粘性土航道免掃淺施工工法

《粘性土航道免掃淺施工工法》是中交上海航道局有限公司、中國路橋工程有限責任公司完成的建築類施工工法，完成人是諸葛瑋、呂玉琪、戴自國、熊仕伶、黃錦彬。適用於土質為黏性土質的航道或港池基建性或維護性工程。

《粘性土航道免掃淺施工工法》主要的工法特點是不僅大大縮短了耙吸船常規施工需要的掃淺時間，而且施工質量也有大幅提高，超挖控制明顯優於常規施工方法；簡單實用，但是需要疏浚監測平台新技術的支持，且對操作人員的業務能力、監測設備精度要求較高。

2011年9月，《粘性土航道免掃淺施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2009-2010年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：粘性土航道免掃淺施工工法
• 工法編號：GJEJGF299-2010
• 完成單位：中交上海航道局有限公司、中國路橋工程有限責任公司
• 主要完成人：諸葛瑋、呂玉琪、戴自國、熊仕伶、黃錦彬
• 套用實例：上海洋山深水港區一期工程外航道疏浚工程
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

耙吸挖泥船在疏浚施工過程中，由於耙頭著床寬度有限，且受到潮流、風和土質等自然影響以及航道中其他航行船舶的干擾，再加上原有施工工藝技術手段的落後，不可避免地存在超挖、漏挖現象，造成施工床面上出現高低不平的淺點和壟溝，耙吸船不得不在工程後期耗費大量的時間進行低效的掃淺施工，這一問題在黏性土航道疏浚工程施工中表現得尤為突出。根據《疏浚岩土分類標準》JTJT320-96，黏性土共分4類，其主要特性指標如表1所示。

表1 黏性土特性指標

級別	狀態	標貫擊數N	天然重度γ（千牛/立方米）	液性指數IL	抗剪強度т（千帕）
3	軟	≤4	≤17.6	≤1.0	≤25
4	中等	≤8	≤18.7	≤0.75	≤50
5	硬	≤15	≤19.5	≤0.50	≤100
6	很硬	>15	>19.5	<0.25	>100

由於黏性土不易坍塌的土質特性，施工過程中形成的淺點和壟溝一旦沒有被及時清除，隨著施工浚挖深度的增加，淺點和壟溝的高差往往將繼續加大，耙吸船耙頭接地施工時極易從高處滑落，增加了工程後期掃淺施工的難度；同時在開挖黏性土時，由於大塊黏土極易堵塞耙頭，造成泥泵吸入面積的大幅減少，不僅施工效率低下，而且極易造成泥泵氣蝕。因此，有必要研究黏性土航道疏浚的針對性施工工法，大幅改善耙吸挖泥船對黏性土航道的施工效果。

公司在營口、連雲港、洋山等航道疏浚工程中，積極開展了“黏性土航道免掃淺疏浚關鍵技術研究”，把疏浚監測平台的新技術運用到傳統施工過程中，使耙吸挖泥船具備了主動控制精確上線、精確下耙施工的能力，使淺點與壟溝在施工過程中即消滅於萌芽狀態；並通過簡單的設備改裝，解決黏性土區域耙頭破土難和易阻塞的問題。公司在該關鍵技術的基礎上形成了《粘性土航道免掃淺施工工法》。

工法特點

《粘性土航道免掃淺施工工法》的工法特點是：

1.該工法充分利用疏浚監測平台的新技術，將傳統的施工工藝注入新的理念和元素，能使淺點與壟溝在施工過程中即消滅於萌芽狀態，且免除了工程後期常規掃淺施工階段，真正實現了均勻增深，能更好地控制航道的平整度，減少超深、超寬造成的廢方。

2.通過在自航耙吸挖泥船耙頭上加裝“刀形”或“倒T形”等不同形狀的特殊耙齒，解決黏性土區域耙頭破土難的問題；適當地調整耙頭格柵安裝位置，加大耙頭格柵通道，解決耙頭易被黏性土阻塞問題，確保輸送管道通順。

3.不僅大大縮短了耙吸船常規施工需要的掃淺時間，而且施工質量也有大幅提高，超挖控制明顯優於常規施工方法，最終耙吸船的施工效率得到了提高。

4.該工法簡單實用，但是需要疏浚監測平台新技術的支持，且對操作人員的業務能力、監測設備精度要求較高。

《粘性土航道免掃淺施工工法》的適用範圍為：土質為黏性土質的航道或港池基建性或維護性工程。

《粘性土航道免掃淺施工工法》的工藝原理敘述如下：

1.在分層施工中操耙手以分層深度控制下耙深度，嚴格按照各分層水深要求進行開挖，定深控制浚挖，並通過駕駛員的精確上線保證耙頭始終緊貼河床，泵吸始終處於飽和挖實狀態，施工效率得到最大發揮。避免了常規浚挖過程中因河床深淺不一、高低起伏不平、耙頭跳躍而形成“放空”造成施工的泵吸效率低下的問題。

2.在各分層施工過程中，改變傳統的三班駕駛員各分一帶的施工工藝，而以整個施工區的淺點、淺區為目標進行走線。駕駛員整體綜合考慮淺區位置、通航干擾和風流影響等因素，利用疏浚監測平台提供的精確的耙頭深度與位置指示，以及直觀的橫縱斷面和三維地形功能，運用高超的操船工藝，主動控制兩個耙頭的走線，對局部範圍的淺區和孤立淺點採取主動精確過耙。在其處於初始階段且易於浚挖時，便即予以掃除，避免後期形成淺埋、壟溝，增加後期掃淺難度。這種對淺區的主動式浚挖貫穿施工全過程。

3.船舶配置大螢幕顯示器，施工時駕駛員按需選擇疏浚監測平台提供的各種功能視窗，儘可能放大螢幕仔細觀察耙頭走線，並利用耙跡記錄和施工過程回放功能，控制對不同水深分布、不同土質區域的過耙頻率，避免漏挖、超挖，實現均勻增深。

4.在耙吸挖泥船的耙頭上分別加裝不同形狀的耙齒，“刀形”耙齒具有切割作用，“倒T形”耙齒具有切割和提升鬆土的作用，“鏟形”耙齒或“平形，，耙齒具有提升鬆土的作用。施工時耙齒對地呈45°，通過耙頭對地運動使耙齒插入泥土中切割並提升黏土。通過調整耙頭格柵安裝位置，適當的加大耙頭格柵通道，使黏土可以順利通過格柵，提高了挖泥效果。

5.將傳統工程後期的“掃淺”化整為零，分攤至各分層開挖階段中，改變了傳統“前期大量開挖、後期低效掃淺”的施工方法，避免在工程後期因掃淺造成時間、設備等資源的浪費。

• 工藝流程

《粘性土航道免掃淺施工工法》的施工工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程

操作要點

《粘性土航道免掃淺施工工法》的操作要點如下：

1.浚前測量及工前準備

1）運用單波束或者多波束測深儀，獲得施工區域的水深情況，計算出比較精確的工程量，同時根據水深情況確定分層的計畫。收集並分析施工區域土質資料、水文、氣象資料、船舶通航密度、通航條件、小船漁船等影響航行的因素。

2）耙頭加裝耙齒；截至2009年，耙齒多安裝在把頭的活動罩上，新增的耙齒安裝在耙頭固定體的耐磨塊上，通過改進耙頭耐磨塊的形狀並重新排列，使耙齒能夠快速拆裝。根據土質資料選擇耙齒數量和形狀（"刀形"或"倒T形"），見圖2。

圖2 加裝耙齒示意圖

3）改進格柵；根據泥泵葉輪孔徑調整格柵，減少格柵材料的徑向面積，使耙頭格柵的通過面積儘量增大。以4500立方米自航耙吸挖泥船為例，將耙頭格柵由原來的300毫米×330毫米增大到450毫米×330毫米，材料由原來的直徑50毫米的圓鋼改為厚度25毫米的鋼板。

4）對船舶設備的參數進行率定或校正，主要包括耙臂垂直、水平感測器、吸口吃水感測器、潮位遙報儀、DGPS等。儀器儀表的精確程度，對施工質量起著決定性的作用。

5）根據工況條件決定船舶的布線；根據土質的密實情況，決定布線的間距。

6）根據浚前水深圖製作MTX檔案（包含x、y，z三維變數，即平面位置和深度），用於浚前二維橫縱向斷面和三維地形顯示，並製作一個空的MTX檔案用於保存耙頭過耙信息，並自動生成已挖掘二維橫縱向斷面和三維地形顯示，見圖3。

圖3 浚前MTX檔案製作

7）對需要進點的船舶進行施工方案、施工要求、質量、安全、環保等事項的技術交底。

2.分層施工計畫

綜合工程需增深的深度及工程節點、參建施工船舶的破土性能，特別是黏性土土質制定分層方案，一般以0.3~1.0米為一層開挖層，貫人擊數>15的土質不超過0.3米，貫入擊數<4的土質不超過1米。

邊坡區域則呈現由淺至深、均勻台階型增深，確保邊坡坡比質量，如圖4。

圖4 分層增深開挖示意圖

3.現場施工方法

現場施工作業一般採用裝艙溢流法，這是耙吸挖泥船最主要、最常規的施工方法。當挖泥船進入指定的開挖帶內，啟動泥泵，根據屆時潮位將耙頭下放至泥面，將耙管內的清水和低濃度泥漿直接排出舷外，待泥漿達到一定濃度後再打開進艙閘閥裝艙。待泥艙滿艙後繼續泵吸泥漿進艙，使泥艙上層低濃度的渾水從泥艙溢流口溢出，根據不同土質控制溢流時間，儘可能使泥艙的裝載量最大、土方量最多。然後停泵起耙，把裝載的泥砂運到指定的拋泥區拋卸。

4.實施與監測分析

1）在保證安全工況條件許可的情況下，對於重點難挖淺區，採用拖耙調頭施工方法，增加對淺區的斜向或橫向破土作用，可以避免壟溝的產生，提高挖掘效果。

2）為了讓耙齒切入泥土，通過調低波浪補償器壓力提高耙頭對地壓力，同時挖泥航速要求適當的增加，一般控制在3~4節速度。

3）施工過程中，經常採集泥樣，隨時掌握土質的變化情況。

4）嚴格按照分層施工計畫實行定深挖泥。

5）根據耙頭的有效寬度和黏性土土質決定布線的間距，貫入擊數>15的土質間距要小，貫入擊數<4的土質間距要大，總體來說布線間距越小越好，但是走完一遍布線所需時間也越多。

6）駕駛員結合水深圖進行施工，儘量選擇每個分層中的淺點上線施工，同時操耙手要及時調整下耙深度。

5.輔助施工軟體的運用

1）耙吸疏浚監測平台提供精確的耙頭下放深度指示，操耙手可以實時控制下耙深度，以此來進行定深施工。

2）實現耙頭在浚挖區域浚前水深圖的橫、縱斷面和三維地形上的精確位置指示，駕駛員據此駕駛船舶，操耙手據此控制耙臂，對局部範圍的淺區和孤立淺點採取主動精確過耙，實現對淺區的主動式精確挖掘，見圖5。

圖5 監測平台功能視窗組合視圖

3）結合施工船耙頭軌跡深度顯示功能和水深色塊顏色變化，以及系統根據過耙深度自動生成的已挖掘斷面顯示功能，駕駛員可以直接對挖掘效果進行了解，避免因重複上線造成效率損失，或者對沒有走到位的區域進行拾遺補缺，施工軌跡見圖6。

圖6 施工軌跡線顯示

4）通過歷史施工過程回放可以回溯駕駛員和操耙手的工作過程，不僅可以對其工作質量進行監督，還能對存在的質量隱患成因進行直觀的分析和判斷，以便進行及時的糾正和指導。

材料設備

《粘性土航道免掃淺施工工法》所用的材料及設備明細如下：

1.材料

燃、潤油：船用柴油、潤滑油等各種油料，其主要參數如表2。

2.設備

耙吸挖泥船：各類挖泥船主要性能參數如表3。

挖泥船的主要挖掘器具是耙頭，耙頭結構主要分為兩類，即加利福尼亞型耙頭和IHC耙頭。兩類型耙頭在前面部分的結構基本相同，而耙唇處的結構有較大差異，其他類型的耙頭也都是在耙唇位置存在結構設計上的不同，適用於不同的土質。

耙頭構件有：吸入口、格柵、顎板、耙軸、壓鐵、進水口、耙齒、高壓沖水、橡皮靠墊、天窗等。通過改進耙頭構件能達到提高施工效率的目的。

參考資料：

質量控制

《粘性土航道免掃淺施工工法》的質量控制要求如下：

執行相關國家及行業的現行技術標準

1.《疏浚工程技術規範》JTJ 319-99。

2.《疏浚與吹填質量檢驗標準》JTJ 324-2006。

質量控制措施

1.制定分層、定深施工方案。

2.施工過程中正確掌握通航干擾、風流影響，按照計算機電子海圖螢幕的計畫航線及疏浚監測平台顯示的軌跡線，進行準確上線與布線。

3.分層施工過程中，採取定深浚挖，操耙手要注意真空、濃度的變化，及時調整耙頭姿態。

4.基建工程分層施工中，挖足邊坡，滿足坡比要求，使航道、邊坡同步增深。

5.通過各道工序（分層）的施工質量，確保整體的施工質量。

6.施工全過程採取定深浚挖，舵工高精度操舵，操耙手全神貫注操耙。

7.定期校驗、校核儀器和儀表，保證儀器、儀表的精度。

8.加強分析監測力度，保證監測及時準確。

安全措施

採用《粘性土航道免掃淺施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1.認真貫徹“安全第一、預防為主”的方針，根據有關規定，設立專職安全員，執行安全生產責任制，明確各級人員職責，抓好工程的安全實施。

2.建立完善施工安全保證體系，加強施工作業過程中的安全檢查，確保作業標準化、規範化。

3.確保投入設備完好、有效，船舶要適航、員工要適任。

4.船舶駕駛員在注意上線的同時，也要注意附近的船舶動態，時刻注意安全。

環保措施

《粘性土航道免掃淺施工工法》的環保措施如下：

1.環境因素識別、評價和控制的策劃和危險源辨識、風險評價和控制的策劃。

2.識別和辨識施工範圍內的環境因素和危險源，並負責具體實施管理方案。

3.嚴格遵守《海洋保護法》，嚴格執行國家關於海洋環境保護的各項規定，在海洋局指定拋泥區進行泥土處理。

4.集中油污、污水並且妥善處理，嚴防油污、污水泄漏，做好溢油事故的應急處理預案。

5.按規定處理在施工、生活過程中產生的各類垃圾。

6.積極配合海洋環保部門，做好海洋環保部門要求的其他工作。

效益分析

《粘性土航道免掃淺施工工法》的效益分析是：

根據由淺到深開挖、分層均勻增深原則，充分利用疏浚監測平台的平面和斷面顯示功能，縱向精確定深，平面精確定位，做到船舶到位、耙頭到位，避免耙頭空放，實施精細化施工，不僅免除了常規施工後期的掃淺施工，加快了施工進度，而且有利於提高施工質量，減少費方。同時解決了黏土質區域破土難、易堵塞耙頭等難題，提高了施工效率。

在連雲港2006年廟嶺二期港池調頭區拓寬增深工程、長江口深水航道治理三期工程、上海洋山深水港區一期工程外航道疏浚工程中套用該工法，通過減少超挖土方，給公司創造了1300餘萬元的效益。

註：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

套用實例

《粘性土航道免掃淺施工工法》的套用實例如下：

• 實例1：上海洋山深水港區一期工程外航道疏浚工程

上海洋山深水港區一期工程外航道疏浚工程，位於小覆山l北側黃澤洋海域的進港外航道部分區段水深條件相對較差，需採用疏浚的方式達到其設計水深的要求，稱為人工疏浚段；人工疏浚航槽長度為10.34千米，縱向斷面水深呈隆起的饅頭狀，施工土質為黏性土，工程難度較大、工期較緊、施工任務較重。

為了保證工期和施工質量，公司採用了黏性土航道免掃淺疏浚施工工法，通過疏浚監測平台提供的過耙航槽斷面和直觀的三維地形的不斷實時更新顯示，以及斷面瀏覽、水深色塊等功能，實現了較高的施工效率和良好的平整度控制。根據上海海測大隊洋山航道人工疏浚段竣工測量數據分析∶航道中部水域（航道中心、組線兩側95米范用內）平均水深為16.92米。且無小於16.5米的淺點；航道邊續水域（航道底邊線向內各47.5米範圍內）平均水深為16.89米，也不存在小於16.5米的淺點；兩側邊坡平均坡比分別為1:18和1:17.9，都緩於設計邊坡1:15的坡比。規範允許超寬9米、超深0.7米。該工程最終竣工超寬7米，超深0.4米。

• 實例2：連雲港2006年廟嶺二期港池調頭區拓寬增深工程

連雲港港地處江蘇省北部黃海海州灣西南岸，是隴海、蘭新鐵路沿線廣大地區最經濟便捷的出海口，是中國沿海主樞紐港之一，是中國沿海中部能源外運和對外貿運輸的重要口岸。連雲港廟嶺港區港池調頭區擴建疏浚工程，是連雲港15萬噸級航道擴建工程的配套項目，包括廟一調頭區、34號泊位區及29號、30號泊位港池及調頭區3個部分，工程分別浚挖至-16.0米、-18.2米、-15.0米。

其中連雲港廟嶺二期港池調頭區拓寬增深項目的後期掃淺階段，於2006年6月底開工，工期僅有25天，總工程量達38萬立方米，且施工土質主要為黏性土。根據公司在連雲港的施工經驗，由於黏性土不易坍塌，施工過程中形成的淺點和壟溝一旦沒有被及時清除，隨著施工浚挖深度的增加，淺點和壟溝的高差往往將繼續加大，耙吸船耙頭接地施工時極易從高處滑落，增加了工程後期掃淺施工的難度；同時在開挖黏性土時，由於大塊黏土極易堵塞耙頭，造成泥泵吸入面積的大幅減少，不僅施工效率低下，而且極易造成泥泵氣蝕。

為了優質、高效完成該工程，公司安排已安裝"耙吸疏浚監測平台"的4008輪進駐現場。"耙吸疏浚監測平台"作為公司當時的最新研發成果，它提供了精確的耙頭下放深度和位置指示功能，並實現耙頭在浚挖區域浚前水深圖的橫、縱斷面和三維地形上的精確位置指示，使耙吸挖泥船具備了主動控制、精確上線、精確下耙施工的能力；同時結合耙吸船耙頭軌跡深度顯示和水深色塊顏色變化。以及系統根據過耙深度自動生成的已挖掘斷面顯示功能，駕駛員可以直接對挖掘效果進行了解，避免因重複上線造成效率損失，或者對沒有走到位的區域進行拾遺補缺；此外，還可以通過歷史施工過程回放回溯駕駛員和操耙手的工作過程，不僅可以對其工作質量進行監督，還能對存在的質量隱患成因進行直觀的分析和判斷，以便進行及時的糾正和指導，避免了工程後期的掃淺施工，提高了施工效率。

連雲港廟嶺二期港池調頭區拓寬增深工程後期掃淺階段的施工分成南、北兩個半槽實施，其中南半槽由安裝了"耙吸疏浚監測平台"的航浚4008輪施工，該輪充分利用新技術，做到了縱向精確定深、平面精確定位，實現立體化、精細化施工，僅15天整個南半槽就基本成型，比預計工提前了10天；而掃淺工程量與南半槽相近的北半槽由尚未安裝"耙吸疏浚監測平台"的其他船舶採用常規施工方法施工，相同掃淺時間則形成大片壟溝與淺點。南槽完工後，航浚4008輪支援北半槽施工，套用該工法僅用10天就完成了全部任務，滿足了工期要求，工程質量符合設計要求。

• 實例3：長江口深水航道治理三期疏浚工程

長江口深水航道治理三期工程航槽全長92.27千米，航道設計底寬從350~400米，計算允許超寬3.0米，水深由-10米增深至-12.5米，計算允許超深0.3~0.5米，邊坡1:20。其中施工區段上游內航道大約12千米的區域黏性土分布較集中，土質較硬。

公司採用《黏性土航道免掃淺疏浚施工工法》，根據施工條件和船舶性能制定了可行的施工方案。在施工過程中，參建船舶套用疏浚監測平台的橫縱斷面和三維地形顯示功能，做到了對局部範圍的淺區和孤立淺點採取主動精確過耙，在其處於初始階段易於浚挖時即予以掃除，避免後期形成淺埂、壟溝；並利用幫跡記錄和施工過程回放功能，控制對不同水深分布、不同土質區域的過耙頻率，實現均勻增深，有效的控制超深、超寬，提高了施工區段的平整度。

2011年9月，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2009-2010年度國家級工法的通知》建質[2011]154號，《粘性土航道免掃淺施工工法》被評定為2009-2010年度國家二級工法。