莫建波，趙彪，柳夏宸

（1.上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136；2.中港疏浚有限公司，上海 200136）

0 引言

隨著沿海吹填造地工程的日漸增多，吹砂船舶的類型越來越多，有泵吸式、絞吸式、耙吸式等等。

在東南亞沿海區(qū)域，砂質(zhì)多為中粗砂，適宜使用皮帶式吹砂船，而且皮帶式吹砂船具有準(zhǔn)入門檻低、施工效率高、施工成本低等優(yōu)點。但是皮帶式吹砂船多用于砂料的倒運及碼頭裝卸施工，并且皮帶式吹砂船不同于絞吸船與耙吸船，自身僅配有船舶AIS 系統(tǒng)，無GPS 定位系統(tǒng)，所以僅靠自身設(shè)備無法做到精確定位精準(zhǔn)拋砂，從而無法完成砂壩精準(zhǔn)吹填和圍區(qū)分層拋填。本項目施工區(qū)域存在2~9 m 不等的淤泥層，如僅采取直接單向推進(jìn)的吹填方法，則會引起施工期沉降不一致和淤泥包隆起[1]，一方面不利于工程區(qū)域內(nèi)的地基穩(wěn)定，另一方面也容易引起周邊水域的地形變化。

為了控制施工成本，在不額外增加輔助船機設(shè)備的前提下，僅通過采取優(yōu)化施工部署，并輔以高精度雷達(dá)量方等措施，不僅滿足了工程質(zhì)量要求，還確保了施工安全。

1 工程概況

馬來西亞新山麗都項目位于馬來西亞柔佛州，緊鄰新加坡的新柔長堤。新柔長堤為不透水式實心堤，將柔佛海峽一分為二，本項目地處新柔長堤西側(cè)。工程工期30 個月，施工內(nèi)容包括吹填砂、護岸、地表排水渠等結(jié)構(gòu)。工程造地面積約66 萬m2，造地高程為+3.0 m，共分4 期實施，總填砂量約1 000 萬m3。施工區(qū)域水深5~14 m 不等，滿足皮帶機船吃水深度要求。在綜合考慮當(dāng)?shù)厥袌龅拇氨Ｓ辛?、施工區(qū)域環(huán)境影響、成本等因素的基礎(chǔ)上，選定采用皮帶機船進(jìn)行填砂施工。工程區(qū)域分期實施平面布置圖見圖1。

圖1 工程區(qū)域分期實施平面布置圖Fig.1 Layout plan for phased implementation of the engineering area

2 主要關(guān)鍵點

本項目位于馬來西亞柔佛海峽近柔佛長堤處，距新加坡邊境線僅130 m 左右，屬敏感海區(qū)。施工區(qū)水深變化大，外側(cè)海底坡度大，波浪、潮流作用小，工程區(qū)域表層分布有2～9 m 的淤泥層，工程地質(zhì)性能差，滑移可能性大，極易形成淤泥包；施工區(qū)環(huán)保要求極為嚴(yán)格；人工量方難度大效率低。本工程主要技術(shù)關(guān)鍵點如下：

1）運輸船舶為“二合一”或“三合一”的皮帶式運輸船，船舶艙底為不規(guī)則形體，且二合一船舶裝艙后形成高低不一的砂堆，人工量方精度難以有效界定且效率低，須采用新技術(shù)手段解決裝艙量確認(rèn)的問題。

2）施工區(qū)臨近新加坡邊境，屬敏感海區(qū)，相鄰境內(nèi)有漁業(yè)養(yǎng)殖要求，環(huán)保要求嚴(yán)格，須重點關(guān)注拋砂吹填施工所產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，避免糾紛。

3）施工區(qū)域內(nèi)淤泥層厚度分布不均，淤泥承載力差，滑移可能性大，須重點研究施工工藝，避免發(fā)生淤泥包、防止滑塌等質(zhì)量事故。

3 針對性技術(shù)研究

3.1 采用三維激光掃描儀檢測船舶裝艙量

皮帶式吹砂船根據(jù)裝艙方式主要分為兩種：“三合一”與“二合一”。其中，“三合一”船舶具備自吸功能，裝艙過程中在水流作用下砂體密實度高，基本實現(xiàn)表層的整平；“二合一”船舶不具備自吸功能，由砂源地取砂泵裝艙，砂體為不規(guī)則體。此外，皮帶式吹砂船船艙內(nèi)桿、柱較多，底部皮帶艙門多且為不規(guī)則體，造成人工量方困難?！叭弦弧奔啊岸弦弧贝皾M載狀態(tài)見圖2。

圖2 “三合一”與“二合一”船舶滿載狀態(tài)Fig.2 Full load state of"three-in-one"and"two-in-one"ship

三維激光測量技術(shù)是一種全新的遙感技術(shù)，可連續(xù)、快速地采集目標(biāo)物表面的三維空間信息[2-4]。該技術(shù)具有自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)采集周期短、精度高等特點。集成了高精度的激光掃描儀、先進(jìn)的SLAM 算法，是目前集成度最高、精度最高、最輕巧的室內(nèi)外背包式激光雷達(dá)系統(tǒng)，該技術(shù)具有如下優(yōu)點：

1）測量速度快、使用靈活便捷。設(shè)備僅為背包大小，攜帶方便，測量時僅需打開儀器，繞船艙勻速行走一圈即可。每船測量時間僅需3~5 min，相比較人工測量20 min 左右在工效上有了極大的提升，從而提升了砂船的拋填施工時間利用率。

2）點云數(shù)據(jù)密集，測量精度及分辨率高。每秒可獲取30 萬~70 萬點。結(jié)合先進(jìn)SLAM 算法實現(xiàn)室內(nèi)外一體化測量，無需GPS 定位即可實現(xiàn)厘米級精度。

3）能全天候工作，受環(huán)境影響小。人工夜間量方局限性大，激光掃描儀則不受限制，相比較其他固定式儀器受環(huán)境影響小。

在現(xiàn)場配有計算機的情況下，整個處理流程時間不超過10 min，滿足裝艙量數(shù)據(jù)及時的要求。經(jīng)過現(xiàn)場實船的多次測量，激光量方的方法可靠、結(jié)果準(zhǔn)確、測量便捷，適用于本工程的施工量方計量。

3.2 布設(shè)2 道防污簾控制水體污染物的擴散

皮帶式吹砂船在施工過程中，底層淤泥在拋填砂的沖力作用下會泛起泥漿，引起表層水體的渾濁，造成一定的水體污染。因此采用布設(shè)防污簾的形式阻隔施工區(qū)域的水體表層污染物擴散[5-6]。

防污屏結(jié)構(gòu)采用豎向布置方式，即上部為泡沫漂浮體，在浮力作用下露出海面，阻擋海面污染物，漂浮體之間用尼龍繩進(jìn)行連接；中部為土工布，用以過濾水中污染物；底部為不銹鋼壓載鏈，壓載鏈連接混凝土錨塊，提供重力荷載。防污簾結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖3 防污屏設(shè)計圖Fig.3 Design drawing of anti-fouling screen

一是通過漂浮體的浮力與錨鏈繩拉力達(dá)到平衡，使得防污屏能有效駐位于工程施工的所需設(shè)計位置，同時確保潮汐作用下不會產(chǎn)生較大位移。二是通過壓載鏈的重力拉緊土工布，從而維持防污屏整體結(jié)構(gòu)豎相垂直。

防污屏總長6 000 m，分內(nèi)外側(cè)兩道布置，每道長度3 000 m。內(nèi)側(cè)防污簾設(shè)計深度為4 m，外側(cè)即新加坡海域一側(cè)防污簾設(shè)計深度為10 m。2道防污屏具有兩方面的好處，一是保障單道防污屏出現(xiàn)漏洞后尚有另一道進(jìn)行日常的污染阻擋，確保施工海域的生態(tài)環(huán)保不受影響。二是不同深度的土工布產(chǎn)生的流體力差異，利于兩側(cè)海域的底層水質(zhì)交換，避免發(fā)生水體富氧化。施工時考慮漲落潮因素及海域水深狀況，合理確定了混凝土配重塊與壓載鏈之間的連接繩長度，既能確保漲潮時防污屏移動后與吹填施工的堤頂前沿線之間預(yù)留足夠的船舶通道，又能確保落潮時防污屏移動后與國界線之間預(yù)留足夠的安全距離。

3.3 研發(fā)皮帶式吹砂船精準(zhǔn)拋砂壓載施工技術(shù)

工程施工區(qū)域內(nèi)有一定厚度的淤泥且厚度為2~9 m 不等，從工程施工成本的角度來講，存在淤泥可減少填砂方量；從工程施工的穩(wěn)定性來講，存在淤泥對填砂的穩(wěn)定性有一定的影響。因此如何“變廢為寶”，既減少淤泥的流失，又提高填砂的穩(wěn)定性成為項目施工的重點。經(jīng)與設(shè)計溝通，采取在外側(cè)構(gòu)筑砂壩集中擠淤，提高吹填砂邊緣的穩(wěn)定性；在內(nèi)側(cè)均勻分層拋砂，讓砂與淤泥充分混合，提高圍區(qū)內(nèi)砂體穩(wěn)定性的措施。

3.3.1 皮帶式吹砂船自身的局限性

目前國內(nèi)外采用帶式輸送吹砂船分層吹填的案例極少，主要原因在于皮帶式吹砂船自身僅配船舶AIS 系統(tǒng)，無GPS 定位系統(tǒng)，所以僅靠自身設(shè)備無法做到精確定位，精準(zhǔn)拋砂，從而無法確定整體施工流程，完成砂壩吹填和圍區(qū)分層拋填，因此在施工工序安排和吹填質(zhì)量控制方面增加了難度。

3.3.2 優(yōu)化皮帶式吹砂船施工方式

1）在外側(cè)集中加載構(gòu)筑砂壩

在施工區(qū)域的邊緣利用皮帶式吹砂船筑建砂壩，形成砂壩圍區(qū)。皮帶式吹砂船駛抵施工點后減速待定，人工手持GPS 在船頭進(jìn)行定位，測算吹砂船的皮帶機機頭的準(zhǔn)確方位，將皮帶機機頭對準(zhǔn)擬拋填的區(qū)域后，開動吹砂船的主機進(jìn)行定點拋填施工，單次加載深度為16 m 以上，以充分?jǐn)D走砂壩圍區(qū)內(nèi)的底層淤泥，增加砂壩體底部的摩擦力，直至砂體出水達(dá)到設(shè)計標(biāo)高后吹砂船移位至下一施工點，直到砂壩構(gòu)筑完成；再向砂壩圍區(qū)內(nèi)填砂以提高砂壩體的側(cè)向穩(wěn)定性，同時又能形成相對封閉的施工區(qū)域，從而減少砂壩圍區(qū)內(nèi)回填砂時的流失量?，F(xiàn)場施工見圖4。

圖4 施工現(xiàn)場外側(cè)砂壩施工Fig.4 Construction of sand dam outside the construction site

2）在圍區(qū)內(nèi)均勻加載拋砂

根據(jù)皮帶式吹砂船的裝載量，研究制定拋砂施工網(wǎng)格[7-8]。將圍區(qū)劃分成50 m×50 m 田字格，測量人員在田字格的4 個角點拋設(shè)浮標(biāo)，施工人員指揮吹砂船進(jìn)點后在田字格內(nèi)均勻擺動皮帶機進(jìn)行拋砂。現(xiàn)場吹砂船舶多為4 000～5 000 m3左右的皮帶機船，單次拋砂厚度約為2 m。

利用帶式輸送吹砂船艏部兩口錨進(jìn)行定位，在進(jìn)入吹填網(wǎng)格150 m 左右拋下雙錨，船舶緩行放下錨鏈，行至吹填網(wǎng)格時放下止鏈器，鎖緊錨鏈；此時吹砂船主機不停，利用動力與錨鏈拉力形成平衡使船舶達(dá)到精確駐位。再定位至吹填方塊底邊線時開始吹填，施工過程中，利用船舵調(diào)整船舶方向，由方格一邊向另一邊勻速擺動，當(dāng)船艙內(nèi)砂量卸掉1/3 時，即完成網(wǎng)格內(nèi)的第1 條弧形區(qū)拋砂施工；此時再抬起止鏈器，放下錨鏈15 m 后放下止鏈器，在船舶動力作用下帶式輸送吹砂船緩慢向前行駛15 m 左右，繼續(xù)采用左右勻速擺動，當(dāng)船艙內(nèi)砂量卸掉2/3 時，即完成網(wǎng)格內(nèi)的第2 條弧形區(qū)拋砂施工；以此往復(fù)，完成網(wǎng)格內(nèi)的第3 條弧形區(qū)拋砂施工，從而完成50 m×50 m 吹填網(wǎng)格內(nèi)的均勻加載拋砂。

3.3.3 優(yōu)化后皮帶式吹砂船吹填成陸方式的特點

1）施工區(qū)域的邊緣構(gòu)筑砂壩集中擠淤，在砂壩圍區(qū)內(nèi)填砂后提高砂壩體的側(cè)向穩(wěn)定性，同時又能形成相對封閉的施工區(qū)域，從而減少砂壩圍區(qū)內(nèi)回填砂時的流失量。

2）在砂壩圍區(qū)內(nèi)均勻分層拋砂，讓砂與淤泥充分混合，即避免了淤泥的集中隆起導(dǎo)致局部地基承載力較差，又提高砂壩圍區(qū)內(nèi)砂體的穩(wěn)定性。

3）不需要額外增加船機設(shè)備投入，僅通過皮帶式吹砂船自身的擺動，確保了成陸區(qū)內(nèi)均勻壓載，解決了施工區(qū)域內(nèi)淤泥層深厚不均的問題，同時避免出現(xiàn)淤泥包、滑塌等質(zhì)量事故的發(fā)生，不僅滿足了工程質(zhì)量要求，還確保了施工安全。

4 結(jié)語

通過采用三維激光雷達(dá)技術(shù)，解決了船舶量方精度問題；通過在施工區(qū)域外側(cè)布設(shè)2 道防污屏，解決了緊鄰國境線的環(huán)保施工問題；通過研究船舶自身機械設(shè)備條件，在不額外增加船機設(shè)備投入，僅通過皮帶式吹砂船的自身擺動，實現(xiàn)了分層拋砂的精度問題，形成了一整套適宜于皮帶式吹砂船直接拋填的施工技術(shù)，為后續(xù)類似工程施工提供了經(jīng)驗借鑒。