复杂工况下的航道疏浚技术研究

摘    要：

本文以科特迪瓦阿比让港口扩建工程项目弗里迪（VRIDI）运河航道疏浚分项工程施工为实例，水下管道安装公司对复杂工况下的航道疏浚施工技术进行简要分析和总结，为类似工程提供施工经验参考。

一、引言

随着全球化进程的不断加快及航海技术和船舶建造技术的不断革新，许多早年建设的老旧港口已无法满足日益增长的经济发展需要。为顺应世界经济发展趋势，越来越多的国家选择对重要港口进行改建、扩建。为满足更大载重量船舶的进出港需要，航道的加深、拓宽作为主要技术手段已成为港口改扩建项目的必要施工内容。改扩建项目较新建项目而言，一方面码头营运使得施工干扰较大，另一方面，项目自身的一些复杂特性导致施工难度进一步增大。随着越来越多的港口改扩建项目落地，对航道疏浚施工技术（特别是复杂工况下）的研究显得尤为重要。

二、工程简介

科特迪瓦阿比让港是天然的有良好掩护条件的深水港，为西非重要港口，位于埃布里耶澙湖内，该港的进港航道弗里迪（VRIDI）运河是港区内部与大西洋连接的通道。

弗里迪（VRIDI）运河航道疏浚是科特迪瓦阿比让港口扩建工程项目的一个分项工程，设计的航道宽度为250m，总长度为4,552m，设计浚深由北向南依次为-16.5、-18.0、-18.5、-19.0m，两侧设计边坡里段为1:5，外段为1:8。航道疏浚工程的平面布置见图1。

图1 航道疏浚施工平面布置图  

三、施工难点分析

1．海底管线分布不明

根据业主提供的相关资料，在弗里迪（VRIDI）运河底部存在至少18条穿越运河的管线，不仅包括油管、气管、水管、电缆，还存在不明类型管线，许多管线的埋设走向和深度未知，已知的数条管线的设计图纸也源于数十年前的历史资料，不能验证信息的有效性，无法指导施工。管线的不明确性成为航道疏浚施工的重大安全隐患，一方面，如在施工过程中造成管线损坏，将带来严重的经济损失；另一方面，会波及民生，对企业品牌形象也会有不良影响。

图2 管线分布大致位置示意图  

2．通航繁忙，施工干扰较大

作为西非的港口之一，阿比让港运营繁忙，弗里迪（VRIDI）运河内通航船舶种类繁多。据统计，在项目施工前，运河内通航的主要船舶类型有：货船、油轮、施工船、渔船、客船、拖轮等，单日通航船次3～26次不等，平均单日通航次数约为14次。项目开工后，还将在此基础上增加大量施工船舶，而航道宽度仅为250m，频繁的船舶进出将对航道疏浚施工造成严重的干扰。

3．海况恶劣，水流条件复杂

航道内潮流流速较大，特别是外口门处，受大西洋长周期波及狭窄地形影响，水流条件非常复杂。每年11月至次年3月风浪相对较小，其余时间因季风及雨季影响使得海况非常恶劣，大潮期涌浪时常超过2m，周期性往复水流速度可达5kn。上述因素非常不利于船舶施工，一方面导致耙吸船挖泥航速控制难度大，另一方面不利于绞吸船、抓斗船驻位施工及泥驳靠离。

4．砂石混合，开挖难度较大

航道大部分区域的开挖土质为中粗砂，但在外口门防波堤段，为抵御海浪掏刷，在运河底部铺设了土工布并抛填了大量护底块石。经过数十年的冲淤，块石和砂形成互层并板结，再加之港务局在日常管理中对环保的要求不高，航道底部积聚了大量轮胎、锚链、钢丝缆、塑料等废弃物，导致该区域土质开挖难度极大。

三、航道疏浚关键技术研究

1．管线探测技术

为了避免管线损坏造成经济损失，并排除管线对疏浚施工的影响，项目部通过召开专家会进行研究讨论，结合现场实际特点，选择了“V型”探槽法探测运河底部不明管线。其工艺原理为：在海底管线疑似分布区利用抽砂船纵向开挖一条一定宽度的探槽，自然坍塌成坡，探槽开挖长度覆盖管线分布区。探槽宽度根据原泥面标高、设计开挖标高以及探槽坍塌坡比确定，可按下式计算：

L1=2MH

式中：

L1—探槽开挖宽度（m);

M—探槽坍塌自然坡比，探槽坡比为1:M;

H—原泥面标高至探槽设计开挖标高间距离（m）。

在开挖的同时，利用测量设备检测探槽底标高开挖情况，当探槽底标高达到设计开挖深度后停止开挖。安排潜水员进行探摸，验证探槽内是否存在管线，如有，则准确定位后进行移除或保护；如无，则可排除管线对疏浚施工的影响。

图3“V型”探槽开挖断面示意图  

项目部安排抽砂船于2016年6月5日开始进行管线分布区的探槽开挖施工，并于2016年8月25日完成开挖任务。水深检测结果表明，实际开挖深度为-17.5～-19.0m，低于航道疏浚设计标高-16.5m，历次水下探摸中，潜水员未发现探槽底部有管线存在，明确了海底管线埋设较深，对疏浚施工无影响。

2．疏浚设备及施工工艺选择

目前广泛应用于工程中的主要疏浚船舶类型有耙吸挖泥船、绞吸挖泥船和抓斗挖泥船等。其中，耙吸船机动性能和抗风浪能力强，占用水域小，对通航影响小，适合弗里迪（VRIDI）运河航道中大部分砂质土的开挖；抓斗船通过配备不同类型的抓斗可适应淤泥、松散砂、块石等各种不同硬度土质的开挖，施工中配备自航开体式泥驳，可将疏浚土运至抛泥区进行处理。配备重型抓斗和自航泥驳的抓斗船组适合弗里迪（VRIDI）运河航道口门段块石土质的开挖。

结合阿比让港口扩建工程项目运河航道水域尺度、通航情况和疏浚土质分布情况，将运河航道分为三部分并进行设备选型如下：

航道内段和外段土质为密实砂，采用耙吸船进行施工，疏浚砂回填至拟建码头后方陆域。

航道口门狭窄段和块石分布段采用耙吸船及抓斗船组联合施工，耙吸船对表层砂进行开挖，使块石暴露，抓斗船在此基础上继续开挖至设计标高，疏浚料外抛至外海抛泥区。

耙吸船开挖受限而无法施工的航道边角区域（油码头结构物前、航道边线）采用抓斗船施工，疏浚料外抛至外海抛泥区。

图4 航道疏浚整体施工设备选型  

耙吸船采用常规的挖、运、抛/吹的施工工艺。即耙吸船通过配置的定位装置在航道施工区内就位，下放耙头对砂质土进行开挖，通过泥泵和管线将开挖料吸入泥舱，一边航行一边拖曳耙头施工，至满舱后停止挖砂，起耙航行到指定的区域进行卸载（抛填或艏吹），空载后再返航进入疏浚区，开始下一循环的施工。

图5 耙吸船航道疏浚施工工艺  

抓斗船采用常规的装驳施工工艺。即抓斗船采用前八字、后交叉的布锚方式，通过定位装置和调节锚缆在施工区内就位。施工时，将抓斗下放至运河底部，利用抓斗的闭合抓取块石，再将抓斗提升并旋转至配套泥驳的泥舱上方，将开挖的块石卸入泥舱，循环上述操作直至泥驳满载。泥驳自航至业主指定的外海抛泥区进行抛卸，然后返航进入到下一循环施工。

图6 抓斗船装驳施工工艺  

3．安全技术措施

因航道水域狭窄、水流条件复杂，商船通行频繁，航道疏浚施工存在较大安全风险，必须制定有效的安全技术措施以保障航道通行和船舶施工安全。

(1）通航协调

项目实施高峰期投入各类施工船舶多达44艘，基于施工船舶数量众多且与港调存在语言沟通障碍，项目部建立了通航协调室以确保施工船舶的通航安全。通航协调室内配备船舶识别及定位系统（AIS/电子海图）和甚高频系统，项目部安排协调组成员与港调联合办公，所有施工船舶进出港均向通航协调室报备，由其负责统一调度并向港调申请，建立起有效的通航协调机制。通航协调室的有效运转一是解决了沟通障碍，保障了施工安全；二是通过AIS系统实时掌握航道占用情况，合理安排施工船舶利用窗口期进出港，有效降低了施工对码头营运的影响；三是有效避免了施工船舶扎堆进出航道，大幅减少了施工船舶之间的相互干扰，进而提高施工效率。

(2）船舶安全改造

抓斗式挖泥船抗风浪能力较弱，为保证驻位安全、防止发生船舶走位和锚缆断缆，必须采取锚机、锚缆改造措施进行预防。为此，项目部在抓斗船船尾加装了一个应急锚机，增加应急锚，同时使用直径较粗的锚钢丝缆。当出现极恶劣海况导致常用的4根定位锚缆出现断裂时，可迅速下放应急锚定住船位，防止船位漂移至通航水域引起碍航。

由于块石质量和硬度大，抓斗开斗后，开挖出的块石以自由落体方式装入泥舱中，对泥舱壁冲击力较大，往往使落点处的泥舱壁产生严重变形。施工前，通过在泥舱底部加焊多块钢板以缓冲块石对泥舱壁的冲击，防止泥舱壁大幅度变形导致泥门无法严密闭合而出现漏砂现象。

(3）封航施工

航道宽度为250m，而抓斗船采用锚缆定位，占用水域范围较大，结合航道通航和疏浚施工的双重需要，项目部通过与业主协商，沿长轴方向将航道划分为三条（其中航道中部100m为一条，左右边槽75m各一条），在口门块石开挖区采取“边通航边施工”和“半天通航半天封航施工”两种方式进行施工。

“边通航边施工”方式：以航道口门中线为抛锚边界，抓斗船在航道一侧半幅区域进行驻位施工，另一侧半幅供商船通航，抓斗船按此要求抛锚驻位可施工范围为东、西边槽各75m。

“半天通航半天封航施工”方式：每天12h的封航期间，抓斗船进行航道口门中部100m区域的疏浚施工；剩余12h的通航期间，抓斗船退回航道口门两侧边槽进行疏浚施工。

上述两种方案既满足了船舶的通航需要，也保障了船舶在航道口门段的施工安全，将施工对港口运营的影响降到了*低限度。

(4）分段施工

航道外口门处连通大西洋，在季风期，涌浪与较长的退潮历时和较快的退潮流速影响效应的叠加使航道内水文条件更加复杂、恶劣，对疏浚船舶施工影响更为严重。为提高施工效率，保障船舶施工安全，项目部结合现场实际海况将航道进行了分段，在施工安排上进行了统筹规划和总体部署。

总体安排原则为：(1)季风期进行航道里段施工；(2)非季风期进行航道外段施工；(3)结合海况变化趋势，两个抓斗船组自里向外（海况随时间推移逐渐好转时）或自外向里（海况随时间推移逐渐恶劣时）同步推进；(4)当海况特别恶劣无法施工时，则暂停施工或退回港池内进行港池疏浚施工。

4．实施情况

2016年6月5日～2016年8月25日，项目部通过开挖“V”型探槽的管线探明方式，排除了管线对航道疏浚施工的影响。自2016年9月1日开始，项目部先后投入10,000m3耙吸船“浚海1”、20m3抓斗船组“粤航沣098”、4,500m3耙吸船“航浚4012”、15m3抓斗船组“合昌298”、16m3抓斗船组“交抓115”进行弗里迪（VRIDI）运河航道疏浚分项工程施工，期间历经三次封航，于2020年2月27日完成全部施工任务，完成疏浚总工程量约201万m3，其中口门段块石及砂石混合物开挖工程量约60万m3。测量结果显示，航道各分段的浚后水深均满足相应的设计标高要求，施工质量符合合同要求，顺利通过业主验收。

四、结论

在弗里迪（VRIDI）运河航道疏浚分项工程施工过程中，项目部结合运河底管线分布不明、运河通航施工干扰较大、海况恶劣导致水流条件复杂、混合土质开挖难度大等复杂工况的特点，进行深入研究分析，通过开挖“V型”探槽排除管线影响，通过合理配置耙吸船和抓斗船的施工设备组合并采用合适施工工艺，同时采取建立通航协调机制、施工船舶改造、封航施工、分段施工等安全技术措施，顺利完成了航道疏浚施工任务，攻克了项目施工难点，使得项目有序推进并顺利通过业主验收。弗里迪（VRIDI）运河航道疏浚分项工程的成功实施，为国内外类似复杂工况的港口改扩建项目的航道疏浚施工提供参考案例，具有较大的现实推广意义。