珊瑚砂/礁灰岩材质特殊, 在世界范围内存在较少, 科研资料和可查阅的公开资料极其稀缺, 对其物理力学性质知之甚少, 对于开展工程实践非常困难。

传统先做临时围堰后吹填的施工工艺在国内比较普遍, 主要由国内的吹填土类别及吹填环境所致^[1,2]。对于珊瑚岛礁, 吹填材料均为珊瑚砂/礁灰岩, 考虑本工程位于马尔代夫机场岛, 机场岛区域范围内地理位置特殊, 三面陆域遮挡, 潟湖内侧风平浪静, 环境优势明显, 对传统吹填工艺在珊瑚砂岛礁等区域进行优化, 以期提升工作效率。

通过马尔代夫机场岛约565万m³岛礁吹填技术实践, 总结出一套开敞式无围堰珊瑚砂岛礁吹填施工技术。

国内吹填工程施工中, 通常采用先修建围堰再进行吹填的施工技术, 具有工艺复杂、施工程序多、形成地层松散、含泥量难以控制等特点, 且吹填材料多为粉砂/黏土/淤泥等土质, 珊瑚砂材质极少。

本工程根据新型吹填材料珊瑚砂的特性及当地法律法规、常规做法进行综合分析研讨, 提出采用优化的适用于特殊环境背景下的开敞式无围堰珊瑚砂岛礁吹填施工技术, 并开展如下研究、试验、分析及试验段施工。

1) 对当地进行调研, 无围堰施工符合当地法律法规和环评报告的要求, 具备研究的基础条件。

2) 对珊瑚砂/礁灰岩材质进行研究, 确定珊瑚砂/礁灰岩材质特殊, 摩阻力大, 易于堆积, 不易流失。

3) 对周边的水文条件进行研究, 确定潟湖内侧海浪、潮流、海流平缓, 且基本无泥砂运动, 确定可以在无围堰状态下进行施工, 珊瑚砂损失极小。

4) 针对开敞式无围堰吹填施工, 进行80m宽、1 000m长试验段施工, 通过观察珊瑚砂流失、含泥量、吹填土体颗粒组成、周边水体污染情况、边坡坡度测量、压实度等, 进一步确认无围堰施工的吹填工艺可行。

传统吹填工艺中, 采用先围堰后吹填的施工技术, 在适当位置铺设排水管和围堰箱进行排水, 然后进行吹填管线布置并进行吹填作业。传统技术相对于无围堰吹填, 需要对吹填区域进行施工分区, 分区内进行临时围堰的修筑, 同时综合考虑出水口进行围堰箱的铺设, 临时围堰的修筑在吹填前均是海上作业, 施工难度大, 施工时间长, 延长了工期, 降低工效。

开敞式无围堰珊瑚砂岛礁吹填施工技术对波浪、洋流较小, 吹填材料咬合力大、摩擦角大、含泥量低、渗透性好, 围堰成本高、后期地基承载力要求高的吹填工程较为适用, 故本工程采用开敞式无围堰珊瑚砂岛礁吹填施工技术。

开敞式无围堰珊瑚砂吹填施工工艺的核心在于无围堰和珊瑚砂。在未修建临时围堰的基础上, 根据施工区域的地理条件和外部条件, 对取砂区和吹填区进行施工区域划分, 采用直接吹填的施工工艺 (即裸吹) , 通过输砂管将珊瑚砂吹填至指定的施工区域, 在水力吹填过程中, 考虑珊瑚砂良好的物理力学性质, 由多辆推土机对各吹填口区域在水中同步进行土方整平和推土作业, 达到层层压实的效果, 并对吹填材质和粒径进行合理检查和级配, 使得整个珊瑚砂回填料较密实均匀, 并在吹填口采用阻泥幕布等措施进行漂浮物的隔绝和清理, 避免局部污染。此项工艺可减少临时围堰的海上作业量并降低风险和成本, 同时减小排水路径, 通过合理损失一部分粉细珊瑚砂, 避免了细颗粒的累积, 含泥量较常规吹填工艺可得到更好控制。同时, 采用GNSS动态RTK技术, 定期进行海深和陆域测量, 对吹填效果和细颗粒流失进行控制。开敞式无围堰珊瑚砂岛礁吹填施工技术是一项绿色环保、施工高效、成本节约、质量可控的施工工艺 (见图1) ^[3,4,5,6]。

无围堰珊瑚砂吹填施工流程如下:获得施工许可→挖泥船选型→挖泥船进场→施工场地清理与协调→管线准备与布置→吹填前联合测量→无围堰施工试验段确定→开展试验段施工→试验段确定无围堰吹填工艺可行→吹填和取砂施工区域的划分 (分区) →取砂与吹填区域准备、清理→HSE准备工作→船舶定位与接管→铰刀切削海底珊瑚砂/礁灰岩→通过输送系统吹填珊瑚砂 (分层) →回填区域整平→吹填后联合测量/分区验收→场地分区域移交。

根据地质、水文、交通、技术及设计指标、安全指标、质量指标、经济指标、合同要求等条件, 利用模型进行挖泥船选型, 最终选取了绞吸式挖泥船KHB (日作业量约1.6万m³) 和DEB或GAB (日作业量约1.2万m³) 作为施工船只, 在项目实施过程中高质高效低成本地完成了吹填作业^[7]。挖泥船选型参数如表1所示。

珊瑚砂/礁灰岩材质对于输砂管线、铰刀和其他输送系统构件的磨损较常规吹填材料更为严重。管线总长度布置一般≤1.5km, 以避免管线长度增长导致材料磨损、水头损失等造成生产效率降低。管线中的流量和泥浆浓度是影响挖泥船生产效率最重要的2个参数。管线越短、架设越顺直、爬坡越少、转弯次数越少、浮管和沉管越少, 则流速损失越少。

管线布置关系到整个吹填工程的生产效率, 需要组织吹填取砂-吹填分区平衡计划, 并综合考虑管线最短、合理配置挖泥船的原则, 使得生产效率最大化。对珊瑚砂/礁灰岩特性及地层进行研究, 合理分配不同功率及挖掘深度的挖泥船, 做到挖泥船分区分层作业范围工效最大化、最合理化, 避免挖泥船超过或接近本身最大作业深度的取砂作业, 避免挖泥船的损耗。

珊瑚砂吹填施工中, 通过对海洋勘察和测量资料、珊瑚砂/礁灰岩特性分析, 吹填工艺选择、绞吸式挖泥船总功率和分配功率、铰刀切削性能、挖泥船主要构配件定期维修更换频率、输砂管布置、不同类型输砂管划分与搭接、管线长度与材质损耗关系、吹填区域施工分区分层划分等进行综合分析, 总结出一套符合实际、能有效提升施工效率的珊瑚砂吹填综合施工控制技术。挖泥船施工工效影响因素如图2所示。

1) 吹填工艺选择无围堰吹填工艺工效大于有围堰吹填工艺。

2) 挖泥船类型选择合理选择挖泥船数量及功率等细节参数, 最大限度满足当前施工环境和条件, 本工程中, 绞吸式挖泥船工效优于耙吸式挖泥船。

3) 合理布置输泥管线长度根据不同挖泥船总功率和输泥泵及加压泵的功率, 确定输泥管最大作业长度, 并根据吹填材料材质、吹砂支管数量和分布等综合减小输泥管的作业长度, 增大吹填效率。

4) 确保铰刀完整性和功能性定期更换铰刀头和铰刀齿, 并每日检查铰刀齿的丢失情况, 确保吹填工效。珊瑚砂和礁灰岩地层中要采用不同的铰刀进行土体的切削, 确保效率最大化。

5) 对挖泥船进行定期检查、保养核心配件一定要有备件, 如发动机、铰刀、主泵堵塞, 水下泵堵塞, 泵和甲板等, 避免设备故障导致大范围停工。

6) 挖泥船移位要提前与整体吹填计划相结合, 避免大范围长距离的移动, 提升工效。

7) 采取2班或3班倒的工作制度, 确保24h不间断施工, 最大限度利用挖泥船工效, 缩短工期。

8) 加强质量控制, 避免返工造成工期延误。

通过细部控制这些关键项, 可对珊瑚砂吹填工程工效进行控制。

吹填施工中, 通过精确的海洋勘察和测量, 对取砂区域和吹填区域进行精细化的区域划分, 分区分层分材质进行取砂和吹填作业, 形成有利于机场施工和沉降控制的地层结构。在吹填施工过程中水位以上部分引进层层压实的工艺并通过及时进行压实度检测和沉降观测等方法, 从根源对机场的基层进行处理。

吹填施工中, 对于地层的控制, 源头在于取砂区, 通过对取砂区地层的分析研究, 分区域吹填至吹填区域, 达到了既定要求。吹填材质基本选用均匀密实类中粗砂、珊瑚枝丫和细珊瑚砂, 以此确保吹填质量。新吹填区域形成后的典型地层如表2所示^[8]。

由吹填作业形成的地域剖面图和地勘单位地层编号表可分析得出, 新形成的地层构成合理、材质均匀, 为后续地基处理提供了便利, 避免了不均匀沉降。

吹填施工过程中, 当吹填面将近达到水面位置时, 采用推土机进行推筑和层层压实施工技术, 有效保证了初步地基处理效果, 从吹填后的压实度检测、地勘资料及后续进一步地基处理可以看出, 效果显著。

吹填施工过程中为更好地了解珊瑚砂沉降情况, 采用DS05 Leica精密水准仪对吹填区域进行沉降观测。通过对沉降观测数据进行分析, 为后期开展地基处理设计和施工提供参考资料。

通过沉降观测, 基本可以确定开敞式无围堰吹填工艺形成的陆域自然沉降很小。

护岸工程与吹填工程不同步进行, 护岸结构施工前边线处的珊瑚砂会有一定程度的损失。针对可能造成的珊瑚砂损失, 不同区域采用不同的处理措施。

1) 潟湖内侧此片区域海流、波浪和潮汐变化对海岸侵蚀较小, 对此片区域的吹填边界条件进行优化, 将吹填边线内移2.5m, 不足的珊瑚砂量储存在附近沿岸, 则可留下一定侵蚀空间, 有利于在工程范围内形成缓坡且达到稳定, 最大程度减小珊瑚砂损失。

2) 西北侧此片区域位于外海, 受海流、波浪和潮汐影响较大, 对此片区域采取2种方法减缓损失: (1) 将吹填边线内移3.5m, 航道区域内移10m; (2) 用大粒径珊瑚砂袋在边线外围堆积, 达到减缓海流、波浪和潮汐的作用。

通过现场观察、水深测量数据及边线断面图, 分析得出该工程采用的措施取得了良好效果, 减小了珊瑚砂的损失, 其中边线处由于长时间侵蚀, 形成了一定缓坡, 达到稳定状态。

开敞式无围堰珊瑚砂岛礁吹填技术中成型的珊瑚砂填料含泥量低, 结合阻泥幕布布设, 对吹填口四周进行遮挡围护, 确保吹填产生的细颗粒漂浮物不扩散至周边区域, 并定期对漂浮物进行清理, 不会造成环境污染。

质量控制措施主要体现在吹填总量和流失量、吹填高程、含泥量、压实度、吹填粒径及吹填杂质的控制。其中含泥量通过现场经验性观察和筛分试验进行控制。如发现有细颗粒聚集, 直接清除或拌合处理, 若区域较大, 停止此片区域吹填进行集中处理;定期筛分试验对典型区域进行含泥量检测, 以达到质量控制的目的;压实度一般在吹填过程中进行抽查, 如果试验结果不满足要求, 进行二次处理并复检, 直至满足要求;从源头上控制吹填粒径, 大挖泥船在礁灰岩层以下区域开挖时, 减小铰刀片距离, 增加铰刀片隔断数量, 避免大颗粒进入;通过每日检查对大颗粒材料进行清除或破碎, 达到粒径控制的要求。

无围堰吹填工艺排水路径短, 与海洋直接相连, 细颗粒随海流和潮汐流至远处, 对于质量控制有利的大粒径和珊瑚枝丫留下堆积, 含泥量极低, 提高了陆域成型质量, 对吹填区域进行合理分区分层, 使整个吹填地层成型均匀良好, 级配分布合理, 保证吹填质量可控, 比传统有围堰施工工艺更具优势。

初期试验的成功确定了大范围使用开敞式无围堰吹填施工工艺。采用该施工工艺排水路径短, 可以更好地排走细颗粒, 提高陆域成型质量, 使用效果良好。

开敞式无围堰珊瑚砂岛礁吹填施工技术是一项绿色环保、施工高效、成本低、质量可控的施工工艺, 具有一定的推广意义。