金晶，李亞青

（中交上海航道局有限公司，上海 200002）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，填海造地工程越來越多地應(yīng)用于港口、機(jī)場以及一些基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，這些項(xiàng)目的建設(shè)，不僅方便了人們的生活，同時(shí)給區(qū)域的發(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟(jì)利益，提升區(qū)域的整體競爭力。香港國際機(jī)場第三跑道填海工程（以下簡稱香港三跑工程）建設(shè)就是在這一背景下籌備建造。香港三跑工程施工是在大范圍軟基上進(jìn)行的高質(zhì)量要求的回填工程，應(yīng)用了多種水力攤鋪工藝。例如，采用了自主研發(fā)且國內(nèi)首創(chuàng)工藝——鋪砂駁水下分層攤鋪，經(jīng)過大量的改造調(diào)試與試驗(yàn)摸索，工藝成功的應(yīng)用，滿足了香港三跑工程建設(shè)中施工精準(zhǔn)性和高效性的要求；采用了泵砂船配合攤鋪頭的工藝，解決了低凈空區(qū)域鋪砂難的難題。本文以香港三跑工程為例，研究水力攤鋪工藝在工程中的應(yīng)用以及質(zhì)量控制，為以后類似工程提供一定的借鑒。

1 工程概況

1.1 工程介紹

香港三跑工程位于香港國際機(jī)場北側(cè)，主回填工程需填海造地進(jìn)行建設(shè)，本工程陸域形成面積約650 hm2，陸域回填工程量約9200 萬m3，其規(guī)模約為港珠澳大橋香港人工島的4 倍以上。本項(xiàng)目主要包括陸域形成、陸域外側(cè)海堤修筑、地基處理、監(jiān)測檢測儀器設(shè)備安裝以及排水系統(tǒng)修改等工作。

1.2 工程地質(zhì)

本工程范圍含有香港前期已完工程的貯泥坑，土質(zhì)條件較差，拋填的淤泥層達(dá)14～20 m，持力層深度在-40～-50 mPD（香港高程基準(zhǔn)面）。

1.3 水文及限制條件

1） 水文情況

香港三跑工程受周圍地形影響，現(xiàn)場漲潮流較緩、退潮流較急，平潮時(shí)間較長，潮差在0.3～2.3 m 之間，施工區(qū)中部水域流速較緩，且流速自北向南逐漸減弱。施工水域水深呈現(xiàn)出“南淺北深”的特點(diǎn)。泥面淺處為南側(cè)、機(jī)場陸域北側(cè)附近水域，泥面標(biāo)高為-2.0 mPD，泥面深處為施工區(qū)西北側(cè)水域，泥面標(biāo)高為-5.4～-7.1 mPD。

2） 限制條件

香港三跑工程緊鄰運(yùn)營中的二跑工程，機(jī)場限高較為嚴(yán)格，對施工船舶的凈空高度要求較嚴(yán)，特別是臨近原跑道區(qū)域，對于施工設(shè)備高度要求更為嚴(yán)格，要求凈空高度不超過8 m。

1.4 回填料

由于相關(guān)政府部門對于海砂的開采管控頗為嚴(yán)格，填海造地工程的施工進(jìn)度受到極大的限制，在這樣的環(huán)境下，為確保工程順利進(jìn)展就需要一種材料替代海砂進(jìn)行填海作業(yè)，因?yàn)闄C(jī)制砂的屬性與海砂相近[1]，所以機(jī)制砂目前被廣泛應(yīng)用在填海工程。機(jī)制砂通過開采并加以處理后由皮帶砂船從內(nèi)地石場運(yùn)輸而來，本文著重對水力吹填工藝施工機(jī)制砂進(jìn)行分析。

2 攤鋪工藝研究及質(zhì)量控制

2.1 鋪砂駁工藝

2.1.1 研究背景

香港三跑工程設(shè)計(jì)文件[2]要求砂墊層厚度為2 m，需要分4 層攤鋪，平整度控制±250 mm。為防止鋪砂過程中黃泥水，要求鋪砂作業(yè)在水下1 m進(jìn)行。為滿足本工程的高質(zhì)量、綠色環(huán)保的施工要求，需研究一種能夠水下分層攤鋪的施工工藝。

2.1.2 工藝研究

1） 研究理念

鋪砂駁為整體式、單甲板、非自航鋼質(zhì)方體駁，采用DGPS 定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自身的定位，通過錨機(jī)系統(tǒng)提供行進(jìn)動(dòng)力，由自帶的沖砂水泵或外接設(shè)備的泥泵為砂料輸送提供動(dòng)力的一種填海造地鋪砂專用設(shè)備。為達(dá)到全天候作業(yè)采用全自動(dòng)軟件集成控制。鋪砂駁前端安裝有可升降的攤鋪頭，根據(jù)砂漿分流方式的不同，攤鋪頭可分為開敞式（鋪沙1）和閉合式（DCOC）兩種不同的類型。作業(yè)時(shí)將攤鋪頭放到水下1 m 位置，啟動(dòng)自動(dòng)移船功能實(shí)現(xiàn)水下分層攤鋪。鋪砂駁側(cè)視圖見圖1。

圖1 鋪砂駁側(cè)視圖Fig.1 Side view of spreader pontoon

2） 供砂方式

根據(jù)不同類型的鋪砂駁輸砂源動(dòng)力差別，鋪砂駁供砂方式分為兩種方式。“鋪沙1”系列自身未安裝沖砂水泵，其輸砂動(dòng)力由供料端的泵船提供，即皮帶砂船將砂料打在泵船艙內(nèi)，之后由泵船通過管線將砂料輸送給鋪砂駁?！癉COC”系列自身安裝有沖砂水泵，可為輸砂提供動(dòng)力，即皮帶砂船將砂料打在鋪砂駁料斗內(nèi)，通過水泵的動(dòng)力傳輸砂料至攤鋪頭，施工時(shí)皮帶砂船絞錨移船與鋪砂駁同步行進(jìn)或后退。

3） 走線控制

定位方式：鋪砂駁采用四口拋出的定位錨進(jìn)行船舶自身定位，船舶艏向定位通過GPS 實(shí)現(xiàn)。

動(dòng)力輸出：通過四纜或者六纜的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)船舶的向前、向后及側(cè)向移動(dòng)。

控制系統(tǒng)：施工前抓取預(yù)設(shè)的工作線，手動(dòng)將船移至工作線起端，開啟自動(dòng)移船按鈕。鋪砂駁走線監(jiān)控界面如圖2。

圖2 鋪砂駁走線監(jiān)控界面Fig.2 Routing monitoring interface of spreader pontoon

行進(jìn)速度：移船速度根據(jù)產(chǎn)量計(jì)及設(shè)定的鋪砂厚度決定，見式（1）。

式中：V 為鋪砂行進(jìn)速度，m/s；Q 為濕砂小時(shí)產(chǎn)量，m3；L 為攤鋪頭寬度，m；H 為鋪砂厚度，m。

2.1.3 工藝流程

1） 將制作好的施工網(wǎng)格導(dǎo)入導(dǎo)航定位系統(tǒng)，根據(jù)施工中心線抓取工作線。

2） 鋪砂駁進(jìn)入施工區(qū)域，由錨艇配合逐次放出錨纜，拋錨至事先編排好的錨位坐標(biāo)，錨泊完畢后，手動(dòng)控制鋪砂駁按照預(yù)設(shè)的工作線移位至鋪砂起始點(diǎn)。

3） 皮帶砂船拋錨就位，微調(diào)整船位將皮帶橋梁出料端口對準(zhǔn)鋪砂駁接料斗。

4） 打開鋪砂駁沖砂泵海底閥門，一切確認(rèn)無誤后啟動(dòng)沖砂泵及沖水泵，并啟動(dòng)液壓泵。

5） 皮帶砂船供料至鋪砂駁接料斗，啟動(dòng)鋪砂駁自動(dòng)控制系統(tǒng)開始鋪砂作業(yè)。

2.1.4 質(zhì)量控制

1） 厚度控制

為保障鋪砂層的沉淀效果，施工時(shí)采用分層鋪砂，在香港三跑工程施工中，砂墊層的厚度要求為2 m，每層0.5 m，共分4 層進(jìn)行鋪砂。

2） 邊坡控制

以香港三跑工程為例，設(shè)計(jì)文件中要求邊坡比不大于1∶15，在實(shí)際鋪砂施工中，第1 層砂墊層施工時(shí)，施工范圍為140 m×140 m，第2 層施工時(shí)四周均向內(nèi)縮進(jìn)14 m，即施工范圍為112 m×112 m；依此類推，第3 層施工范圍為84 m×84 m，第4 層施工范圍為56 m×56 m，通過層與層之間的縮級(jí)達(dá)到滿足香港機(jī)場工程建設(shè)邊坡的要求。

3） 分區(qū)搭接

首先鋪砂駁按照邊坡縮進(jìn)要求完成一個(gè)分區(qū)的4 層（厚度2 m）鋪砂施工，翻錨移船位至相鄰的分區(qū)重新開始第1 層的鋪砂施工，相鄰區(qū)域?qū)訉哟罱?，完成分區(qū)間的搭接（圖3）。

圖3 分區(qū)搭接示意圖Fig.3 Schematic diagram of partition overlap

4） 測量檢測

在砂墊層施工至第3 層后，安排多波束測量，出具厚度數(shù)據(jù)XYZ 文件，再導(dǎo)入鋪砂駁計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，生成厚度色塊圖作為背景顏色，在第4 層施工時(shí)，對照厚度數(shù)據(jù)，調(diào)整施工參數(shù)，保證第4層施工質(zhì)量，確保一次滿足交付標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.5 質(zhì)量改良措施

1） 砂料混合不充分

在施工中，會(huì)出現(xiàn)砂料堆積在料斗壁上的情況，時(shí)間一久堆積變多，導(dǎo)致砂料不能被沖砂水泵充分混合。為解決這一問題，經(jīng)過研究決定在料斗加裝沖水裝置，采用類似耙吸船艏吹時(shí)高壓沖水工藝，在漏斗周圍加裝高壓沖水噴嘴替代攪動(dòng)棒將堆積在漏斗口的砂及時(shí)沖散，使砂水混合均勻進(jìn)入管道。后續(xù)施工時(shí)，未出現(xiàn)有砂料堆積在料斗的情況，濃度計(jì)數(shù)值也趨于穩(wěn)定。

2） 鋪砂出現(xiàn)淺梗、壟溝現(xiàn)象

在香港機(jī)場工程中，砂墊層的鋪填材料為機(jī)制砂，中值粒徑約為2 mm，由于砂料顆粒不均勻，在管道中得不到均勻混合，在14 m 的攤鋪出砂中，中間出口濃度較大，兩側(cè)出口濃度較小，這在一定程度上造成鋪設(shè)的砂層中間厚，兩側(cè)薄的現(xiàn)象。針對這些問題，采用錯(cuò)層攤鋪的方法解決，即第1、3 層走一條工作線，第2、4 層錯(cuò)開7 m，確保鋪砂區(qū)域的平整度[3]。

2.2 泵砂船+攤鋪頭

2.2.1 研究背景

臨近二跑區(qū)域，施工設(shè)備的凈空高度不能超過8 m。為克服機(jī)場限高，保證交地節(jié)點(diǎn)工期，需要研究一種適合低凈空區(qū)的攤鋪工藝。

2.2.2 工藝研究

1） 研究理念

投入的設(shè)備主要有泵砂船和攤鋪頭，其中攤鋪頭為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，由吹填管線、浮筒及環(huán)保架3個(gè)部分組成。施工前，將攤鋪頭組裝成一體，并與泵砂船水上管線完成對接，通過纜繩與平板駁連接固定，此工藝適合在超低凈空區(qū)域攤鋪?zhàn)鳂I(yè)。

2） 供砂方式

皮帶砂船將砂料打至泵砂船艙內(nèi)，由泵砂船泥泵運(yùn)轉(zhuǎn)通過水上管系將混合砂料輸送給攤鋪頭。

3） 走線控制

平板駁可視為簡易的鋪砂駁，平板駁通過安裝的GPS-RTK 進(jìn)行平面定位，通過絞錨系統(tǒng)，控制移動(dòng)速度V（移動(dòng)速度V 由設(shè)定的鋪砂厚H、產(chǎn)量計(jì)檢測的產(chǎn)量Q，及鋪砂寬度L 確定（式（1）），通過攤鋪管控制砂料水下釋放的位置，形成均勻厚度的砂墊層。

2.2.3 工藝流程

1） 施工前，將攤鋪頭組裝成一體，與泵砂船水上管線完成對接，通過纜繩與平板駁連接固定。

2） 根據(jù)吹填管線長度，鋪砂駁錨纜長度及可施工角度等限制因素，確定平板駁的鋪砂面積，再將施工區(qū)劃分成同等規(guī)格小格，制作成施工文件，校對船舶定位系統(tǒng)，調(diào)整施工參數(shù)，將施工文件導(dǎo)入施工控制系統(tǒng)內(nèi)；平板駁一次拋錨可施工的網(wǎng)格可參照120 m×100 m 制定。

3） 平板駁及泵砂船根據(jù)預(yù)設(shè)的位置錨泊就位，就位完畢后連接水上管線。

4） 泵砂船調(diào)試設(shè)備，平板駁移船至鋪砂的起始端。

2.2.4 質(zhì)量控制

1） 厚度控制

施工過程中通過高頻次的打設(shè)水砣，測量出攤鋪厚度，控制平板駁移船速度。暫停施工時(shí)，泵砂船持續(xù)打清水，直至環(huán)保架內(nèi)泛起的水流為清水時(shí)，泵砂船停泵。

2） 邊坡控制

設(shè)計(jì)要求水下回填邊坡不大于1∶15，按照鋪砂駁分條、分網(wǎng)格的施工特點(diǎn)，采取網(wǎng)格單獨(dú)收坡，網(wǎng)格之間分層搭接的方式進(jìn)行邊坡的施工。

3） 分區(qū)搭接

待第一個(gè)網(wǎng)格完工后，移船進(jìn)行相鄰網(wǎng)格的施工。為保證網(wǎng)格之間完全搭接，不出現(xiàn)深溝及欠拋區(qū)域，相鄰網(wǎng)格施工時(shí)，需層與層之間完全連接，具體施工搭接順序見圖4。

圖4 橫向分區(qū)間搭接示意圖Fig.4 Schematic diagram of partition overlap in horizontal

4） 測量檢測

定期安排對已鋪設(shè)的區(qū)域進(jìn)行水砣測量，做好過程質(zhì)量檢測記錄。在砂墊層施工至第3 層后，安排多波束測量，出具厚度數(shù)據(jù)XYZ 文件，再導(dǎo)入鋪砂駁計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，生成厚度色塊圖作為背景顏色，在第4 層施工時(shí)，對照厚度數(shù)據(jù)，調(diào)整施工參數(shù)，保證第4 層施工質(zhì)量滿足交付標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.5 質(zhì)量改良措施

受制于攤鋪頭自身原因（譬如手動(dòng)絞錨移船，未安裝質(zhì)量濃度計(jì)等），在施工中會(huì)出現(xiàn)多鋪少鋪現(xiàn)象。針對這一問題采取以下措施應(yīng)對。首先，針對性的對皮帶砂船、泵砂船、攤鋪頭操作人員進(jìn)行交底。強(qiáng)化質(zhì)量意識(shí)，落實(shí)在施工中的順暢溝通措施。其次，加強(qiáng)鋪砂駁錨機(jī)設(shè)備的保養(yǎng)，有走錨情況時(shí)及時(shí)復(fù)位。

2.3 皮帶砂船+絞吸船

2.3.1 研究背景

傳統(tǒng)的絞吸挖泥船利用絞刀進(jìn)行取砂作業(yè)，但香港三跑工程周邊無取砂區(qū)，建設(shè)砂料需要由皮帶砂船運(yùn)送到場，砂源限制了絞吸式挖泥船的有效發(fā)揮。為滿足填砂強(qiáng)度的需求，急需將絞吸船進(jìn)行改造以適應(yīng)本工程供料方式[4-5]。

2.3.2 工藝研究

1） 改造方式

將絞吸船原本的絞刀及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拆除，在橋架水下泵前端安裝特殊設(shè)計(jì)的料斗裝置，用于接收皮帶砂船輸送的砂料并實(shí)現(xiàn)砂與水的混合（圖5）。料斗下端布置吸砂管及帶調(diào)節(jié)閥的引水管，在料斗的內(nèi)部設(shè)置高壓沖水裝置，作業(yè)時(shí)料斗沉入水中-6 m 的深度以保持料斗內(nèi)始終有充足的水，并在料斗上部設(shè)置應(yīng)急補(bǔ)水口，吹砂作業(yè)時(shí)水下泵全部沒入水中。

圖5 皮帶船供砂至絞吸船F(xiàn)ig.5 Unloading sand from pelican to CSD

2） 供砂方式

改造后的絞吸船整體工藝和操作方式與改造前的絞吸船有較大的差別。改造前，絞吸船輸送濃度和流速的控制由駕駛員通過切厚、進(jìn)步和橫移速度來調(diào)整，改造后，絞吸吹泥船濃度和流速的控制由供砂船的供砂速度、供砂量及絞吸吹泥船料斗底部引水量來調(diào)整。

2.3.3 工藝流程

1） 根據(jù)施工部署，絞吸船拋錨就位，船位保持固定不變。

2） 皮帶砂船航行至絞吸船附近后，拋兩側(cè)邊錨，移船靠近絞吸船料斗，將皮帶橋梁出砂口對準(zhǔn)料斗。

3） 絞吸船啟動(dòng)泥泵打清水，在確保一切正常后，絞吸船作業(yè)人員通知皮帶砂船開始供砂。

4） 皮帶砂船清載后，絞吸船打清水停車，等待下一艘皮帶砂船埋位。

2.3.4 質(zhì)量控制

1） 合理調(diào)節(jié)絞吸船吹砂流速、濃度

由于供砂方式的特點(diǎn)，絞吸船吹填效率受制于皮帶砂船供砂速度的快慢。絞吸船流速的調(diào)整受供砂效率的影響。另外，通過在管線口加裝縮口，控制清水最大流速（不超過6.2 m/s），避免泥泵超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，通過控制砂船下砂速率，控制泥漿流速（不低于3.8 m/s），避免出現(xiàn)砂料堵管情況。通過流速控制在保障船機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行的情況下高效施工。

2） 陸吹填區(qū)域平整度控制

在吹填區(qū)設(shè)置標(biāo)高標(biāo)識(shí)，達(dá)到預(yù)定的標(biāo)高后及時(shí)調(diào)整管線或者加長岸管。吹填后的場地交場標(biāo)高控制在±150 mm[6]，針對局部高差過大的區(qū)域，需要安排推土機(jī)進(jìn)行細(xì)平。

3） 質(zhì)量檢測

測量精度直接影響到整個(gè)工程的質(zhì)量，本項(xiàng)目采用香港80 坐標(biāo)系和香港高程基準(zhǔn)面（PD）作為水平及垂直測量基準(zhǔn)面，使用RTK 儀器進(jìn)行定位測量，地政總署提供的香港衛(wèi)星定位參考站網(wǎng)（Sat-Ref）數(shù)據(jù)和Trimble SPS-461 接收機(jī)的GPS數(shù)據(jù)相結(jié)合生成香港80 坐標(biāo)系的實(shí)時(shí)定位坐標(biāo)。

2.3.5 質(zhì)量改良措施

1） 信息傳達(dá)障礙影響施工質(zhì)量

在吹砂施工作業(yè)過程中，皮帶砂船下砂作業(yè)的開始、結(jié)束、暫停及速度變化由絞吸船操作人員進(jìn)行指揮。實(shí)際指揮操作過程中，從指令下達(dá)到行為實(shí)施有約5～10 s 的延遲時(shí)間，另外供砂速度過快會(huì)導(dǎo)致主船料斗內(nèi)砂料堆積，真空增大，不能及時(shí)吸入，發(fā)生堵口現(xiàn)象。針對這一問題，在新的皮帶砂船配合絞吸船施工時(shí)，由絞吸船船長對皮帶砂船指揮員進(jìn)行交底，以便皮帶砂船指揮人員熟悉絞吸船的料斗、泥泵及管線等設(shè)備情況，及時(shí)做出判斷及響應(yīng)。

2） 吹填區(qū)平整度的優(yōu)化

吹填區(qū)平整度控制方法一般有水力法和機(jī)械整平法。本工程吹填區(qū)域較大，考慮效率及經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，需主要采取水力法進(jìn)行平整。在吹填過程中，通過調(diào)整管線的位置等方法控制水流方向，達(dá)到一次吹填完成的目的。施工中，要及時(shí)判斷接管時(shí)機(jī)?？紤]到地基的沉降影響及砂料自身的密實(shí)，需要對標(biāo)高預(yù)留一定的富裕量[7-8]。

3） 防止吹填過程中淤泥包的形成

在吹填施工中，一旦出現(xiàn)淤泥包，將造成很大的影響，為了杜絕出現(xiàn)淤泥包，可采取的措施為：合理安排施工順序，分級(jí)加高吹填；另外，加大泥漿的流程，可采取提高泥泵壓力，加大挾砂的水流量，擴(kuò)大吹填砂的成灘范圍等措施。

3 結(jié)語

本文所述的3 種水力攤鋪工藝在香港三跑工程中得到了驗(yàn)證，精細(xì)化的分層攤鋪，滿足了施工質(zhì)量的嚴(yán)要求；環(huán)保架的合理應(yīng)用，解決了環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)這一難題；接砂料斗的加裝，適用了新的材料來源。因此，在保護(hù)環(huán)境要求嚴(yán)，施工質(zhì)量要求高，填砂原料緊缺的情況下，這3 種水力攤鋪工藝對其它吹填造地項(xiàng)目具有參考和借鑒意義。