浅谈深水砂被铺设施工工艺技术

摘要：深水航道治理工程针对设计提出的新型水下砂被式排水垫层这一结构措施，成功开发了多艘适合江口工况的深水砂被铺设船，成功开发了安全、优质、高效的深水砂被铺设施工工艺技术。也为水运工程又增添了一套成熟的工艺技术。

关键词：研制开发深水砂充灌技术

某航道地区泥砂丰富河石较少，近几年来在沿岸围滩筑堤中大量采用了袋装砂斜坡堤此种新型结构。该地区每年输砂量较高，且粗大颗粒都沉积在该航道的边滩、沙洲和口外三角洲区域，为工程筑堤提供了丰富的砂源。

深水砂被铺设是此工程中为了解决深水区往往波高浪大,土质常为软黏土,强度较差,而采取的海底软土地基加固的第一道流程，使其成为 “砂被”作为水平排水层，该施工工艺在深水航道治理工程中取得了重大突破。

1 袋装砂堤心施工工艺

1.1 开发航道治理工程袋装砂堤心施工工艺的技术关键传统的袋装砂筑堤施工工艺，都是采用人工露滩铺设充灌袋装砂的办法。工程中大量采用了袋装砂堤心斜坡堤结构型式（图 1）。且要实现就地取砂充袋代替块石，降低造价，加快施工进度，实现袋装砂堤心斜坡堤安全、优质、高效地施工。就必须解决水下充灌铺设工艺开发、与恶劣的施工条件相适应的船机设备研制及测量定位控制方法等关键技术问题。

图 1堤身断面结构图

1.2袋装砂堤心施工新工艺的研究

1.2.1施工工艺研究

（1）砂袋充灌试验

几年以前，某航道局在一围堤吹填工程中，专门改制了一艘 600t的袋装砂充灌及铺设专用船。利用这艘专用船，验证了采用水上作业水下充灌水下成型铺设这一全新的工艺是可行的，证实了用国产22 kW离心泵通过Ф150 mm输砂管可满足水下充灌砂袋的质量和效率要求。

（2）双层充砂袖口的发明

以往施工工艺的充砂袖口是由人工绑扎的。我们经现场反复研究和试验，发明了双层袖口。原理是利用砂袋内水和砂的压力使砂袋内层袖口受反向压力自动封闭。在充灌砂时，先把双层袖口的内层袖口置入袋内，插入充砂管；当袋内充灌满后，内层袖口在水和砂的压力下自动封闭，无须进行绑扎。双层袖口的工作原理见图 2。

（3）多层砂袋充灌工艺的开发

传统的砂袋施工均为逐层铺设，需多次移船定位，施工效率较低。为此我们先后对采用两层、三层、四层组合砂袋同时铺设施工工艺进行了试验。成功开发了两层砂袋连体加工、同时铺设、交替流水作业的新工艺。

图 2双层袖口工作原理

（4）复合砂袋充灌工艺的开发

袋装砂堤心斜坡堤的堤心砂袋外，设有一层450g/m2反滤无纺布，以保护砂袋布不致因垫层块石抛理而破损、漏砂，且可大幅增强砂袋土工织物的抗老化能力。以往反滤布施工一般是在低潮位时，由人工水下铺设，施工效率低下，极不安全，且不适合本工程的水深条件。本工程中的反滤布必须在堤心砂袋成型后水下铺设，定位困难、易漂浮，施工难度很大。在多层砂袋施工工艺开发成功后，我们又进行了多层砂袋加反滤布即复合砂袋一体化施工的工艺开发。经反复试验获得了成功。它的优点是把二道工序合二为一，能快速地为后道工序提供施工工作面。实践表明，复合砂袋充灌成堤质量良好，而且减少了铺设工序和作业船定位次数，既提高了工效，又提高了工程质量，工效可提高1倍。

1.3多层砂袋及反滤布加工工艺

（1）土工织物选用

袋装砂袋体采用 380g/m2编织无纺复合土工布和 230 g/m2编织土工布缝制而成。每层（只）袋装砂堤心袋体的二端（按堤心横断面）1.5～1.7的长度内，采用单位质量为 230 g/m2的编织布加150 g/m2无纺布针刺复合的土工布；其余部位，除顶层袋体的上面层使用单位质量为 380g/m2复合土工布外，其余各层袋装砂袋体的上、下面层均采用 230g/m2编织土工布。

（2）袋体缝制砂袋缝制采用流水拼缝作业法，砂袋缝制成扁平长条形，袋顶按 5m×5m的间距缝制充砂袖口，以备插入充砂管用，砂袋宽度和厚度按设计断面尺寸而定，砂袋长度则按照在一个水深及水流条件相对较好的时段内能完成一整块砂袋的铺设作业确定，以适应不同的作业条件。双层复合砂袋的缝制比单层的复杂，下层砂袋的袖口缝制于袋体两侧，上层砂袋袖口仍缝制于袋的顶面，同时还须将下道工序的无纺布倒滤层与顶层砂袋缝制在一起。通过缝制工艺的改进，将袖口从无纺布上穿过，解决了充灌进口问题。

多层砂袋及反滤布水上铺设成型施工工艺

根据设计要求，袋装砂堤心必须平行于堤轴线铺设，其宽度根据导堤断面的设计宽度确定。每层厚度为0.6m，其断面成阶梯形。袋装砂入水形式分船体舷侧入水和船头入水两种，但都采用纵向铺设（平行堤轴线），分层流水推进的作业顺序。

充灌砂袋专用船定位后，运砂驳系靠在充袋船两侧；将缝制好的砂袋通过压袋筒底部后，用卷袋筒卷袋；卷至袋头后，将袋体在船甲板上展开，并使袋头挂在船舷旁；袋头系上定位桩，使袋头随定位桩下沉于河底；泥浆泵管头充砂袖口，并用尼龙绳活结绑扎于袖口上，以便自该袖口完成充砂后，松开绑扎绳，抽出充砂管。

上述充袋准备作业完成后，压排筒压紧袋体；启动泥浆泵开始充砂，当袋头充至一定砂量后，定位桩与袋头分离。根据袋中所充灌的砂量，将泥浆泵管头移插至未充砂的袖口，升起压排筒，缓慢松开卷筒刹车，利用袋中砂的自重，袋体分段下滑沉于河底，然后启动锚机并在 GPS定位仪的指示下沿堤轴线缓慢移动船位。重复以上操作，直至整个袋体充灌完成。底层砂袋充完后，移动船位，充灌上层砂袋，直至砂袋堤心筑至设计高程。袋装砂堤心充灌工艺流程见图 3。

图 袋装砂堤心充灌工艺流程图

1.4工艺创新及特点

该深水航道治理工程一、二期工程袋装砂堤心斜坡堤的总长度达 25.15km，总工程量为53.02×104m3。工程施工过程中及工程完工至今未出现一例堤身漏砂现象，堤身结构稳定，沉降规律符合工程设计要求。与传统的施工工艺相比，这套新工艺有如下六方面的创新及特点。

（1）选材：在土工织物选用上，对袋体迎浪面和顶部采用了230 g/m2编织布+150g/m2无纺布针刺复合的土工布，有效避免了袋内充灌的砂在护面层施工前发生流失，确保了工程进度与质量。

（2）袋体缝制：首创专用缝制作业流水线，使缝袋效率提高7.9倍。

（3）充灌袋口：首创双层袖口式充灌袋口，解决了绑扎充砂袖口易漏砂的问题，确保了充灌质量和施工安全。

（4）多层复合袋：首创多层砂袋加无纺反滤布复合施工新工艺。解决了多层铺袋多次移船影响施工进度与质量、无纺布反滤层单独铺设难度大等技术难题，使袋装砂堤心施工工效同比提高1倍。

（5）专用铺设船：抗风浪能力强，能保证砂袋在不同水深及 6级风浪、1.2m波高工况下准确定位，使平均每天可作业时间延长 6 h；作业效率提高 30%；充灌后水下成型质量良好；用导梁来改善卷筒和砂袋受力，以动力卷筒存储砂袋袋体，可有效地牵引和控制砂袋的铺设；吃水浅、砂驳可同时在两舷靠驳。采用新设备后单船施工效率达1400m3/d，未发生砂袋在强水流作用下的破裂现象，水下变形小、成型好。

2砂被铺设施工工艺

2.1砂被铺设专用船机砂被铺设和软体排铺设在施工工艺上有相似之处。由于二期工程砂被铺设施工区域的工况更加恶劣，受水流影响更大，所以在用大型铺排船进行砂被铺设施工前，除加大锚系设施外，为减小水流对砂被的作用，需加宽铺排船滑板，使砂被悬挂长度缩短。为此，将船滑板长度加宽至 12m，使其具有更好的挡流作用，有利于提高砂被铺设的速度和质量。

2.2优化砂被结构

（1）选用70mm加筋带、间距1m布置，使砂被袋体抗大浪、急流的能力增强，不易撕裂。

（2）面层布体采用高强度的加筋机织布，不仅可以抵御风浪，而且在打设排水板后抗冲刷性能较好。

（3）在面层布体上沿每道土工布拼缝间距3m设1myedan短加筋带，垂直于拼缝缝制，以增强拼缝的强度。

（4）砂被内设2个纵隔舱，既提高了袋体强度，又保证了充填砂的均匀分布。

2.3选择合适的铺设时机

二期施工区的潮流主要为椭圆形旋转流，低平潮时段水浅流缓，较适合砂被铺设。NIIA标、NIIB标、NIIC-标和1NIIC-标施工中采用了宽度为 25 m、长度为40 m左右的小砂被，3 h内可以完成铺设。SIIB标施工中采用了宽度分别为39.6m及31.2两种尺寸的砂被搭配使用，大砂被充砂方量为 865m3，铺设平均耗时3.8h，但单张铺设进尺达到 32～35m，适合在小潮汛及风平浪静时使用，可以迅速推进；小砂被充砂方量为 681m3，大潮讯或海况较差时施工，单张铺设进尺为 25～28m，可以保证施工质量。

2.2.3砂被铺设施工工艺

砂被铺设施工工艺基本与袋装砂堤心成型施工工艺相同，其施工工艺流程见图 4。

图 4砂被铺设施工工艺流程图

3、结束语

本文探讨了如何去提高深水航道治理工程施工工艺技术的研制开发，实现了袋装砂水上作业、水下充灌、水下成型铺设的目标，突破了传统的袋装砂施工工艺，成功解决了河口丰砂少石地区袋装砂堤心充灌成型的技术难题，提高了工效，降低了成本，确保了工程质量。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。