀態(tài)，接收水下各種傳感器的數(shù)據(jù)，如水深、溫度、油壓、影像、姿態(tài)、航向等，并發(fā)送給上位機(jī)顯示系統(tǒng)，通過地面遠(yuǎn)程操控完成水下施工任務(wù)。

水下樁間土由不同設(shè)備開挖后，將泥土直接輸送到港池指定的區(qū)域內(nèi)，后由大型疏浚船在港池疏浚的同時(shí)定期對(duì)拋泥區(qū)清淤。

2.4 實(shí)施效果及質(zhì)量保障措施

2.4.1實(shí)施效果

樁間土施工受潮差影響較大，有效作業(yè)時(shí)間受限。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，單日最大疏浚量達(dá)3 100 m3，平均日疏浚量2 024 m3。而由于工藝改進(jìn)，現(xiàn)場網(wǎng)格化平行施工，2個(gè)10萬噸級(jí)泊位碼頭主體結(jié)構(gòu)提前兩個(gè)月完工，縮短了總體工期，節(jié)省了施工成本。

2.4.2受限空間疏浚與拋泥評(píng)估

受上部結(jié)構(gòu)遮蔽，樁間土疏浚施工較難確定具體區(qū)域的超挖、欠挖狀態(tài)。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(yè)，也增加絞吸船的準(zhǔn)備時(shí)間；輸泥管道布置過短則容易產(chǎn)生泥沙回淤[9]。為此提出受限空間疏浚與拋泥評(píng)估方法，科學(xué)精準(zhǔn)指導(dǎo)樁間土疏浚施工，保障疏浚施工質(zhì)量。

1)疏浚狀態(tài)快速評(píng)估。疏浚量快速評(píng)估主要包括編制斷面法[10]Fortran程序快速計(jì)算疏浚量，進(jìn)行網(wǎng)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?yàn)槭杩嗝妫a頭長度方向間隔6 m均勻劃分多個(gè)斷面，并在碼頭面層、橫梁頂部等上部結(jié)構(gòu)處做標(biāo)識(shí)。預(yù)制面板安裝后，人工記錄測點(diǎn)高程及其與樁基的相對(duì)位置。由此計(jì)算期間總疏浚量為22.32萬m3以及單次疏?？偭?。

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(qū)域超挖0.2 m以內(nèi)；靠岸側(cè)水下樁間土較碼頭前沿開挖難度更大，單次疏浚量小，后續(xù)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(jī)施工，所需疏浚厚度為0.6 m以內(nèi)。各斷面比較，S3～S4受上次疏浚作用，后續(xù)所需疏浚厚度較小；而S6～S7斷面土層地質(zhì)疏浚難度大，改用鉸刀工具進(jìn)行破土。

圖3 單次樁間土疏浚狀況

2)疏浚拋泥評(píng)估?；谒畡?dòng)力控制方程、泥沙運(yùn)動(dòng)方程、床面變形方程，構(gòu)建二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型[11]。模型以港池口門潮位為邊界條件，圍堰及海岸設(shè)為固定邊界。港池區(qū)域網(wǎng)格尺寸最大100 m2，碼頭及拋泥區(qū)域局部加密，網(wǎng)格尺寸最大5 m2，時(shí)間步長2 s，總模擬時(shí)長為7 d。模型驗(yàn)證依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，預(yù)制梁板未安裝情況下，拋泥點(diǎn)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(duì)比拋泥回淤模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果可知，拋泥回淤厚度模擬值與實(shí)測值最大相差0.05 m，表明模型能夠較為準(zhǔn)確地反映拋泥回淤深度和范圍的規(guī)律。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，擬定4種計(jì)算工況，即設(shè)置4個(gè)位置拋泥，輸泥管流量1.5 m3/s，濃度為90 kg/m3，拋泥點(diǎn)為4個(gè)(每次只有1個(gè)位置拋泥)，碼頭長度方向以排架標(biāo)準(zhǔn)間距12 m布置，距離碼頭前沿線向海側(cè)分別取10、20、30、35 m。

圖3為不同工況下拋泥回淤模擬結(jié)果，由圖3可知，拋泥點(diǎn)距離碼頭前沿線10 m工況下，整體淤積影響最大，拋泥點(diǎn)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(diǎn)位于前沿線向海側(cè)30 m的工況下，碼頭前沿向岸側(cè)4.0 m內(nèi)回淤最大深度為0.6 m；拋泥點(diǎn)位于碼頭前沿線向海側(cè)距離35 m時(shí)，碼頭前沿向岸側(cè)4.0 m以內(nèi)回淤深度不超過0.20 m。由此可知，拋泥點(diǎn)距離35 m時(shí)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(diǎn)擬定為碼頭前線向海側(cè)35 m。

圖4 拋泥回淤數(shù)值模擬結(jié)果

3 結(jié)論

1)改進(jìn)高樁碼頭傳統(tǒng)施工工藝，在岸坡初步挖泥后先進(jìn)行水上沉樁，其后上部結(jié)構(gòu)施工與樁間土疏浚同時(shí)進(jìn)行。工程實(shí)踐結(jié)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(jìn)工藝后形成的受限空間下樁間土疏浚難度大，需根據(jù)作業(yè)空間、土質(zhì)、潮位與泥面高程等因素，采用小型挖機(jī)、改裝絞吸船及可潛水的水下清淤設(shè)備多種組合方式進(jìn)行疏浚。

2)通過現(xiàn)場標(biāo)識(shí)及斷面法快速計(jì)算疏浚量，生成水下地形圖，為受限空間疏浚施工提供精準(zhǔn)、直觀的依據(jù)；采用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型評(píng)估拋泥回淤程度，確定了拋泥臨界點(diǎn)，減少了拋泥距離過短或過長而分別產(chǎn)生泥沙回淤、水上作業(yè)干擾等問題，以此保障了高樁碼頭樁間土疏浚施工質(zhì)量。