港口航道交叉段疏浚施工工艺研究

◎ 季立花 吴鹏辉 江西省港航造价咨询有限公司

1.工程概况

某港口航道交叉段与长江口相距520km，航道水深位于7.0～12.0m之间，航道长175.3k m，流域面积7895km2。根据疏浚地质，该航道交叉段河床以粉质黏土、粉砂地质为主，平均浓度为1.24t/m³，疏浚过程中耙齿磨损、疏浚管路堵塞的可能性极大。该交叉口作业端水域无遮挡物，受台风、寒潮、风浪干扰大；为避开不利施工条件，应选择在4～6月展开疏浚。

2.疏浚施工难点

该航道交叉段疏浚施工整体难度大，主要面临以下难题：

一是项目工期紧，任务重。为避开风浪、寒潮等不良气候条件，该航道交叉段疏浚施工必须安排在4～6月展开。为避免对港口正常通航的不利影响，疏浚任务必须在更短时间内完成。此外，该交叉段疏浚开挖涉及水域广，开挖面积及工程量大，施工任务重。

二是土质复杂，开挖工作量大；处理工艺复杂。结合地勘资料，该交叉段航道底泥土质复杂，包括淤泥质土、粗粒砂、残积土、硬质风化岩、胶结细粉砂等，存在较大的开挖难度。此外，开挖后的不同土质需进行不同处理，砂石需要运输至指定区域回填，淤泥则要运至指定抛泥区，泥土开挖疏浚工艺复杂。大粒径硬质石块会增大航道堵口风险，引起脱泵；排泥管线如果较短，泵级运转速度则会受到影响，造成船舶设备运作性能大幅降低。

三是疏浚施工干扰因素多。疏浚施工期间，该港口航道处于正常运营过程，施工区来往船舶多，会对施工造成一定干扰，控制管理难度大。

3.疏浚设计要点

3.1 疏浚施工参数设计

3.1.1 航道设计水深及宽度

根据《内河航道通航标准》（GB 50139-2014），航道设计阶段确定水深及宽度时，必须综合考虑疏浚地质、水文条件、船舶类型、安全距离等方面[1]。通航标准所规定的航道水深和宽度常见数值见表1。该港口航道所在流域属于限定化Ⅳ级航道，结合该港口航道交叉段实际情况，经过标准性计算，可以得出该航道交叉段维护疏浚工程最高、最低通航水位应为4.52m和3.32m，常水位为3.80m。

表1 航道水深和宽度结果

3.1.2 疏浚边坡

疏浚区水文地质、水动力、边坡治理情况、对接航道边坡情况、疏浚工艺及设备等是疏浚边坡确定时必须要考虑的方面，疏浚边坡的确定结果又会影响疏浚工程量、造价、回淤[2]。结合对该港口航道交叉段岩土勘察结果，此次疏浚深度内河床下部以淤泥和淤泥质土为主。根据《疏浚与吹填工程设计规范》（JTS 181-5-2012）及边坡成果，航道上游200m到下游100m范围内均应从底宽40m疏浚至底部标高0.82m，并应以1:3的坡度向两岸放坡。

3.1.3 挖泥设备及抛泥区

根据港口航道交叉段疏浚工程施工特点展开挖泥设备选型，该港口航道交叉段疏浚施工应综合使用绞吸式挖泥船和链斗式挖泥船两种设备。其中，绞吸式挖泥船舱容为1980m³，绞刀直径2.18m，计算超深0.35m；链斗式挖泥船舱容为2150m³，绞刀直径1.25m，计算超深0.75m。

在开挖期间，对于浮管无法直接连接抛泥区域，则应选用绞吸式挖泥设备。装配有钢桩的绞吸式挖泥船在一般作业过程中采用对称横挖方式；而装配有锚缆横挖装置的绞吸式挖泥船应采用锚缆横挖方式。如果疏浚实践中挖槽宽度超出挖泥船最大挖泥限度时，必须对疏浚区分条、分区。在相应区域内，结合土质坡度比进一步细化分区范围，不同土质的水下坡度比可参考表2。根据疏浚施工区水下边坡土质情况，如果坡度比超出表中范围，则应适当增大分区；如果坡度比小于表中范围，则应相应缩减分区。

表2 不同土质的水下坡度比

在使用链斗式挖泥船开挖施工期间，如果施工区水域环境较好，则挖泥船受边缘水深及挖槽宽度的影响也较小，此时可采取倾斜式横向挖泥工艺。而当施工区水域环境差，挖槽狭窄时，则应采取扇形横向挖泥工艺[3]。当挖槽宽度超出链斗式挖泥船最大限度时，应分条、分区开挖，并按照主锚缆抛出时的具体长度确定分条分区宽度，确保挖泥效果。

3.2 施工工艺流程

在确定出疏浚施工参数取值的基础上，进行该港口航道交叉段疏浚施工工艺流程设计。先通过装舱法将空舱泥舱运输至挖泥区指定区域，减速后借助离心泵装置将挖泥区泥土挠松，并下耙挖泥。当泥舱内无法引入过多泥量后完成起耙，将满舱运至抛泥区，开启泥舱底部泥门后抛泥。此后，将空载装泥舱重新运至挖泥区，重复以上操作环节，直至完成挖泥。

根据多船施工平面布置，展开绞吸式挖泥船和链斗式挖泥船的协同作业。施工前必须编制施工进度计划，由监督船督促各类船型完成挖泥疏浚施工任务。链斗式挖泥船施挖期间，借助锚压方式为多条挖泥船协同施工提供保障；其横锚布设时，必须采用重锚形式，通过改变锚缆长度，避免链斗式挖泥船影响其余船舶施工。

在挖泥施工结束后，对于底质较硬的区域会出现明显的深浅沟，必须使用大型耙吸船进行处理。在正常直线开挖方式下，出现溜耙的可能性较大，即深区泊位越挖越深，浅区泊位较难挖到。为此，耙吸船必须按照S形路线挖泥，以提升挖泥工效及后续扫浅效果，并能保证将浅区泊位开挖至设计深度，提升港口航道交叉段疏浚施工效果。

4.疏浚施工工艺

按照方案设计，该港口航道交叉段疏浚施工过程中，应由链斗式挖泥船和耙吸挖泥船挖泥、运泥、抛泥后联合绞吸船抛吹。先由操作人员驱动链斗式挖泥船和耙吸船进入疏浚点和具备抛坑条件的临时转运点，再驱动链斗式挖泥船和耙吸船挖泥、抛泥，最终联合绞吸船在纳泥区吹填。以上过程轮流作业，交替循环，直至完成交叉段疏浚施工任务。

4.1 绞吸式挖泥船挖泥控制

绞吸船挖泥时主要借助桥架端头安装的绞刀将污染底泥切割、混合为泥浆，经排泥管排送底泥。结合该航道交叉段疏浚要求，绞吸船最大挖掘宽度应达到24m，最大挖深应达到10m。绞吸船抛吹实施过程中，必须围绕钢桩圆心划定位置，经船体两侧横移锚摆动挖泥；并按照远挖近吹填的原则，1艘绞吸船和1艘耙吸船对应作业；挖泥关口应设置在泄水远端，以便一次性完成挖泥和泥泵管道泥浆输送任务。

绞吸船施工期间，操作人员应通过绞吸船自带的GPS系统实时精准定位，并在船上挖深感应器、流量计、绞刀深度指示器等辅助性仪器的配合下，实现挖泥深度的精准控制。全部操作过程应分阶段、分层次、分条段展开，相邻挖泥带重叠宽度应控制在1.0m以上，1次挖泥厚度应不超出0.2m；先开挖疏浚交叉段上层被污染底泥，再开挖下层底泥。考虑到该港口航道交叉段疏浚区底泥杂质较多，操作人员应密切关注水深、船舶吃水量等的变化，一旦两个参数变幅超出0.1m，应立即调整绞刀下放深度，同时加强绞吸船配套设备状态监控，防止发生机械事故。

4.2 链斗式挖泥船挖泥控制

链斗式挖泥船施工过程中应同步展开横移速度、斗链运转速度、前移距离、斗桥下放深度等的控制。

（1）斗链运转速度。该速度越快则疏浚开挖效率越高，该速度主要受土质、泥土被泥斗切割后脱离航道底部的难易程度等因素的影响。在流速较大区域挖泥时，如果斗链运转过快，部分泥土很可能遗留在挖槽内或挖槽下游，影响疏浚效果。在其他条件相同时，如果挖泥船横移速度过快且前移速度越大，则泥斗充泥越满。对于黏土土质而言，在泥斗壁附着力的作用下很难倒空，带出泥槽的泥土很容易漏入桥档淤浅挖槽，引发新的问题。为此，必须采取有效措施控制和降低斗链运转速度；必要时，还需降低船舶横移速度，控制充泥量。

（2）横移速度。链斗船横移速度主要由横移速度仪根据泥斗充泥情况控制，横移时，若泥斗充泥未满，则应加快横移；若泥斗充泥过满且有溢泥发生时，应减弱横移速度。横移期间必须加强边锚绳动态控制，边绞边松，并防止断绳。横移期间船艉不得超出船艏，以防止下导轮下方斗链碰撞泥层堑口而造成出轨；在船位回正前向另一侧横移的速度应尽可能慢，避免斗链脱出。

（3）前移距。链斗船开挖完一个断面后继续开挖下一断面时借助主锚缆前移的距离即为前移距。为确保泥斗内充满淤泥，提升疏浚效率，必须加强前移距控制。该距离主要受斗链着底距、挖泥厚度、底泥土质等影响。如果前移距设计值与斗链着底距完全一致，则疏浚后航道底部平整度最差，施工质量也无法保证；如果前移距较小，搭接长度大，则泥斗充泥量较少，工效不高。为此，必须合理确定前移距取值，在提升横移速度的同时，确保挖泥工效。

4.3 耙吸挖泥船挖泥控制

在耙吸船开挖前，操作人员应将耙吸船停置于待疏浚区域，并调低船舶行进速度，放出耙头；通过耙齿展开机械切削，同时冲刷高压水，将区域内疏浚土液化。此后，操作人员通过控制耙吸船泥泵吸取液化疏浚物后纳入船舶泥舱。按照以上流程重复操作，直至船舶泥舱满载或达到经济装载量后，将耙吸船行驶至临时装载区，经过抛泥、艏喷及回填等操作后卸除泥浆。

疏浚施工过程中，耙吸船疏浚系统的动力系统模型、泥浆沉积模型、泥泵-管线模型、船舶运动模型、耙头挖掘过程之间存在相互作用[4]，操作人员必须通过各部分参数的合理调整，保证耙吸船良好运行。

5.疏浚效果

通过统计该港口航道交叉段疏浚区段内多船次疏浚挖泥数据，得出该疏浚区第1天疏浚开挖土方量1189m³，单位方量耗时0.02977min/m³；第2天疏浚开挖土方量1079m³，单位方量耗时0.02876min/m³；第3天疏浚开挖土方量976m³，单位方量耗时0.02571min/m³。此3日疏浚开挖单位方量平均耗时0.02808min/m³，每船次平均油耗1.35t。根据以上结果，该交叉段航道挖泥效果高，能耗低；泥舱内疏浚物沉淀效果良好。

如果单纯考虑能耗和油耗，则疏浚期间挖泥工程量和油耗的比较见表3。根据表中结果，该航道交叉段采用绞吸船、链斗船、耙吸船疏浚过程中，油耗及单位能耗均较低，功率浪费少，保证了航道高效低耗疏浚过程的展开。

表3 交叉段疏浚能耗比较

6.结论

本文针对港口航道交叉段疏浚工程面临的施工难题，提出绞吸船、耙吸船、链斗船组合使用的方案，以充分发挥不同挖泥船技术优势，施工后较好解决了工程工期紧、任务重，工程量大，疏浚处理工艺复杂等难题。通过加强疏浚施工方案设计及施工过程控制，取得了较好的疏浚效果。港口航道在水域交通中占有重要地位，也是构成整个交通运输网络的重要部分，加强港口航道底泥疏浚，是保证航道安全稳定运行的必然环节，在推进我国航运事业蓬勃发展的过程中意义重大。