魏晓锋

（福建省水利水电工程局有限公司,福建 泉州 362000）

0 引言

水下开挖在疏浚工程和内河航道工程等施工项目中是较为常见的一种施工内容。抓斗挖泥船开挖通常情况下是采用抓斗挖泥船和自航泥驳配合施工,即将施工区土石方用抓斗挖泥船定位开挖,后将弃渣通过泥驳运至指定位置。本文探讨了抓斗挖泥船在过海段管道沟槽开挖中的应用,提出具体的施工方案,保证开挖效果符合管道铺设要求。

1 工程概况

本工程位于沙埕港后赖镇附近,南岸与新建钢铁厂临近,管线由后赖镇引出过海,自北端防波堤下入海,通过沉管方式过海至钢铁厂上岸,起始点桩号K4+796；终点桩号K6+173,总长1377 m。过海沉管段管道最大埋设深度4.5 m,最小埋设深度1 m,平均埋设深度约3 m,两端与陆上埋管相对接,过渡段为60 m～110 m。由于海上埋管段的海床大部分是淤泥（南岸登陆段有抛石区域）,沉管采用先开挖后敷设管道的施工方式[1]。

2 水下开挖施工特点和难点

2.1 水下开挖施工特点

（1）地质情况多为淤泥质和抛填块石。根据地勘资料,施工区域地质大多数为淤泥地质,靠近两岸部分为堤岸防冲刷抛填石块；地质情况不同,管道沟槽开挖方式不同,岸上需要采用长臂挖掘机配合开挖。

（2）受潮汐影响较大,精度控制要求高。施工区穿越沙埕港水道,海水的水位受潮汐水的影响,高低潮位差值较大,在落潮期间有一定的水流速度,直接影响挖泥船开挖以及轴线和深度测量,对测量精度要求高。

2.2 水下开挖施工难点

（1）高低潮位差值较大。施工区潮汐水属正规半日潮,落潮速大于涨潮速,据（1969 年～1975 年）潮位观测资料统计（黄海高程）本区最大潮水为5.00 m,最小潮位-2.90 m,最大潮差7.90 m,最小潮差2.60 m,平均潮差2.30 m,平均高潮3.25 m,平均低潮-2.05 m。施工过程中,海水的水位受潮汐水的影响,呈规律性变化,需要根据潮位情况,实时调整开挖深度控制。

（2）开挖测量精度要求高。从设置高精度基准,到实地小环境的测试对比,再到定深控制和找平控制,每个环节均要结合潮汐水位情况,尽可能提高精度降低误差,才可为后续铺管提供符合要求的沟槽。

（3）涉及养殖区域,工期要求高。沙埕港海域两岸有养殖区域,对于靠近北岸的350 m 区间为当地村民的水产养殖区,为了本项工程的实施,已经将养殖鱼排拖出一道约150 m的口,但需要在1 个月内结束鱼排养殖区的管道敷设施工,满足政府与养殖户签订的回迁期限。因此,施工工期较短,水上施工会受到一定限制和影响。

3 水下开挖沟槽方案设计

结合本施工区域的地质情况、管道埋深情况、潮汐水位情况以及周边地理环境,采用抓斗式挖泥船进行水下沟槽开挖施工,先后采用大型抓斗和小型抓斗挖泥船施工；所用船舶设备包括：抓斗挖泥船（8 m3）1 艘、自航泥驳（1500 m3）2 艘、抛锚艇（740 HP）1 艘、DGPS 定位系统2 台,同时配备足够的锚泊定位、测量控制、潜水作业、资料收集整理等的施工辅助船舶和人员。为避免挖泥船与铺管船施工作业的相互干扰,挖泥船与铺管船间隔10 天施工,避免交叉施工影响铺管船的施工效率[2]。

图1 抓斗挖泥船开挖示意图

4 水下开挖沟槽施工

首先对业主提供的测量控制点校核并建立GPS 基站和施工测量控制网,结合船载GPS 作为施工船导航定位；之后按施工图纸要求进行沟槽基准线放样；利用挖泥控制软件指示挖泥船定位后进行分层粗挖,再对底部的0.5 m 部分进行找平开挖。

开挖施工首先采用8 m3抓斗挖泥船分层开挖,每层开挖深度控制在2 m 左右,粗挖基本完成后调换为小抓斗挖泥船进行细挖找平,直到满足沟槽尺寸、高程、平整度的要求。运泥和抛泥采用自航泥驳全过程配合施工。

4.1 DGPS 定位参数确定

根据基站和施工控制网控制点,建立基准台,采集控制点坐标,计算并校核施工用DGPS 数据转换参数,保证误差在0.5 m 范围内。

4.2 分层开挖设计

开挖方式采用分区、分段、分条进行,分层开挖深度为2 m 厚,抓斗式挖泥船每一分段长度为100 m 左右,每一分条宽度为12 m 左右,如分段分条示意图所示。依据实际需开挖深度,分两层阶梯式开挖,先开挖成锯齿状,后自然坍塌成坡,最后进行局部边坡修理形成1∶4 边坡。分条开挖步骤：

（1）通过船载DGPS 系统,将挖泥船定位在图中①条幅位置,按箭头方向进行该条幅开挖施工；

（2）①条幅完成后,将挖泥船移到②条幅位置进行开挖作业,挖泥方向按箭头与①一致；

（3）按上述方法,进行第③条幅挖泥作业；每个条幅之间重叠1 m 左右开挖,防止漏挖；

（4）缓坡段开挖在表层土方开挖时,长度方向一并挖除到位；轴线两侧的放坡区域根据挖出的泥质情况确定自然坍塌程度选择开挖深度和控制开挖量,以保证沟槽能够顺利成型为基本条件；

（5）主沟槽的加深开挖是在表层泥土开挖全部完成后,将挖泥船重新定位后进行。

图2 分段及分条示意图

4.3 输入施工区坐标

根据施工安排,将相关控制坐标计算出来后输入测控手薄和施工软件,即可将施工范围显示在显示器上。平面分区图全部采用CAD 软件绘制,坐标系统与施工用坐标系统一致,直接将CAD 图电子版输入船载DGPS 系统,直观形象地指挥挖泥船开挖施工[3]。

按沟槽方向对施工区进行分段并标明里程,每一段施工区内按纵横网格分隔,之后再根据抓斗的操作尺寸,划分成小网格；将施工图中开挖轮廓线和划分好的开挖网格图合并导入控制系统,由测量软件操作,开挖时根据测量控制软件按照小网格到大网格顺序施工。

4.4 挖泥船定位

抓斗挖泥船采用DGPS 定位系统定位。定位前,由施工技术人员打开挖泥软件,通过电脑显示器直观地操作挖泥,保证施工平面尺寸符合设计要求。

挖泥船有6 口锚,根据锚位设计要求,甲板驳两头呈“八字”形布设交叉锚位,工程船首尾设置牵引锚缆,根据水深情况,前进方向的锚缆长度尽量放长,船尾的锚缆尽量放短；为防止工程船受潮流、风向、管线路由影响,艏艉交叉锚缆始终呈受力状态,开挖管沟施工期间,船舶移动过程尽量做到前后锚缆的松放、收紧呈同步状态。

高程控制采用“双控”模式,即岸上水尺与船载GPS 报潮相结合的模式。岸上在四道沟设置水尺,安排专人进行潮位观察,每30 分钟向施工船舶报潮位一次；施工现场专门安排一船舶,上设GPS 报潮系统,观察现场潮位情况,实时与岸上水尺读数比对并进行调整,避免施工作业线过长而产生的潮位差。

4.5 挖泥船挖泥

挖泥船挖泥过程中要严格控制抓斗下落深度和开挖范围线,特别是最后一层开挖时抓斗的下落深度控制,直接影响沟槽的底部平整度和高程；施工过程中采用测深水砣对水深进行校核,避免浮动泥浆影响水深测量。开挖施工时,控制前一斗和后一斗抓斗重叠约0.5 m 左右,防止已开挖和未开挖泥面高差导致抓斗上钢丝绳倾斜,影响开挖精度[4]。

在开挖过程时,根据施工图纸尺寸施工,定时校核DGPS系统、水深、潮汐水位等,做好数据记录和施工过程情况记录,确保施工平面平整度、开挖尺寸及高程满足铺管要求。

4.6 找平施工

沟槽设计底高程以上0.5 m～1.0 m 为找平施工。采用小抓斗（6m3）挖泥船进行细挖施工,小抓斗挖泥船应满足定深和找平的需求。沟槽找平细挖施工方向和粗挖一致,按照粗挖方案分段分条进行,根据挖泥控制系统控制挖泥船的纵向和横向位置；将高精度RTK 接收器安装在挖泥船的小抓斗上,采用三维坐标基准,实现精确细挖施工。为保证找平精度,整个找平细挖施工过程应选择风浪较小时施工,最好应在平潮段施工,避免水流流动造成开挖误差。

5 质量安全控制措施

（1）起吊挖沟机前,认真检查吊索、吊具是否合格,有无磨损、锈蚀、变形、断裂等情况,禁止超负荷使用,检查吊点是否牢固。起吊过程中,钩头中心应在挖沟机重心线上,起吊隔离区禁止人员进入,严禁多人指挥。

（2）船舶移动时,密切观察张力变化情况,控制好行进速度。潜水员未出水上甲板,禁止启动挖沟设备。

（3）在挖沟机操作设备的危险区拉警界线,悬挂警示牌。在挖沟过程中应经常查看吊索磨损情况,发现磨损立即更换。

（4）挖沟机回收,起吊过程中,应监视吊钩受力情况,发现异常,潜水员下水检查和处理,防止挖沟机挂异物,损坏设备。

（5）抛泥船严禁超载、超限,并做好淤泥的防渗漏措施。抛泥船要严格按照法律要求和施工方案,到指定位置按要求进行抛泥,严防环境污染事件的发生。作业时应防止锚和锚缆对周围管线造成损坏,严防人员误操作挖断、船舶搁浅损坏周围管线。

（6）复杂海区、狭窄水道航行时要加强值班瞭望,应急指挥小组要定时收听和向海事局了解掌握气象资料,根据当地情况决定是否进港避风。制定应急预案,发生碰撞、失火、人员落水等紧急情况时,听从应急领导小组的指挥按照应急预案进行急救,把损失减到最小程度。

6 结语

综上所述,结合本工程的特点及施工条件,选用合理的开挖方式,通过水下开挖沟槽方案设计、挖泥船定位、挖泥找平施工,控制沟槽开挖的精度,保证后续铺管施工顺利完成。经本案例项目施工效果验证,抓斗挖泥船施工技术可精准控制水下开挖,可供类似工程参考借鉴。