洋山深水港区四期工程码头下方清淤技术

黄飞宇，赵飞，沈伟平*

（1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中交上海航道局有限公司，上海 200136）

随着社会经济的飞速发展，越来越多的港口建造了高桩码头，但受泥沙的回於影响，高桩码头下方内部会淤积大量泥沙，导致钢桩承受泥沙的压力作用，严重时会导致钢桩倾倒码头局部坍塌。为保持高桩码头的长期稳定性，必须对码头下方进行针对性维护疏浚。

1 工程概况

上海国际航运中心洋山深水港区位于杭州湾口东北部，上海市芦潮港东南的崎岖列岛海区嵊泗县海域，东临黄泽洋，北邻长江口。四期工程位于小洋山岛链最西端，与洋山二期工程相邻，码头总长2 350 m。洋山深水港区水路北距长江口灯船72 km（江海航道），西距芦潮港约32 km，南至宁波北仑港90 km，东经黄泽洋直通外海，到国际远洋航线航距约104 km。陆路由32.5 km的东海大桥与上海南汇区芦潮港相连。

疏浚工程范围包括：四期工程码头前沿停泊水域、船舶回旋及连接水域、港内航道和码头下方疏浚。其中码头下方码头前沿线向里30 m范围取1∶3，30 m以外取1∶2[1-2]；与回旋及连接水域之间过渡边坡取1∶15。施工区域平均高潮位3.88 m，平均低潮位1.44 m，桩径分1.5 m桩和1.3 m桩，长桩距60 m，短桩距30 m。本文重点研究的是码头下方疏浚的施工技术。

2 码头下方清淤难点

码头下方清淤是一种工程量小，但施工难度较大的特殊疏浚工程[3]。其施工主要难点是施工效率相比一般的疏浚工程低很多，且施工安全隐患较大，导致这种情况的主要原因是：

1）有效作业时间短。由于码头下方水面以上的净空高度较低，加上码头下方有钢管桩及（轨道）承重梁、预应力横梁，且受涨落潮水的影响，施工设备与人员在进出码头下方排架之间的施工水域作业时条件极为苛刻，所以必须抓紧涨落潮时的适合空间（水面以上净空高度）进行施工，平均每天24 h内码头下方有效工作时间仅约10～14 h，有效作业时间有限，时间利用率约为50%。

2）有效作业天数少。由于船体较小，采用小型船机组在码头下方清淤施工时，对涌浪、大风和大雾等水文和天气因素较为敏感，受天气影响同样较大，如果工程受台风影响天数多，冬季寒潮大风频发，全年涌浪、大雾和强对流等恶劣天气较多，将直接导致小型船机的可作业天数较少。在洋山港四期工程中，自2016年10月18日—2017年3月14日日历天为158 d，实际码头下方清淤作业天数为60 d，仅占日历天的37.97%。

3）安全隐患大，施工效率低。受小型船机施工设备、作业面空间、施工工艺、操作人员施工操作不熟练等因素影响，单艘小型船机前期疏浚的单位小时效率仅在25 m3/h左右，施工强度有限，再加上有效作业时间少，很难满足工程进度的需要。同时在码头下方施工环境差，水底存在具有伤害性的垃圾，施工安全隐患较大。

3 施工工艺

洋山四期工程码头下方清淤总体施工工艺是通过抓斗船在码头前沿挖掘出一道储泥槽，再通过小型船机进入码头下方内疏浚作业，将码头下方的泥沙排放到储泥槽中。本文对传统施工工艺小型船机（绞吸型）疏浚和创新的耙斗疏浚船（挖掘型）疏浚进行介绍，并在施工效率及安全性上进行对比分析。

3.1 小型船机施工工艺

1）母船定位

在满足小型船机生产条件时，定位船先行定位到指定的区域，定位母船船首抛2个交叉锚，内锚由码头系缆拢岸作业，锚位上系自亮浮灯警示标志保证其他船舶航行安全。船尾抛交叉锚，内锚由码头系缆桩拢岸作业，锚位上系自亮浮灯警示标志[4]。母船离开码头前沿10 m左右，定位完成并把小型船机放入水中，最后定位小型船机。

2）小型船机定位

操作人员把其中2个卷扬机上的钢丝绳系在母船，用小船把另外2个卷扬机的钢丝绳固定在桥墩上。操作人员穿戴安全帽和救生衣下到小型船机控制室，操控卷扬机到指定的区域。放下吸泥泵进行施工。

3）小型船机清淤施工

工作时小型船机进到码头下方，利用船下方的2个绞刀扰动沙土，然后用吸泥泵吸泥并将泥浆喷至事先开挖好的储泥槽内，施工示意图如图1所示，机械达不到的地方或者遇到障碍物则由人工进行处理。

图1 小型船机施工示意图Fig.1 Construction diagram of small boat machine

3.2 耙斗疏浚船施工工艺

3.2.1 耙斗设计

针对码头下方清淤的工况条件，设计出一套水下削坡专用耙泥斗，专门用于码头底部削坡清淤的施工作业。其需要与疏浚船共同使用，简称耙斗疏浚船，见图2。其主要装备有：

图2 耙斗疏浚船俯视图Fig.2 Top view of harrow dredging vessel

1）耙斗。耙斗宽度为1.3 m，长度为4.5 m，在钢丝绳牵引力的作用下挖进泥层，下部焊接的耙齿为耙斗提供了较好的破土能力，见图3。

图3 水下削坡专用耙斗图Fig.3 Mud rake bucket for underwater slope cutting

2）沉块。沉块的重量为10 t，基本作用为稳定上部的葫芦片，使挖泥绞缆机的钢丝绳通过葫芦片改变钢丝移动方向，牵引耙斗挖泥。

3）送斗绞缆机。在码头下方的钢桩上固定一个葫芦片，送斗绞缆机运转时，通过葫芦片的转向作用，耙斗钢丝绳在牵引力作用下，由码头外开始向斜上方移动，最终移至目标挖泥点。

4）倒泥绞缆机。当耙斗装满泥沙并移至码头外侧的储泥槽时，倒泥绞缆机开始运转，使得耙斗向下翻转，泥沙倾泻而下。

5）沉块绞缆机。挖掘型疏浚船定位到指定码头下方位置时，沉块绞缆机开始运转，使得沉块缓缓下放至泥层表面，为上部的葫芦片提供稳定的基础。

6）挖泥绞缆机。当耙斗由送斗绞缆机牵引至目标位置时，挖泥绞缆机开始运转，由于挖泥绞缆机的钢丝绳需要经过沉块位置的葫芦片，耙斗收到斜下方的牵引力挖进泥面，在钢丝绳的作用下移动至码头外侧，完成挖泥工作[5]，见图4。

图4 钢丝绳绞缆机Fig.4 Wire rope warping machine

3.2.2 施工工艺

耙斗疏浚船一般可以采用长度在40～50 m的小型驳船，净吨位在80 t以内，改装后吃水应在3 m以内，施工展布作业面小，工作灵活不需抛锚[6]，在施工船移动至对应码头前沿后，启动沉块绞缆机，直至沉块下放至底部泥面层。施工人员乘小艇进入码头下方，在最里面的钢桩上固定葫芦片（约30 min），并把葫芦片与送斗（挖泥）绞缆机的钢丝绳安装好。

准备工作完成后，启动送斗绞缆机，耙斗在钢丝牵引力的作用下向码头下方斜上方移动，直至移动至目标位置。启动挖泥绞缆机，由于沉块上部的葫芦片改变钢丝绳的移动方向，耙斗受到下部和外部方向的钢丝绳牵引力作用，深深嵌入泥层并向码头外移动，将泥沙装满耙斗。待移动至外侧的储泥槽位置后，启动倒泥绞缆机，耙斗向下倾斜，将泥沙倒进槽中。之后再次启动送斗绞缆机将耙斗牵引至码头下方，重复上述步骤继续疏浚。待该码头下方挖泥结束后，施工人员乘小艇进入码头下方拆卸葫芦片并安装至下一码头下方，送斗绞缆机、沉块绞缆机运转将耙斗、沉块提升出泥层一定距离，当施工船移动至下一码头下方后，再次下放沉块，固定码头下方葫芦片并安装钢丝绳，完成准备工作后继续疏浚施工。

耙头挖掘型疏浚船疏浚作业时，一次挖掘泥层厚度为2 m，一次挖掘水平距离为6 m，将疏浚泥层挖成阶梯形，待泥层自然坍塌后形成坡比为1∶3的斜坡。

3.2.3 安全措施

耙斗疏浚船在施工中除了要遵循一般的水上施工作业安全注意事项外，还需要注意2个安全保护。

1）注意码头桩基的保护。码头下方施工时需要严格控制各船机施工进度，并采取严格分层的方法施工（暂定分层厚度2 m），使各桩基之间水深均匀增深，保证码头桩基两侧泥面不产生较大高差，泥层侧压力不至于对桩基产生破坏，从而保证桩基的稳定性，使码头下方施工平稳有序推进。施工示意图见图5。

图5 保护桩基分层施工示意图Fig.5 Layered construction of protective pile foundation

2）由于可能会有多艘小型船舶参与施工，各施工船舶一定要做好彼此之间的协调与避让工作，水上设施均需悬挂信号标志或有关的警戒措施，尤其是夜间必须配设明显的灯光显示。

3.3 2种施工工艺对比

耙斗疏浚船较小型船机组有以下优点：

1）由于直接使用耙头水下疏浚，不需要小型船机进入码头下方，施工船每日受潮水影响无法作业的时间缩短至4 h，时间利用率显著提升。

2）小型船机组施工时，由发动机吸上来的泥浆直接通过漂浮在水面的排泥口排出，泥浆与水充分接触导致泥浆被稀释，在抓斗船作业区域里造成回淤，削弱了储泥槽的作用；而采用耙头挖掘淤泥时，码头下方的淤泥被专用耙头直接铲至固定的储泥槽中，极大地减少了泥浆的扩散[7-8]。

3）耙头挖掘型疏浚船不需要多艘小型船机（单艘小型船机操控台需3名操作工）进入码头下方疏浚，仅需要驾驶台内2名操作工操控即可完成挖泥作业，从成本上极大地节约了人工费，并消除了工人进入码头下方作业因海水涨潮来不及撤离的安全隐患。

4）当疏浚区域存在部分石块时，小型船机受设备局限，无法将石块绞碎清除，会形成难以清除的浅点。耙头疏浚型挖泥船则可以通过耙头将石块移送进储泥槽，清除障碍物。

5）小型船机组在疏浚作业时，需要母船抛锚定位，而处在同一水域的抓斗船施工时也需要抛锚定位，两者锚缆相互干扰，增加了安全隐患并使施工排布受限。耙头挖掘型疏浚船作业时不需要抛锚，避免了与抓斗船的锚缆冲突，提高了安全系数，并增加了施工水域的有效作业面。

6）由于码头下方内部空间局限，码头下方两侧钢桩间的淤泥难以清除，在码头下方底部淤泥清除后，码头下方两侧及放坡处极易出现坍塌造成回淤，耙斗疏浚船可以完美解决该问题。

4 工程应用情况

洋山四期工程码头下方清淤施工原计划投入2艘定位辅助船及7艘小型船机，在施工过程中，现场进度无法满足工期要求，后续应用了耙斗疏浚船加入施工，最终按期完成了工程。

根据2种疏浚工艺的施工数据对比，单艘小型船机效率24 m3/h，小型船机组（含3艘小型船机）的效率为72 m3/h，耙斗疏浚船约为53.26 m3/h，具体数据见表1。

表1 耙斗疏浚船与小型船机施工效率对比表Table 1 Comparison of construction efficiency between harrow dredge ship and small ship machine

不难看出1艘耙斗疏浚船的施工能力要高于2艘小型船机的施工能力之和，但比小型船机组（含3艘小型船机）的效率要低26%左右。但是考虑时间利用率、安全性、成本的降低等因素，依然是耙斗疏浚船综合施工能力较高。

5 结语

我国海岸线绵长，高桩码头的应用也较为广泛，但是码头在使用期间，由于桩群会对水流产生阻碍作用，容易造成比较严重的淤积，这种淤积除了使码头前沿水深变浅，影响船舶正常的进出港，而且会对桩基产生侧向压力，影响其使用寿命和结构安全。但码头下方清淤一直是个施工效率较低且安全隐患较大的特殊疏浚项目。应用耙斗疏浚船进行该施工，能有效提高时间利用率，消除大部分的人员安全隐患，降低施工成本，值得推广应用。