劉德進，杜璐，曲俐俐

（中交一航局第二工程有限公司,山東青島 266071）

長期以來，由于受到徑流和潮流的雙重影響，從上海到南京的長江河段，河槽演變復(fù)雜，水深較淺，其中長江口通航航道自然水深僅6 m，成為通航的瓶頸。自1974年起，長江口依靠疏浚維持水深在7 m，年維護量約1 200萬m3，制約了上海、長江三角洲及長江流域經(jīng)濟的發(fā)展。1958年以來，一大批專家學(xué)者從不同學(xué)科專業(yè)角度，針對長江口治理方案作了大量研究。特別是1991—1993年開展的“八·五”國家重點科技項目（攻關(guān)）“長江口攔門沙航道演變規(guī)律及整治技術(shù)的研究”取得了重大進展[1]。歷經(jīng)40 a論證，從1997年國務(wù)院批準(zhǔn)建設(shè)長江口深水航道整治工程，到2020年長江口南槽航道整治完成，歷時多年打通了長江黃金水道，極大促進沿江經(jīng)濟發(fā)展。

長江深水航道整治系列工程是一項規(guī)模宏大的跨世紀(jì)工程，也是新中國成立以來最大的水運基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程，均以打造國家優(yōu)質(zhì)工程為目標(biāo)。建國初期，長江航道整治經(jīng)驗處于空白，大量專業(yè)船機設(shè)備和新結(jié)構(gòu)均從國外引進，半圓體堤、塑料排水板和砂袋等施工技術(shù)在國外應(yīng)用已較為成熟，中交一航局、二航局、三航局等單位在引進國外新技術(shù)的同時，積極開展了大量新工藝、新設(shè)備、新材料和新技術(shù)的研究與應(yīng)用，形成了諸多世界一流的深水航道整治施工關(guān)鍵技術(shù)。克服了惡劣的自然環(huán)境和復(fù)雜的水流流態(tài)，解決了項目建設(shè)專業(yè)施工裝備少、機械化程度低、深水、大流速等多項航道整治領(lǐng)域的世界級難題，提高我國在深水航道整治領(lǐng)域的綜合實力。為總結(jié)經(jīng)驗，進一步梳理航道整治施工關(guān)鍵技術(shù)，本文精選了在長江深水航道整治系列工程建設(shè)過程中開發(fā)的新技術(shù)、新裝備和新工藝，介紹了其工藝原理、技術(shù)發(fā)展歷程和實施效果，供同行交流學(xué)習(xí)。

1 長江深水航道整治系列工程概況

長江深水航道整治系列工程包括長江口深水航道整治工程一期、二期、三期，總投資123億元，長江南京以下12.5 m深水航道一期、二期，總投資約118億元，長江口南槽航道治理一期工程，總投資17.5億元，實現(xiàn)從長江口到南京12.5 m深水航道全線通航。

1998年，國家開始實施長江口深水航道整治工程，共分三期建設(shè)：一期工程位于南港北槽，北導(dǎo)堤位于橫沙淺灘南緣，南導(dǎo)堤位于九段沙北緣，從南北槽分叉處項口外延伸，包括南導(dǎo)堤30 km，北導(dǎo)堤20 km，丁壩10座，項目于1998年1月開工，2000年3月完工，實現(xiàn)水深8.5 m目標(biāo)；二期工程接一期工程導(dǎo)堤繼續(xù)向口外延伸，包括南導(dǎo)堤18 km，北導(dǎo)堤21 km，丁壩14座，項目于2002年4月開工，2005年3月完工，實現(xiàn)水深10 m全面貫通；三期工程主要為疏浚工程，疏浚量1.5億m3，2006年9月開工，2010年3月完工。三期建設(shè)中一期、二期以航道整治建筑物為主，三期以疏浚為主，長江口航道總平面圖見圖1。12 a艱辛建設(shè)，長江口深水航道治理工程告一段落，長江口12.5 m航道水深全面貫通，共建成各類導(dǎo)堤、丁壩等各類整治建筑物170 km[2]。

圖1 長江口深水航道總平面圖Fig.1 General plan of the Yangtze Estuary deep water channel

長江南京以下12.5 m深水航道工程是“十二五”和“十三五”期間全國內(nèi)河水運投資規(guī)模最大、技術(shù)最復(fù)雜的工程，工程總平面圖見圖2。工程共分三期實施，一期工程太倉至南通段于2011年8月開工建設(shè)，2014年7月完工；二期工程南通至南京段于2015年9月開工建設(shè)，2018年5月全線試運行；三期尚在研究階段。至此，南京至長江出?？陂L431 km，12.5 m深的水航道實現(xiàn)了全線貫通，9萬t大型海輪可直達(dá)南京，江蘇沿江港口從“河港”變?yōu)椤昂８邸薄?/p>

圖2 長江南京以下12.5 m深水航道工程總平面圖Fig.2 General layout of the 12.5 m deepwater channel project in the downstream from Nanjing of the Yangtze River

長江口南槽航道治理工程是“十三五”期間水運建設(shè)重點項目，分兩期實施：一期工程主體為沿江亞南沙南緣向下建設(shè)一條護灘堤，上游順接長江口深水航道分流魚嘴南線堤，總長約16 km，于2020年建成運行；二期工程尚在研究階段。工程2019年12月開工，2020年6月進入試運行。實現(xiàn)了5千噸級船舶滿載承潮雙線通航，兼顧1～2萬噸級船舶減載承潮通航，本工程平面布置圖見圖3。

圖3 長江口南槽航道治理工程一期工程平面布置圖Fig.3 Layout chart of the first phaseof thewaterway regulation project in the southern trough of the Yangtze Estuary

自1998年長江口12.5 m深水航道一期建設(shè)開始，經(jīng)過長江口12.5 m深水航道二期工程、長江南京以下12.5 m深水航道一期和二期工程，至2019年長江口南槽航道治理一期工程陸續(xù)建成并投入運營，長江黃金水道的功能得以充分發(fā)揮。在20余a長江深水航道系列工程建設(shè)過程中，研發(fā)了大量的航道整治施工新技術(shù)和新裝備，在水下基礎(chǔ)處理、深水砂被、深水軟體排鋪設(shè)、水下基床拋石整平、半圓體預(yù)制、出運安裝和水下檢測技術(shù)等領(lǐng)域不斷取得創(chuàng)新和突破，技術(shù)水平達(dá)到國際先進和領(lǐng)先水平，填補了我國航道整治領(lǐng)域的技術(shù)空白，引領(lǐng)了我國航道整治工程建設(shè)的技術(shù)進步。

1.1 長江深水航道整治工程主要結(jié)構(gòu)及規(guī)模

航道整治工程主要由導(dǎo)堤、潛堤、鎖壩和丁壩組成，主要結(jié)構(gòu)型式包括拋石混合堤（圖4）、拋砂混合堤（圖5）和半圓體混合堤（圖6）三種。工程主要工序一般包括水下基礎(chǔ)處理、軟體排護底、拋石筑壩、水下整平和構(gòu)件預(yù)制、出運及安裝。同時，航道整治工程因水下施工環(huán)境特殊，水下檢測技術(shù)在不斷更新?lián)Q代，對保障工程質(zhì)量具有重大意義。長江口深水航道工程一期、二期工程總投資約88億元，長江南京以下12.5 m深水航道一期、二期工程總投資約118億元，長江口南槽航道工程一期工程投資約17.5億元，建設(shè)規(guī)模宏大。長江深水航道整治系列工程建設(shè)規(guī)模見表1。

表1 長江深水航道整治系列工程建設(shè)規(guī)模Table 1 Construction scale of a series of deepwater channel regulation projectsin the Yangtze River

圖4 拋石混合堤典型結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Typical structureof theriprap mixed dike

圖5 拋砂混合堤典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Typical structureof thesand throwing mixing dike

圖6 半圓體混合堤典型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Typical structureof the semicircular body mixed dike

1.2 長江深水航道整治工程特點

1）自然條件復(fù)雜，工況惡劣

長江口深水航道整治工程一期工程地處江海交界處，二期工程又繼續(xù)向外海延伸，最遠(yuǎn)處距離橫沙東灘基地48 km，施工區(qū)域遠(yuǎn)離陸域，浪大流急，自然環(huán)境復(fù)雜，施工環(huán)境惡劣，年可作業(yè)時間僅140～180 d。而長江南京12.5 m深水航道整治工程位于南京至南通河段，施工區(qū)域的特點是水深流急，二期工程堤身范圍內(nèi)最深處泥面標(biāo)高為?35 m，余排范圍內(nèi)最深處泥面標(biāo)高為?44 m，水深最大流速2.1 m/s。為適應(yīng)長江航道惡劣的工況條件，中交一航局、二航局、三航局和四航局四個航務(wù)工程局均開展了自主研發(fā)，設(shè)計和建造了多艘專用船舶，這些船舶抗風(fēng)浪生存和作業(yè)能力強，大大增加了可作業(yè)時間。同時，為適應(yīng)長江南京12.5 m深水航道整治工程深水大流速工況，一航局和三航局進一步新改進和研發(fā)了專業(yè)深水鋪排船和深水定點拋石船，實現(xiàn)了航道整治工程專業(yè)船舶全部國產(chǎn)化[3]。

2）河勢變化不確定因素多，施工順序和結(jié)構(gòu)需進行調(diào)整

由于在長江河口開展了如此大規(guī)模的航道整治工程，因此盡管項目前期研究和試驗揭示了長江口水沙運動及河床演變的基本規(guī)律，提出了總體治理方案，但仍然存在一定的不確定性。而且在當(dāng)前技術(shù)水平條件下，作為整治方案基礎(chǔ)的數(shù)模、物模研究成果尚不可能做到定量準(zhǔn)確，尤其是施工過程中整治建筑物對河勢的影響更加復(fù)雜，合理施工程序只能在實踐中不斷研究和探索，因此在建設(shè)過程中，除嚴(yán)格按照業(yè)主制定的總體施工順序外，還根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測和試驗研究的結(jié)果進行動態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計[3]。

3）施工工程量大，施工強度高，組織難度大

長江深水航道整治系列工程規(guī)模巨大，工期緊，水上受風(fēng)浪、水流等因素限制，可作業(yè)時間有限。以長江南京以下12.5 m深水航道二期工程為例，護底軟體排約994萬m2、拋石約770萬m3施工，施工規(guī)模巨大，施工組織難度高，均創(chuàng)歷史記錄。

4）工程施工區(qū)域臨近航槽，施工與通航矛盾突出

長江中下游是長江最為繁忙的區(qū)段，而深水航道整治工程施工區(qū)域大多臨近主航道，甚至需要占據(jù)主航道施工。同時通航船舶密度高，在大霧、夜晚等不利條件下，外來船舶極易闖入施工區(qū)域。且施工所需材料設(shè)備等運輸均需要頻繁穿越航道，施工與通航矛盾突出。

5）生態(tài)環(huán)保要求嚴(yán)

項目建設(shè)施工區(qū)域大多鄰近近或位于水生生物保護區(qū)、飲用水水源區(qū)、水源保護區(qū)、取水口等生態(tài)敏感水域。為有效保護生態(tài)環(huán)境，減少工程對現(xiàn)有環(huán)境的影響，在涉及魚類繁殖季節(jié)或影響水質(zhì)時，需要暫時停工。

6）項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高

長江深水航道整治系列工程均以創(chuàng)建國家優(yōu)質(zhì)工程為目標(biāo)，對項目建設(shè)工作質(zhì)量提出了極高的要求，應(yīng)用了新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備要求各參建單位在施工過程中主動開展技術(shù)攻關(guān)。在深水鋪排、水下機械整平、深水定點拋石、深水大砂袋和大型半圓體預(yù)制安裝出運及安裝等關(guān)鍵工藝上取得了巨大突破，施工技術(shù)水平達(dá)到國際先進水平，其中坐底式基床拋石整平專用船、坐底式沉箱安裝專用船和基床整平、沉箱安裝工藝處于國際領(lǐng)先水平。

1.3 長江深水航道整治主要工藝

根據(jù)長江深水航道主要結(jié)構(gòu)特點和新型結(jié)構(gòu)的開發(fā)應(yīng)用，目前在深水航道整治施工過程中應(yīng)用較為廣泛的工藝主要有水下基礎(chǔ)加固、深水砂被鋪設(shè)、深水軟體排鋪設(shè)、水下拋石、水下基床整平，以及半圓體預(yù)制、出運及安裝。為了適應(yīng)越來越復(fù)雜的施工環(huán)境，在長江深水航道系列工程施工過程中，各航務(wù)局都創(chuàng)造性開發(fā)了一些新設(shè)備、新工藝和新技術(shù)：建造了國內(nèi)第一艘深水排水板打設(shè)船，解決了水下軟基加固這一世界難題；相繼開發(fā)了適用于水深15、20及40 m的專業(yè)鋪排船，解決了深水區(qū)護底施工難題；開發(fā)設(shè)計了料斗、溜槽、溜筒等多種專業(yè)拋石船，降低了拋石流失率；研究建造了例如步履式水下整平機、坐底式基床拋石船、水下拋石振平一體船等水下整平裝備，填補我國在水下整平技術(shù)空白；大型構(gòu)件的預(yù)制、出運及安裝成套技術(shù)的應(yīng)用，彌補了傳統(tǒng)拋石結(jié)構(gòu)工程量大，經(jīng)濟性差的弊端，為航道整治建筑物向深水區(qū)推進創(chuàng)造了條件。新工藝和新技術(shù)的成功應(yīng)用為打造黃金水道、鑄就國家優(yōu)質(zhì)工程奠定了堅實基礎(chǔ)。

2 水下基礎(chǔ)加固施工關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展

打設(shè)塑料排水板是20世紀(jì)80年代初研制的一種新型軟土地基加固工藝，一般用于陸上施工。2002年12月5日受強寒潮天氣影響，長江口施工水域浪高達(dá)3.5 m。大風(fēng)和大浪導(dǎo)致長江口深水航道治理二期整治建筑物工程已安放好的16個沉箱發(fā)生了不同程度的較大滑移和沉降，工程一度陷入停滯。經(jīng)分析認(rèn)為，沉箱劇烈沉降的主要原因是周期性波浪力作用于沉箱并傳給地基，從而引起了地基中軟土層的強度降低（軟化）[4]。中交一航局開展了地基抗軟化加固試驗，提出的在砂被上打設(shè)塑料排水板、在半圓體底部增加橡膠阻滑板等水下基礎(chǔ)加固施工技術(shù)解決了這一以往施工中從未遇到的技術(shù)難題。盡管陸上打設(shè)塑料排水板技術(shù)已在國內(nèi)多個工程中應(yīng)用、工藝較為成熟，但尚未在工況惡劣的海上實施過，為此，中交一航局建造了當(dāng)時國內(nèi)第一艘深水排水板打設(shè)船“成功1號”，首次成功實現(xiàn)了在長江口這種惡劣工況下正確打設(shè)排水板。

2.1 水下基礎(chǔ)加固施工工藝原理

打設(shè)塑料排水板基本工藝原理為在軟土層中增設(shè)豎向排水通道，使地基土在預(yù)壓荷載作用下，加速排水固結(jié)，從而達(dá)到提高地基土強度的目的。應(yīng)用新設(shè)計的打設(shè)樁靴減少破壞袋體，利用牽引定尺排水板入管的引繩作為“回帶”判定的測量工具，解決了拔管時排水板回帶的問題。

2.2 水下基礎(chǔ)加固施工技術(shù)簡介

“成功1號”打設(shè)船（圖7）船長60 m、寬30 m、型深5 m。船上設(shè)置12臺打設(shè)機，主架高38 m，可打設(shè)水面以下30 m深度的塑料排水板，最高施工效率為每天打設(shè)3 000根。該船形似雙體船，船體中央有一處6 m×30 m的開孔，可移動的12臺打設(shè)機分兩排布置在開孔兩側(cè)的軌道上，這種布置的優(yōu)點是排水板打設(shè)時受風(fēng)浪影響小，打設(shè)點位的調(diào)整機動靈活。

圖7 塑料排水板打設(shè)船“成功1號”Fig.7 Vessel “Success 1” for piling plastic drainageboard

打設(shè)船配備兩臺GPS和專用施工軟件，根據(jù)施工圖計算出定位坐標(biāo)，輸入電腦生成電子海圖，打設(shè)船在電子海圖的指引下準(zhǔn)確定位。

為了提高施工速度，預(yù)先把排水板裁剪成一定長度的單根板段，施工人員將尼龍繩上的掛鉤掛住塑料排水板上端已束好的鐵絲扣，人工拉尼龍繩將塑料排水板從套管底部穿入套管內(nèi)部，下端彎折別住樁靴，直至樁靴封住套管下口。定位及穿管完成后，技術(shù)人員測定套管垂直度和水深，確定套管入土深度，確保排水板的打設(shè)滿足設(shè)計要求。

開動振動錘進行打設(shè)，待套管打至預(yù)定標(biāo)高時立即放松拉住排水板的尼龍繩，同時向上拔套管。當(dāng)套管全部拔出后，拉脫排水板頭部鐵絲，使排水板和尼龍繩脫離。一根排水板打設(shè)完畢并檢驗合格后，做好記錄，移動主架到下一個板位繼續(xù)施工。

為解決打設(shè)過程中穿透砂被和塑料排水板在軟土中的“回帶”問題，中交一航局反復(fù)試驗研究，成功研制了一種特殊的塑料排水板打設(shè)板靴，將橡膠阻滑板用于沉箱底面，探索出了一整套帶橡膠阻滑板的沉箱預(yù)制施工工藝，使橡膠阻滑板和沉箱底面的牢固連結(jié)得到了保證，該技術(shù)的實現(xiàn)系國內(nèi)首次成功解決地基軟化技術(shù)難題。塑料排水板打設(shè)完畢后，要及時覆蓋護底軟體排，以減少砂被中砂的流失[5]。

2.3 水下基礎(chǔ)加固工藝實施效果

2003年，深水排水板打設(shè)施工被首次應(yīng)用于長江口深水航道二期工程軟基加固，經(jīng)過反復(fù)研究和在海上多次試驗的基礎(chǔ)上，對塑料排水板打設(shè)設(shè)備和工藝進行了改進，研制成功了一種特殊的塑料排水板打設(shè)頭,較好地解決了打設(shè)過程中穿透砂被、軟體排以及塑料排水板在軟土中的“回帶”問題。二期工程中，中交一航局、二航局和三航局共建造了5艘深水排水板搭設(shè)船，打設(shè)排水板約700萬m分項工程的優(yōu)良品率達(dá)到94.1%，同時中交一航局創(chuàng)造了一條船1 d打設(shè)4 800根的最高紀(jì)錄。

3 深水砂被鋪設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及發(fā)展

2002年，砂被鋪設(shè)工藝首次應(yīng)用在長江口深水航道治理二期工程中，主要用于地基加固的第一道工序，施工水深較淺。在當(dāng)時，國外尚未見關(guān)于海洋工程大規(guī)模鋪設(shè)砂被的報道。為解決專業(yè)船機不足的問題，各工程局先后建造了多艘專業(yè)鋪排船，中交一航局改造了“鋪排1號”和“鋪排3號”兩艘鋪排船，將其用于砂被鋪設(shè)。2015年，在長江南京以下12.5 m深水航道二期工程中，中交一航局通過改進砂被袋體結(jié)構(gòu)，研發(fā)了深水水下充灌大型袋裝砂堤心施工技術(shù)和鋪排船滾筒預(yù)先卷裝砂袋工藝，在水深超過36 m的條件下，實現(xiàn)了國內(nèi)外最大砂袋尺寸（128 m×26 m）、充灌量約5 000 m3的大型砂被堤心水下連續(xù)一次成型施工[6]。該技術(shù)的成功應(yīng)用相比小型袋裝砂拋填具有施工精度高、材料損耗低的優(yōu)點。2020年，在長江口南槽航道工程中，中交三航局首次將疏浚土用作袋裝砂堤心填筑材料，實現(xiàn)了資源節(jié)約。

3.1 深水砂被施工工藝原理

砂被是使用強度較高的土工布和丙綸加筋帶縫制而成的袋體，袋體上層預(yù)留充填口，通過軟管將砂充填至袋體內(nèi)，形成一個大砂袋，用作壓載體或筑堤。在長江口深水航道治理二期工程中，砂被被用作地基的水平排水通道，同時也可以防止砂顆粒流失，是堤體結(jié)構(gòu)的第一道工序。隨著砂被結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣，在長江南京以下12.5 m深水航道二期工程中砂被也成為一種堤體結(jié)構(gòu)，相比拋石堤和預(yù)制結(jié)構(gòu)混合堤具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，但受施工工藝限制，砂被鋪設(shè)水深有限，一般只用作淺水區(qū)和陸域筑堤，在深水區(qū)往往采用小砂袋拋填工藝。

3.2 深水砂被施工技術(shù)簡介

砂被鋪設(shè)施工采用鋪排船充灌鋪設(shè)工藝。具體步驟如下：①鋪排船在GPS引導(dǎo)下進入施工現(xiàn)場，拋錨定位；②根據(jù)鋪排船與砂被鋪設(shè)位置精準(zhǔn)移船定位，并測量水底原泥面高程；③運砂船靠泊在鋪排船一側(cè)，連接輸砂軟管，將砂被預(yù)先卷在鋪排船卷筒上；④開啟泥漿泵將砂充入砂被，袋體頭部隔倉充灌成型；⑤緩慢下降斜板，在頭部隔倉自重下將鋪排船卷筒的袋體徐徐下放到泥面；⑥絞錨移船與充灌同步進行，并通過測深儀控制砂被充灌厚度，直至砂被全部鋪放到水底后，繼續(xù)進行充灌，直至袋體充灌飽滿[7]。

在長江南京以下12.5 m深水航道二期工程中，中交一航局通過選擇深水鋪排船、改進砂被結(jié)構(gòu)，采用多排雙層袖口，實現(xiàn)了水下連續(xù)充灌；通過合理布置加筋帶，提高了袋體強度，增加了其對水深的適應(yīng)性；通過設(shè)置頭部隔艙，提高了袋體的著床準(zhǔn)確度，成功實現(xiàn)了深水區(qū)的砂被鋪設(shè)施工。

3.3 深水砂被工藝實施效果

專用鋪排船在2002年長江口深水航道治理二期、2015年長江南京以下12.5 m深水航道二期工程中均應(yīng)用了上述深水砂被鋪設(shè)關(guān)鍵技術(shù)成果，取得了良好的施工效果。并在2015年應(yīng)用更加專業(yè)的深水鋪排船，實施了水深10 m以下充灌袋裝砂堤心施工工藝。該工藝系我國首次應(yīng)用，較之傳統(tǒng)的拋填袋裝砂施工工藝，避免了因水深、流速過快引起小砂袋離散而造成的浪費，能極好地控制堤心成型坡度。同時，充灌砂袋較之小砂袋，土工布用量明顯降低，極大地提高了施工效率，避免了施工材料浪費，大大降低了施工成本。

4 深水軟體排鋪設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及發(fā)展

1998年，軟體排護底施工工藝首次應(yīng)用于長江口深水航道治理一期工程，為此，各參建單位均建造了專業(yè)鋪排船，其中中交一航局建造了3條先進的大型專用鋪排船，可承擔(dān)長200 m、寬39.5 m、最大施工水深約20 m的各類軟體排鋪設(shè)施工，是當(dāng)時國內(nèi)最先進的鋪排船。

2012年，長江南京以下12.5 m深水航道一期工程建設(shè)工程中，狼山沙堤身軸線左緣河床沖刷嚴(yán)重，相比預(yù)計的沖刷深度為10 m，河床最大水深達(dá)到32 m，水深加大使排體受水流的荷載急劇增加，國內(nèi)沒有能滿足該工況的鋪排船，工程一度陷入停工狀態(tài)。為此中交一航局迅速成立科研團隊，首次提出了移動坐標(biāo)系與懸鏈線模型相結(jié)合并疊加水流力工況下的排體受力計算方法，研發(fā)了同步、異步放排移船施工技術(shù)，其成為深水鋪排的關(guān)鍵技術(shù)，可在水深為2～40 m、流速為2 m/s的往復(fù)流工況下作業(yè)?；谏钏伵藕奢d懸鏈線理論，確定了受力計算模型及公式；開展了航道水流力阻力系數(shù)取值等研究。40 m水深的施工工況的理論計算結(jié)果與現(xiàn)場驗證結(jié)果吻合良好[8]?；谶@些技術(shù)進展成功改造的“方駁126”（圖8）和“半潛1”兩艘深水鋪排船能滿足40 m水深施工需求，順利完成了長江南京以下12.5 m深水航道一期、二期工程軟體排鋪設(shè)。

圖8 “方駁126”40 m水深深水鋪排船施工Fig.8 Vessel “Fangbo126”for theconstruction of laying 40m deep water soft drainage

4.1 軟體排鋪設(shè)施工工藝原理

鋪排船主要由船體、卷筒、可傾斜滑板和吊機組成，通過事先卷在卷筒的排布，吊機將壓載塊吊裝固定在排體上，傾斜滑板，利用固定在排體上壓載塊的自重實現(xiàn)排體下沉入水，形成流水作業(yè)，將排體鋪在河床上。護底軟體排由土工織物加工縫制而成，壓載混凝土連鎖塊，通過專用鋪排船將排體鋪在水底。用于保護水工建筑物基礎(chǔ)下一定范圍內(nèi)原泥面不受水流沖刷，避免建筑物沉陷。軟體排護底已經(jīng)成為航道整治工程最關(guān)鍵、使用最廣泛的護底施工工藝。

4.2 軟體排鋪設(shè)施工技術(shù)簡介

鋪軟體排鋪設(shè)施工工序包括鋪排船定位、卷排、移船定位、充灌砂肋或安放聯(lián)鎖片、放排、移船、檢測等步驟。

1）鋪排船定位

將鋪排區(qū)域點的坐標(biāo)輸入GPS定位監(jiān)控系統(tǒng)，并生成施工區(qū)域電子海圖，拖輪及錨艇協(xié)助鋪排船拋錨定位，調(diào)整錨纜，使鋪排船準(zhǔn)確就位

2）展排、卷排

將排布在甲板上拆封展開，驗證排體出廠合格證的尺寸符合要求后方可開始卷排。通過鋼絲繩與丙綸繩，將卷筒與排布連接，卷排時操作人員將排布向兩側(cè)拉緊，卷緊卷勻，避免排布收縮。

3）排頭側(cè)混凝土聯(lián)鎖塊吊安及余排下水

聯(lián)鎖塊運輸船靠泊后，進行吊機吊裝，用丙綸繩將排體和綁扎環(huán)兩種物體牢固綁扎，調(diào)整斜板與水平成35°并鎖定，保證定位斜板前端與設(shè)計鋪排區(qū)域的端線重合。松開卷筒剎車放排，計算水深及放排長度，至第一排混凝土聯(lián)鎖塊坐底時，該排聯(lián)鎖塊位置即設(shè)計端線位置。繼續(xù)吊安聯(lián)鎖塊，在GPS電子海圖指導(dǎo)下邊放排邊退船，使排體平整鋪于水底，根據(jù)放排長度、水深確定移船距離（圖9）。

圖9 聯(lián)鎖塊軟體排鋪設(shè)Fig.9 Laying of interlock block soft body

4）堤身砂肋排鋪設(shè)

將取砂船停靠在鋪排船一側(cè)待用。在砂肋充灌前，操作人員將砂肋袋穿入排體上的砂肋環(huán)中，用高壓水槍向泥駁艙內(nèi)注水，然后啟動泥漿泵開始充砂，當(dāng)砂肋袋充滿砂后，扎緊袋口，啟動卷筒開始沉排（圖10）。沉排操作同混凝土聯(lián)鎖塊排沉放方法相同。

圖10 堤身砂肋排鋪設(shè)Fig.10 Laying of dikesand rib

5）排尾聯(lián)鎖塊余排沉放

排尾聯(lián)鎖塊余排沉放方法同排頭聯(lián)鎖塊余排。

6）水下排體檢測

當(dāng)軟體排鋪設(shè)完成后，及時對排體鋪設(shè)質(zhì)量進行檢測。對不符合設(shè)計要求的鋪排檢測不符合設(shè)計要求的，經(jīng)監(jiān)理同意后進行補排處理。水下排體檢測技術(shù)有浮漂法、潛水員水下探摸法、旁掃聲吶檢測法、多波束檢測法和MS-1000水下聲吶等多種檢測手段。

4.3 軟體排鋪設(shè)檢測技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展

在20余年來，水下檢測技術(shù)日新月異。在長江深水航道整治系列工程中，1998年長江口深水航道一期工程開創(chuàng)性地發(fā)明了倒垂浮漂法和潛水探摸法進行水下軟體排質(zhì)量檢測，后期陸續(xù)引進了多種水下聲吶檢測技術(shù)，如2012年廣泛引進的旁掃聲吶、超短基線、2015年由中交一航局首先引進的Sonic 2024多波束和由中交三航局最早引進的MS-1000水下成像多種可視化檢測技術(shù)，將水下工程情況以三維圖像展示出來，實現(xiàn)了事中和事后雙重可視化檢測，及時發(fā)現(xiàn)和處理了施工中的問題，極大提高了工程質(zhì)量。

4.3.1 浮漂法及潛水探摸法

排體的定位和排體之間的搭接是決定軟體排鋪設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵。在長江口航道整治工程一期、二期工程中，軟體排檢測技術(shù)首次采用背包式GPS檢測系在排體邊緣的浮漂，從而通過浮漂確定排體的實際位置，并由潛水員水下探摸排體搭接、位置等質(zhì)量情況。

4.3.2 旁掃聲吶及超短基線檢測技術(shù)

傳統(tǒng)浮漂倒垂法軟體排檢測技術(shù)受水流、水深影響較大，流速和水深較大時誤差也逐步增大。為確保軟體排搭接質(zhì)量，準(zhǔn)確測量排體實際鋪設(shè)位置，2012年，在長江南京以下12.5 m深水航道一期工程中，參建單位陸續(xù)引進了“旁掃聲納”和“超短基線”等先進的測量設(shè)備，開發(fā)了水下檢測技術(shù)，通過對旁掃掃測圖像分析，可直觀發(fā)現(xiàn)軟體排鋪設(shè)后搭接情況及排體質(zhì)量，實現(xiàn)了由不可視變?yōu)榭梢暤木薮筮M步，保證了鋪排質(zhì)量。但旁掃聲吶只能作為事后檢測手段，因此中交一航局還應(yīng)用超短基線作為事中檢測手段，有效提高了軟體排鋪設(shè)質(zhì)量。

1）旁掃聲吶檢測技術(shù)原理

旁掃聲吶設(shè)備通過向水底發(fā)射聲吶信號，并對聲吶信號進行接收、處理、傳輸，得到水下檢測物的圖像。軟體排鋪設(shè)后，根據(jù)排體設(shè)計位置進行檢測，測量船拖引側(cè)掃聲吶設(shè)備沿掃趟進行測量，得到軟體排鋪設(shè)后的完整圖像，可直觀分析排體的鋪設(shè)質(zhì)量，檢測圖如圖11所示。

圖11 旁掃聲吶檢測圖Fig.11 Detection with side scan sonar

2）超短基線檢測技術(shù)原理

超短基線檢測技術(shù)利用鋪排過程中系在排體兩側(cè)的信標(biāo)采集排體著床后實際邊線坐標(biāo)（圖12），測量完成后利用控制器釋放信標(biāo)，實現(xiàn)信標(biāo)的回收利用。通過與相鄰已鋪軟體排邊線坐標(biāo)的比較，實時計算排體搭接寬度，并根據(jù)搭接量的大小指導(dǎo)鋪排船進行調(diào)整。該系統(tǒng)測量過程中不受水深影響，能夠大幅提高定位精度，確保排施工質(zhì)量。但由于單個成本高，測量數(shù)據(jù)較少，在后續(xù)項目很少使用。

圖12 超短基線檢測示意圖Fig.12 Detection with ultra-short baseline

4.3.3 多波束檢測技術(shù)

2015年，在長江南京以下12.5 m深水航道二期工程中，由中交一航局率先引進了Sonic2024多波束測深系統(tǒng)（其量程分辨率為1.25 cm，覆蓋范圍為10°～160°實時可選，波束最大值為1 024個，最大量程為500 m），首次將多波束測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于整治建筑物過程控制及水下檢測，基本實現(xiàn)了水下隱蔽工程可視化、定量化分析，可以準(zhǔn)確測量出水下排體邊線位置、分析排體鋪設(shè)質(zhì)量，結(jié)合上一張排體邊線坐標(biāo)可計算出相鄰排體間的搭接量，實現(xiàn)了水下軟體排搭接量檢測從定性到定量的跨越[9]。且根據(jù)上一張軟體排鋪設(shè)后的準(zhǔn)確邊線坐標(biāo)，在保證搭接寬度的前提下及時調(diào)整待鋪軟體排的位置，節(jié)約了施工成本。軟體排檢測如圖13所示。

圖13 多波束檢測水下軟體排Fig.13 Detection of underwater soft array with multi-beam

4.3.4 MS-1000掃描聲吶檢測技術(shù)

MS-1000掃描聲吶檢測技術(shù)最早由中交三航局在2016年長江南京以下12.5 m深水航道二期工程建設(shè)中引進。2019年，在長江口南槽航道治理一期工程建設(shè)中，中交一航局也引進了MS-1 000水下成像檢測技術(shù)，實現(xiàn)了水下軟體排實時成像。該技術(shù)是通過固定在相鄰排體搭接區(qū)域上方支架上的聲吶設(shè)備進行監(jiān)測（圖14），在鋪排過程中，隨著船體后移及排體下放，可以實時監(jiān)測排體在重力作用下自身收縮和水流沖刷等情況下的實時圖像（圖15），可實時測量相鄰排體之間的搭接寬度，從而及時修正船位，確保軟體排有效搭接。此系統(tǒng)掃測探頭可360°旋轉(zhuǎn)掃測。

圖14 MS-1000掃描聲吶安裝圖Fig.14 Mounting of MS-1000 scanning sonar

圖15 MS-1000掃描聲吶掃測排體成像圖Fig.15 Image of the underwater soft array detected with MS-1000 scanning sonar

4.4 工藝實施效果

軟體排鋪設(shè)施工工藝自1998年首次應(yīng)用于長江口深水航道治理一期工程，已形成具有完全知識產(chǎn)權(quán)的施工技術(shù)。2015年，在長江南京以下12.5 m深水航道二期工程建設(shè)過程中，中交一航局建造的“方駁126”深水鋪排船創(chuàng)造了鋪設(shè)泥面標(biāo)高42.9 m、排長642.6 m和超深、超長2項國內(nèi)記錄，標(biāo)志著我國在軟體排鋪設(shè)關(guān)鍵技術(shù)上取得了新的突破，也再次驗證了該深水鋪排船優(yōu)異的技術(shù)性能。

5 水下基床拋石整平關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及發(fā)展

基床拋石及整平是重力式水工結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工序，長江口一期、二期工程建成半圓體堤基床約49 km，長江南京以下12.5 m深水航道一期工程建成半圓形堤基床3 km，二期工程建成構(gòu)件基床2.5 km，長江口南槽航道治理一期工程建成半圓體堤4.03 km?；矑伿焦こ塘看螅┕すr條件差，浪高、流急，常規(guī)水下人工整平需在平潮時才能施工，可作業(yè)時間短。長江口二期工程相比一期工程工況更加惡劣，施工現(xiàn)場浪高、流急，常規(guī)水下人工整平工藝難以滿足設(shè)計要求。因此，研制機械化程度高、操作簡便、施工效率高、抗風(fēng)浪能力強，并能滿足構(gòu)件安裝精度的新工藝、新設(shè)備勢在必行。

20世紀(jì)70年代以來，多家工程局雖研制過框架式、搖臂式水下整平機，甚至引進過日本的夯擊整平錘，但終因配套工藝設(shè)備研制及控制技術(shù)開發(fā)等方面的困難，未能形成實用化的成果。1998年，為建設(shè)長江口一期工程，中交一航局自行研制了坐底式基床拋石整平船“青平1號”，從人工整平向機械整平邁出了一大步（圖16）。在2002年長江口深水航道二期工程中，中交一航局在“青平1號”的基礎(chǔ)上開發(fā)了適用性更強的“長建1號”坐底式拋石整平船（圖17）。該船最大的優(yōu)勢是適應(yīng)水深更大、整平基床更寬、抗風(fēng)浪能力更強。經(jīng)鑒定該拋石整平船的研制為國內(nèi)外首創(chuàng)，總體技術(shù)達(dá)到了國際先進水平，其中拋石整平工藝技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位。同時，中交二航局也研發(fā)了“航工平一號”平臺式基床拋石整平船（圖18），該船通過抬升船體，提高了船舶抗風(fēng)浪性能。中交三航局研發(fā)了升降料斗式拋石船（圖19）和步履式水下整平機（圖20），改寫了傳統(tǒng)人工、反鏟或吊機網(wǎng)兜拋石施工方式，同時水下整平機對水深和基床寬度適應(yīng)性更強。各類拋石整平船、拋石船和整平機的研發(fā)，為長江口深水航道整治工程順利實施做出了巨大貢獻。

圖16 “青平1號”整平船F(xiàn)ig.16 Vessel “Qingping 1” for seabed leveling

圖18 平臺式基床拋石整平船“航工平一號”Fig.18 Platform-type vessel“Hanggongping 1”for seabed riprap leveling

圖19 升降料斗式拋石船F(xiàn)ig.19 Lift-hopper-type vessel for rock rip-rap

圖20 步履式水下整平機Fig.20 Walking-typeunderwater leveler

2015年，為適應(yīng)長江南京以下12.5 m深水航道二期工程水深、大流速的惡劣工況，解決拋填物漂移距大、流失嚴(yán)重以及斷面成型難度高的難題，中交一航局自主設(shè)計研制了“砂樁1號”深水定點拋石船（圖21），實現(xiàn)了最大作業(yè)水深35 m、最大流速2 m/s工況下塊石的快速精確拋填施工作業(yè)。同年，中交三航局又建造了“三航駁183”溜筒拋石船（圖22），該船配置最大長度18 m、適宜拋填級配200～300 kg塊石的溜筒，高質(zhì)量地完成了平均水深16～17 m、堤頂寬度3 m的拋石施工。并在以往水下整平機的基礎(chǔ)上，新開發(fā)了無線遙控水下步履式整平機（圖23），可自動調(diào)整整平控制標(biāo)高，通過刮鏟和碾壓整平基床塊石，整平精度達(dá)到細(xì)平。

圖21 砂樁1號溜槽拋石船F(xiàn)ig.21 Vessel “Shazhuang 1” for rock rip-rap

圖22 “三航駁183”溜筒拋石船F(xiàn)ig.22 Vessel “Sanhangbo 183”for rock rip-rap

圖23 無線遙控水下步履式整平機Fig.23 Wireless remote controlled underwater walking leveler

2019年實施長江口南槽航道治理一期工程時，中交一航局以“砂樁1號”深水定點拋石船為基礎(chǔ)，在船體左舷增加了振動振平模塊，一船兩用，即可精準(zhǔn)拋填塊石、也可進行水下高精度整平（圖24），能夠?qū)崿F(xiàn)±5cm基床振密整平。裝備具有小型化以及組裝、拆裝和運輸便捷的特點，提高了基床密實度、平整性和施工效率，減少了工后沉降。以下主要介紹作者所在的中交一航局研發(fā)的坐底式基床拋石整平船和深水定點拋石振平一體船。

圖24 “砂樁1號”拋石振平一體船F(xiàn)ig.24 Vessel “Shazhuang 1” for riprap together with vibration leveling

5.1 坐底式基床拋石整平船

5.1.1 整平船簡介及工藝原理

1）青平1號

船體主尺度為：總長57 m，型寬25 m，艏艉樓型深12 m，片體型寬4.5 m，片體型深5 m，滿載吃水3.5 m，空載吃水2.8 m，最大坐底工作水深9 m，中間開口42 m×16 m。

船舶坐底穩(wěn)定性良好，按長江口水域工作條件設(shè)計，7級風(fēng)以下海況可以24小時正常作業(yè)，10級風(fēng)以下海況可以就地坐底抗風(fēng)停泊。

作業(yè)原理：整平機主要由整平框架和整平“刮刀”兩部分組成。通過向壓載艙注水使船坐底，然后沿軌道將刮刀向前推進，將基床頂面不平整的塊石推平實現(xiàn)基床的整平。導(dǎo)軌采用了“GPS定位技術(shù)+數(shù)字吃水測量技術(shù)”，構(gòu)成了整平方位、標(biāo)高測控系統(tǒng)，“刮刀”底標(biāo)高即整平標(biāo)高系通過GPS系統(tǒng)及設(shè)在框架兩端的壓力傳感器測深系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)操縱液壓缸升降整平機框架來完成[10]，系統(tǒng)原理如圖25所示。

圖25 整平船測控系統(tǒng)原理圖Fig.25 Schematic diagram of measure and control system of the leveling vessel

2）長建一號

“長建一號”坐底式基床拋石整平船系在“青平1號”成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上為適應(yīng)長江口二期工程的深水、軟弱地基作業(yè)和基床斷面加寬的需要所建造?！伴L建一號”的結(jié)構(gòu)型式、工藝原理與“青平一號”基本相同，但船體尺寸更大，抗浪能力和施工效率更高。

船體主尺度為：總長60.8 m，型寬34 m，型深16 m，設(shè)計最大吃水深度14 m，一次定位最大整平長度30 m，最大整平寬度（刮刀設(shè)計寬度）18 m。

船舶坐底穩(wěn)定性更好，在10級以下大風(fēng)中仍可就地抗浪。

5.1.2 水下基床整平關(guān)鍵技術(shù)工藝

整平船依靠GPS和電子海圖的指引，由拖輪拖至整平區(qū)域，調(diào)整壓載水和錨纜使整平船保持平穩(wěn)漂浮狀態(tài)，完成定位后向壓載艙注水，整平船下沉坐底。操作人員根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整整平機架處于同一水平面，同時將刮刀調(diào)整至整平標(biāo)高。

整平船拋石采用克令吊抓取石料拋入指定區(qū)域，施工人員嚴(yán)格控制拋石的標(biāo)高和進尺。拋石每向前推進3 m左右，起動刮刀將石料刮平。當(dāng)完成一個船位的拋石整平后，進行基床標(biāo)高測量，測量完畢整平船起浮移至下一船位繼續(xù)作業(yè)[11]。

5.1.3 實施效果

坐底式拋石整平船施工效率高，“青平1號”每個工作日可完成700 m2，整平誤差一般能控制在±5 cm之內(nèi)，質(zhì)量穩(wěn)定。采用坐底式基床拋石整平船后，一期工程工期的關(guān)鍵工序提前14個月完成，是傳統(tǒng)人工拋石整平方法無法比擬的，且取得了良好的經(jīng)濟效益。“長建1號”綜合效率可達(dá)到完成重力式基床拋石整平90延米/日。該拋石整平船的研制為國內(nèi)外首創(chuàng)，總體技術(shù)達(dá)到了國際先進水平，其中拋石整平工藝技術(shù)處于領(lǐng)先地位。

5.2 深水定點拋石振平一體船

“砂樁1號”深水定點拋石振平船以“砂樁1號”船為母船，在船左舷增加了1個溜槽式拋石模塊和1個振平模塊，配備25 t起重機1臺。船長55 m，寬25 m，型深4 m，吃水2.2 m。拋石模塊一次拋石范圍為20 m×2 m，溜槽分為2節(jié)，分別為18 m和14 m，最大入水深度為32 m，設(shè)計可抵抗1.2 m/s流速的水流力。振平模塊一次船位整平有效長度為10.5 m，震動錘最大激振力為230 t[12]。

5.2.1 工藝原理及結(jié)構(gòu)組成

1）深水定點拋石工藝原理及結(jié)構(gòu)組成

深水定點拋石是利用深入水下的裝置減小塊石在水中漂移距離的原理，實現(xiàn)深水定點拋石。供料船靠泊拋填船右舷的側(cè)靠泊結(jié)構(gòu)，通過挖掘機或者皮帶向拋石船料斗供料，利用拋填導(dǎo)向裝置阻止水流沖擊石料或者砂袋產(chǎn)生偏差，溜槽可上下提升，水平方向可沿著軌道梁移動。溜槽頂端設(shè)有GPS定位裝置，底端安裝有高度計。通過實時測量基床頂面標(biāo)高從而精準(zhǔn)控制拋石量，實現(xiàn)深水定點拋填作業(yè)施工。該拋填結(jié)構(gòu)由溜槽、臺車軌道梁、移動及提升臺車、懸挑梁、測控系統(tǒng)、料斗等組成[13]?！吧皹?號”深水拋填船結(jié)構(gòu)圖見圖26。

圖26 拋石振平一體船——拋填結(jié)構(gòu)Fig.26 Riprap vibration integrated ship:riprap structure

2）水下振平工藝原理及結(jié)構(gòu)組成

振動夯平工藝是基于振動夯實技術(shù)的一種整平方法，利用振動夯實的原理將原本凹凸不平的塊石，通過振動將塊石從新排列組合，使基床表面達(dá)到平整的方法。主體結(jié)構(gòu)由振動模塊、臺車模塊、軌道模塊組成，輔助測控定位系統(tǒng)。振動模塊頂端設(shè)GPS測量高程，控制整平標(biāo)高，水平位置以激光測距儀測量。結(jié)構(gòu)如圖27所示。

圖27 拋石振平一體船——振平結(jié)構(gòu)Fig.27 Riprap vibration integrated ship: vibration structure

5.2.2 水下基床拋石整平關(guān)鍵技術(shù)

1）深水定點拋石施工技術(shù)

施工前，需根據(jù)水下地形測量情況，確定拋填位置的溜槽下放深度，且使拋填船根據(jù)水流情況將溜槽迎向水流方向定位。水下拋石采用分條、分段、分層施工，將施工船按照劃分好的網(wǎng)格進行準(zhǔn)確定位，運輸船靠泊拋填船溜槽一側(cè)，可根據(jù)理論計算網(wǎng)格方量，通過挖機將石料裝填至料斗內(nèi)，石料通過溜槽下滑，每完成1個網(wǎng)格后沿軌道移動溜槽，直至完成1個船位的拋填，再移動船至下一拋填區(qū)域。施工過程中可根據(jù)拋填位置調(diào)整溜槽下放深度，從而避免溜槽觸底，同時可根據(jù)溜槽GPS和高度計測量拋石標(biāo)高，及時調(diào)整拋填量，實現(xiàn)水下精準(zhǔn)拋石[14]。定點拋石施工示意圖見圖28。

圖28 定點拋石施工示意圖Fig.28 Sketch map of fixed-point riprap construction

2）水下振動整平施工技術(shù)

水下基床振平前，先在基床上拋填1層二片石。將振平船按照劃分的網(wǎng)格順堤身軸線定位，振動錘從固定狀態(tài)牽引至工作狀態(tài)，定位準(zhǔn)確后，可通過提升卷揚機將振動錘緩慢下放至著底，且緩慢開動振動錘，通過錘頂GPS測量基床標(biāo)高，達(dá)到設(shè)計標(biāo)高時停錘，施工時也可在軟件上設(shè)置自動停錘標(biāo)高，實現(xiàn)自動停錘、自動提錘，通過卷揚機將錘籠整體牽引至下一錘位，重復(fù)上述操作，直至1個船位振平完成。水下基床整平作業(yè)狀態(tài)見圖29。

圖29 水下基床振平施工Fig.29 Construction of underwater foundation bed leveling

5.2.3 工藝實施效果

“砂樁1號”拋石整平一體船拋石模塊施工效率最大為1 600 m3/d，拋石精度為±50 cm（10～100 kg），拋石質(zhì)量完全滿足后續(xù)基床整平精度要求。振平模塊施工效率最大為800 m2/d，整平精度為±5 cm，振平模塊可實現(xiàn)24小時連續(xù)作業(yè)，且施工不受漲落潮流影響。該船成功應(yīng)用在長江南京以下12.5 m深水航道二期工程和長江口南槽航道治理一期工程中，實現(xiàn)了深水大流速定點拋石和水下機械整平，降低了材料損耗，提高了施工質(zhì)量和效率，實現(xiàn)了模塊化施工。

相比長江口深水航道一期、二期建造的“青平1號”和“長建1號”坐底式基床拋石整平船，“砂樁1號”拋石整平一體船不受基床尺寸影響，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模塊化和小型化，可以安裝在其他船舶上，降低了船舶建造費用，同時也適用于重力式碼頭結(jié)構(gòu)施工。

6 半圓體預(yù)制、出運及安裝成套關(guān)鍵技術(shù)研究與發(fā)展

半圓體堤型式自1995年從日本引進，在天津新港南疆港區(qū)設(shè)計建造了530 m的防浪圍堤。由于半圓體堤對地基承載力要求較低，減少了拋石筑堤工程量，且其水上作業(yè)工序少，因而安裝后即有較強的抗浪穩(wěn)定性。從長江口深水航道一期工程開始，半圓體堤正式大規(guī)模應(yīng)用于航道整治工程中，后陸續(xù)在長江口深水航道二期工程、長江南京以下12.5 m深水航道一期工程和長江口南槽航道治理一期工程中推廣應(yīng)用，共建成半圓體堤56 km。

1998年，長江口深水航道一期工程共有不同規(guī)格、不同結(jié)構(gòu)的鋼筋砼半圓體2 493個，單個重約200 t。半圓體在預(yù)制場完成預(yù)制成型、頂升裝車后由卷揚機牽引出運至碼頭、駁船運輸至現(xiàn)場、起重船安裝的施工工藝。由中交一航局研發(fā)并投入使用步行式液壓頂推系統(tǒng)，首次在國內(nèi)成功地使用頂推技術(shù)出運沉箱。

2002年，由于長江口深水航道二期工程進一步向外海延伸，要求半圓型沉箱尺寸更大，同時為了降低投資，采用了內(nèi)部填充砂的工藝，長19.94 m，最大底寬17 m，高8.5 m的半圓型沉箱共544個，單個質(zhì)量840～1 272.6 t。為了滿足大量超大型半圓形沉箱安裝和施工海域作業(yè)惡劣環(huán)境的要求，中交一航局研制和建造了“安定1號”專用沉箱安裝船，創(chuàng)新了沉箱出運和安裝工藝，保證了二期工程半圓型沉箱的順利安裝。

2012年，長江南京以下12.5 m深水航道一期工程開工建設(shè)，項目共預(yù)制安裝半圓體324個，單個重約200 t。在該項目中，應(yīng)用了中交一航局新研發(fā)的立式預(yù)制、翻轉(zhuǎn)出運的專利技術(shù)，相比以往傳統(tǒng)工藝，實現(xiàn)了半圓體一次澆鑄成型，極大提高了半圓體質(zhì)量和施工效率。同時應(yīng)用水下自動脫鉤安裝專業(yè)吊具，實現(xiàn)了半圓體水下安裝自動脫鉤，避免了潛水員水下作業(yè)，提高了安裝效率。

2018年，在長江口南槽航道整治一期工程中，中交一航局在原有半圓體堤施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了半圓體自動出運臺車，每次可出運2個300噸級的半圓體，相比傳統(tǒng)卷揚機牽引，出運效率大大提高，施工安全性更好，實現(xiàn)最大單日安裝半圓體18個。

在半圓體的預(yù)制、出運及安裝成套技術(shù)的20 a發(fā)展過程中，中交一航局始終保持著領(lǐng)先優(yōu)勢，因此，在長江深水航道治理系列工程中，該公司組織實施了半圓體預(yù)制安裝，研發(fā)了包括立式預(yù)制翻轉(zhuǎn)、出運及安裝工藝，其中自主設(shè)計的吊裝翻轉(zhuǎn)和安裝吊具及裝備，均為該公司自有專利技術(shù)。

6.1 半圓體預(yù)制

在長江口深水航道一期、二期工程中，由于半圓型沉箱預(yù)制尺寸大，一期最大半圓體重約500 t，二期最大半圓體重約1 200 t，且兩側(cè)均為封閉式結(jié)構(gòu)，因此采用臥式水平分層施工方法，分3層4次澆筑，即底層、墻體、頂層、端板，實現(xiàn)了復(fù)雜半圓體結(jié)構(gòu)的預(yù)制成型[15]（圖30）。

圖30 半圓體臥式預(yù)制Fig.30 Horizontal prefabrication of semicircle caisson

在長江南京以下12.5 m深水航道一期工程中，由于工況條件不同，相比長江口深水航道工程，半圓體采用薄壁空心結(jié)構(gòu)，單個質(zhì)量約200 t，項目應(yīng)用了由中交一航局自主研發(fā)的半圓體立式預(yù)制、空中翻轉(zhuǎn)出運的專利技術(shù)。半圓體預(yù)制工藝的改進，實現(xiàn)了半圓體鋼筋綁扎、混凝土澆筑、構(gòu)件存放和出運的分區(qū)作業(yè)，形成流水化生產(chǎn)，有利于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制場。并實現(xiàn)了半圓體1次澆筑成型，縮短了半圓體生產(chǎn)周期，施工質(zhì)量明顯提升，同時雙層存放提高了場地利用率（圖31）。

圖31 半圓體立式預(yù)制、翻轉(zhuǎn)Fig.31 Walking-type hydraulic pushing system

6.2 半圓體出運

由于半圓體預(yù)制場距離出運碼頭有一定距離，因此半圓體出運一般分為場內(nèi)橫移和縱移：①橫移是指將半圓體從存放位置移動至出運軌道上；②縱移是指將半圓體沿軌道縱向移至碼頭或水中。半圓體質(zhì)量較?。?00～500 t）時可采用起重機吊裝，質(zhì)量較大時（如長江口深水航道二期半圓體重約1 200 t），采用沿滑道頂推的方式出運；縱移由于距離較遠(yuǎn)，一般采用臺車沿軌道牽引或滑道出運的方式。

6.2.1 步行式液壓頂推系統(tǒng)

1）工作原理

步行式液壓頂推系統(tǒng)是由2組液壓夾軌頂推器、柴油機、橫移車、縱移車和千斤頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)組成的1種半圓形沉箱推進系統(tǒng)。首先，利用兩側(cè)夾軌頂推器夾緊P50鋼軌后，同步加壓使油缸活塞桿外伸產(chǎn)生推力促使載有沉箱的臺車前移；其次，松開夾軌器，油缸活塞桿回縮；最后，夾軌器前移后重新夾緊。至此，頂推系統(tǒng)完成一個完整的推移過程，每次推移的最大行程為1.5 m?；钊麠U伸和縮循環(huán)往復(fù)，連續(xù)頂推重載臺車至指定位置[16]。

2）半圓形沉箱頂推出運技術(shù)

半圓形沉箱橫移：通過500 t千斤頂將半圓體頂起后，將橫移車放入半圓形沉箱底部，千斤頂回油將沉箱放置在橫移車上，橫移到縱移區(qū)軌道中心處。啟動1號液壓頂推系統(tǒng)（圖32），以1.5 m/min的速度頂推重載橫移車至縱移區(qū)軌道中心，拆除頂推系統(tǒng)連接的油管，頂推器與橫移車重新返回進行下一個沉箱的出運（圖33）。

圖32 步行式液壓頂推系統(tǒng)Fig.32 Walking-type hydraulic jacking system

圖33 半圓形沉箱出運頂推Fig.33 Pushing and shipping of semicirclecaisson

半圓體縱移：半圓體橫移至縱橫移交界區(qū)后，需要改變半圓體的出運方向。用千斤頂?shù)?次將半圓體頂起，撤出橫移車，拆除橫移連接短軌，推入縱移車，啟動2號步行式液壓頂推系統(tǒng)。沿軌道將縱移車頂推至縱移軌道與下水滑道搭接區(qū)。

半圓體滑道下水：半圓體縱移至下水滑道端頭后，經(jīng)過第3次頂升，撤出了縱移車，換用斜架車承接沉箱，當(dāng)沉箱坐落在斜架車上符合溜放要求后，同時啟動2臺20 t卷揚機組和1臺12 t卷揚機組聯(lián)動溜放重載斜架車。斜架車沿坡度為1∶16的滑道以3.6 m/min的速度下滑，至深水區(qū)沉箱起浮后由拖輪牽引（圖34）。

圖34 半圓形沉箱溜放下水Fig.34 Semicirclecaisson sliding into the water

沉箱橫移、縱移頂推力計算：半圓型沉箱橫移、縱移的動力設(shè)備為步行式液壓頂推系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1個液壓站和1組頂推器組成，頂推器由2個50 t水平液壓缸和2個自鎖夾軌器組成，在縱、橫移車的兩側(cè)液壓站中配備的100 kW柴油發(fā)電機，用于液壓系統(tǒng)供電。

單個沉箱最大重約1 300 t，縱、橫移車自重約80 t，斜架車重140 t。縱、橫移車水平滾動摩擦系數(shù)及靜摩擦系數(shù)需根據(jù)技術(shù)人員經(jīng)驗和現(xiàn)場實測情況而定，運移時水平滾動摩擦系數(shù)最大值為4%，水平靜摩擦系數(shù)最大值為5%。計算得到頂推力為77 t，每套頂推系統(tǒng)的頂推力為100 t，滿足沉箱頂推出運要求。

半圓形沉箱出運效率：根據(jù)出運距離和頂推速度，半圓形沉箱的橫移時間T橫=105 min，縱移時間為T縱=190 min，溜放起浮時間T沉=185 min。由于以上3道工序是平行流水作業(yè)，所以流水作業(yè)時，出運時間為T=190 min。

根據(jù)長江口水文潮汐表和沉箱浮起所需水深估算，每次高潮期可出運時間為7～8 h，每天2次漲落潮過程中，能夠保證出運4個沉箱，最多可出運6個沉箱。

6.2.2 半圓體自動出運臺車

1）工作原理

運移臺車由2個鋼架車連桿連接而成，配有200 kW靜音發(fā)電機，配置了8套7.5 kW三合一電機提供動力，裝有無線遙控操作系統(tǒng)，1次可運移2個半圓體，最大荷載為600 t。出運軌道總長128 m，運移臺車載重能力共600 t，重載移動速度為1.3～13 m/min，空載移動速度為1.3～26 m/min，能夠滿足每天8個半圓體的出運要求。

2）半圓形自動出運技術(shù)

采用450 t門式起重機吊裝半圓體沉箱在場內(nèi)橫移，將沉箱翻轉(zhuǎn)后裝至出運臺車上。半圓體縱移通過自動出運臺車沿軌道從預(yù)制場運輸碼頭。臺車配備有發(fā)電機，通過遙控實現(xiàn)臺車的自動出運，在碼頭裝船后返回裝運區(qū)（圖35）。

圖35 半圓體自動臺車出運Fig.35 Transport of semicirclecaisson by automatic platform truck

6.3 半圓體安裝

長江口深水航道一期工程中半圓體自重較小，單個重200～500 t，因此可采用起重船吊裝安放的工藝。二期工程中，由于風(fēng)浪更大，半圓體設(shè)計尺寸加大，最大自重約1 200 t。施工有效工作時間為12 d/月，要確保在規(guī)定時間內(nèi)安裝完544個沉箱，傳統(tǒng)起重安裝工藝無法滿足要求，必須采用特殊的安裝工藝和安裝方法。為此，中交一航局自行設(shè)計研發(fā)建造了坐底式沉箱安裝專用船“安定1號”，高效完成了全部超大型半圓體沉箱的安裝。在長江南京以下12.5 m深水航道一期工程和長江口南槽航道治理一期工程中，還應(yīng)用了該公司研發(fā)的自動脫鉤安裝吊具，進一步提升了半圓體安裝效率。

6.3.1 坐底式沉箱安裝專用船

“安定1號”船長70 m，型寬25 m，型深5.5 m，工作甲板型深15.5 m（圖36）。半圓型沉箱安裝船采用坐底方式，抗風(fēng)浪能力強，穩(wěn)定性好，定位準(zhǔn)確，不會產(chǎn)生側(cè)移。

圖36 坐底式沉箱安裝專用船“安定1號”Fig.36 Vessel “Anding 1” used specially for the mounting of sit-down-type caisson

1）工藝原理

首先，浮運到現(xiàn)場的半圓型沉箱由拖輪協(xié)助靠在已就位的“安定1號”船上，沉箱先灌水下沉一部分；其次，利用“安定1號”調(diào)節(jié)導(dǎo)向桿位置確定沉箱安裝位置；最后，繼續(xù)灌水，沉箱側(cè)趾貼導(dǎo)向桿下滑，坐落于基床面上。

2）作業(yè)條件

該船可以在風(fēng)力≤6級、波高≤1.5 m、流速≤2 m/s時進行沉箱安裝作業(yè)。

3）坐底式沉箱安裝船施工技術(shù)

沉箱拖運及靠安裝船：沉箱拖航采用2艘拖輪拖運，主拖輪在前牽引，輔助拖輪在沉箱后部頂推，逐漸向安裝船靠攏。拖輪組拖運沉箱平行于導(dǎo)堤軸線逆流航行至安裝船船艏。安裝灌水閥門桿和帶纜扣，拖輪橫向頂推沉箱靠安裝船。安裝船收緊系在沉箱上的纜繩使沉箱貼近，準(zhǔn)備進行安裝。

沉箱安裝和控制：安裝船坐底后，將導(dǎo)向桿下降至基床頂面的深度，至基床頂面以上5～10 cm處鎖緊；通過導(dǎo)向桿液壓缸，調(diào)整導(dǎo)向桿位置，使兩根導(dǎo)向桿形成一個與導(dǎo)堤軸線平行的沉箱安裝控制面。沉箱達(dá)到靠泊安裝船后，向沉箱內(nèi)注水，直至沉箱底部距離基床頂面50～70 cm時，調(diào)節(jié)牽引半圓形沉箱的纜繩，使半圓型沉箱外趾貼緊導(dǎo)向桿。測控沉箱軸線和縱橫傾斜，使沉箱的平面位置無誤后繼續(xù)注水，保持沉箱均勻、平穩(wěn)下沉，直至坐在基床上。

沉箱起浮調(diào)整：如沉箱拖至現(xiàn)場時海況變差，無法準(zhǔn)確安裝時，必須緊急坐底存放，待天氣好轉(zhuǎn)后重新調(diào)整。同時，合龍口施工部位的沉箱需要快速擺放，再重新調(diào)整位置。沉箱重新起浮通過關(guān)閉沉箱兩端的通水閥門后，使用潛水泵排水，使沉箱浮起后重新進行調(diào)整安裝，安裝方法同前[17]。

6.3.2 半圓體安裝自動脫鉤技術(shù)

半圓體安裝自動脫鉤吊具自2010年研制成功，在2012年長江南京以下12.5 m深水航道一期工程中進一步改進，增加了定位針結(jié)構(gòu)，提高了吊架安裝效率，減少了受風(fēng)浪影響船舶晃動對半圓體安裝時的定位精度的影響，自此半圓體安裝技術(shù)更加成熟。

1）工藝原理

半圓體吊具由吊具門架、吊鉤、楔形定位針、主吊索、脫鉤索、測量平臺等部分構(gòu)成（圖37）。吊架兩個定位針采用圓錐形，與半圓體頂部消浪孔對應(yīng)，用于迅速定位半圓體吊架，然后收緊脫鉤鎖，吊鉤即可自行順利穿入吊孔內(nèi)。半圓體安裝至基床上后，副鉤提起脫鉤索，吊鉤脫離吊孔，實現(xiàn)吊架的自動脫鉤[18]。

圖37 半圓體安裝自動脫鉤吊具Fig.37 Automatic decoupling sling for mounting semicircle caisson

2）水下自動脫鉤技術(shù)

半圓體運輸船靠泊起重船后，利用定位針完成吊具的定位，副鉤提起脫鉤索，吊鉤進入吊具，完成吊具的安裝。旋轉(zhuǎn)至安裝位置后，半圓體緩緩下發(fā)至距底約20 cm時，調(diào)整軸線和縫寬，滿足要求后再下放半圓體至基床，提起副鉤，吊鉤從吊孔內(nèi)脫離，完成吊具脫鉤，然后重復(fù)上述步驟安裝后續(xù)半圓體。首個半圓體安裝時，先粗放，然后安裝第二個半圓體，再根據(jù)第二個半圓體位置重新調(diào)整第一個半圓體。

半圓體安裝一般選擇在低水位半圓體能露出水面時，有利于保證安裝質(zhì)量。但若出現(xiàn)低水位情況仍然無法露出時，需適當(dāng)根據(jù)水位調(diào)高測量平臺高度，并設(shè)置水尺，用于測量半圓體位置軸線和高程，確保半圓體安裝位置準(zhǔn)確。半圓體安裝見圖38。

圖38 半圓體安裝Fig.38 Semicircle caisson mounting

7 結(jié)語

截至2021年，長江深水航道整治系列工程已累計獲得國家優(yōu)質(zhì)工程獎4項（其中金獎3項）、詹天佑獎3項，魯班獎4項，鑄造了我國深水航道整治領(lǐng)域的品牌工程。在長江口航道整治工程和長江南京以下12.5 m深水航道工程近20 a不斷探索中，深水航道整治建筑物工程施工關(guān)鍵技術(shù)取得了長遠(yuǎn)的進步，中交一航局、二航局、三航局等單位在專業(yè)化船機設(shè)備、水下可視化檢測和自主專利技術(shù)研發(fā)等方面都開展了大量創(chuàng)新，形成了深水航道多項施工工法，自動化程度、施工效率都有了明顯提高。中交一航局是新中國第一支筑港隊伍，始終將科技創(chuàng)新作為企業(yè)發(fā)展的原動力，解決了大量深水航道整治施工技術(shù)難題，掌握了諸多深水航道整治領(lǐng)域核心技術(shù)，填補了我國的深水航道建設(shè)的裝備和技術(shù)空白，對我國航道和相關(guān)領(lǐng)域的建設(shè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。為未來大水深條件下航道整治工程施工做好了施工技術(shù)準(zhǔn)備，具有廣泛的應(yīng)用前景。