外海深水土工垫层摊铺工艺研究

袁明明 曾建青 广东海工建设工程有限公司

苏千立 广州粤科工程技术有限公司

1.工程概况

国家管网集团西气东输二线管道共 1 条干线和 8 条支线，其中香港支线位于珠江口海域深圳市西岸，起于西气东输二线香港支线大铲岛分输站，海底敷设经大铲水道，过矾石浅滩并直跨铜鼓航道，经深圳湾口登陆香港龙鼓滩输气站。在2018 年12 月对香港支线大陆段海管的状态检测中，检测单位发现管道西侧分布有不少采砂活动区，从KP4至KP9，平行于管道分布，在KP5+440～KP5+560 处采砂区距离管道最近处约300 m，在KP6+880～KP7+240 处，采砂区距管道约450m，调查也显示采砂坑边界北部向管道方向有不同程度移动，为了阻止砂坑边坡继续向管道侧移动，2020 年 10 月 22 日，国家管网集团西气东输公司在上海组织召开了《香港支线海底管道临近采砂区安全隐患治理试验段工程方案设计（代初步设计）》评审会，评审同意了北侧试验段方案。北部试验段整治长度700.0m，整治宽度190.0m，整治面积13.30万m2。整治方案主要是对现状边坡进行整理，并将削坡和清理的淤泥回填至低洼处，再在整理后的边坡上先铺设一层土工垫，土工复合垫由一层土工格栅和一层土工布复合而成，土工复合垫施工完毕后再在其上安放一层 500mm 厚钢丝石笼，本工程施工区域水深在10～25m之间。

2.现状工艺研究

传统的土工垫层铺排由铺排船进行，铺排船采用GPS定位后进入施工区域，并采用八字抛锚固定，船舶定位后将卷有土工垫层的滚筒放置水中，土工垫起始边使用小锚固定，随后通过铺排船上的铰锚机移动铺排船铺设土工垫层，再采用抛石船紧随其后抛撒碎石对土工垫层进行固定[1-3]。

按照上述施工方法，土工垫层铺设后普遍存在以下缺陷：①土工垫层易被浪潮顶浮、飘起与翻边；②土工垫层起始边位置容易走锚，从而造成铺设位置偏差和相邻土工垫层搭接宽度不符合安装质量要求。

3.本工程土工垫水上摊铺施工方法研究

3.1 施工工艺流程

本工程的施工工艺流程：施工准备→土工格栅、土工布采购→土工复合垫加工→土工复合垫、定位浮标上滚筒→地锚参数确定→铺排船定位→卷筒沉放→移船铺排→抛石船抛石压载→土工复合垫铺设结束→质量位置检验→沉排验收。

3.2 土工垫上卷筒

1）采用直径14mm的双股丙纶绳将土工复合垫排体端头与卷排滚筒连接，连接绳子的长度需要大于施工期最深水深，以便卷筒在土工复合垫铺设完毕后，再将滚轴提出水面而不牵扯到已铺设的土工复合垫排体，本工程连接绳长度取30.0m。

2）打开电动绞车，将土工复合垫层卷上卷筒。

首先，打开电动绞车使卷筒转动，卷起双股丙纶绳，绳子派人随时纠正，以保证绳子位置准确，从而确保复合土工垫层能平整均匀地卷上滚筒。

其次，土工复合垫排体上卷时，卷筒的两端各配两名工人，随时纠正排体的位置，避免卷偏、卷皱，甲板上排体两侧配两名工人整平预卷排体。

最后，当土工复合垫层的尾部已上滚筒时，停止土工复合垫上滚筒作业。

3）土工复合垫卷材在上滚筒的时候，在土工复合垫的长边上，等距离设置4个定位浮标。浮标材质为软体塑料泡沫，采用细丙纶绳（长度为30.0m）连接在土工复合垫的长边上。浮标作用为检查土工复合垫安装位置和相邻块体搭接位置是否满足要求。浮标和连接绳随着土工复合垫一并卷入滚筒。

4）土工复合垫全部上滚筒后，施工人员需将一个长度等于土工复合垫宽度的钢管固定在土工复合垫的端头上，以防止土工复合垫在铺排时排头受到不均匀拉力而出现撕裂和皱折现象。

3.3 确定地锚参数

地锚的作用就是为土工复合垫初始摊铺提供固定作用，地锚参数的正确与否直接关系到土工复合垫层在摊铺过程中地锚是否能保持稳定、走锚距离是否满足施工要求以及土工复合垫摊铺位置是否满足施工要求。

地锚参数主要包含三项：①锚地土质：地锚落入海床面的土质；②地锚布置间距：地锚沿着土工复合垫起始边布置距离，布置距离应在满足施工要求的前提下，尽量减小抛锚、收锚的工作量；③地锚稳定走锚距离：地锚在土工复合垫的安装拉力下，会经过一段走锚距离而达到稳定状态，此段距离为地锚稳定走锚距离。

本工程地锚参数的确定：

1）地锚土质根据本工程的岩土勘察报告确定；

2）地锚布置间距和地锚稳定走锚距离采用模拟实测方法确定。具体步骤如下：

第一步：根据本工程岩土勘察报告，试验段内面层土主要分为两种：一是边皮底部的流泥；二是边坡和坡顶的淤泥（混砂）。地锚土质区域划分见图2。

第二步：确定地锚布置间距。

地锚（见图2）布置间距应在满足施工要求的前提下尽减小抛锚及收锚的工作量，本工程采用地锚重量为25kg，分别在流泥区及淤泥（混砂）区以地锚布置间距3.0m开始模拟实测，并以每次增加0.5m的距离进行下一次模拟实测。通过模拟实测，流泥区地锚布置间距为4.0m，淤泥（混砂）区地锚布置间距为5.0m。

第三步：确定地锚稳定走锚距离。

流泥区及以淤泥（混砂）区地锚布置间距分别以4.0m和5.0m来实验测设地锚稳定走锚距离，实验次数为10次，其地锚稳定走锚距离确定方法：去掉一个最高值和一个最低值，取其余值的平均值。

根据以上原则确定了地锚参数：

流泥区：地锚重25kg，地锚布置间距4.0 m，地锚稳定走锚距离0.42m。（见表1）

表1 地锚稳定走锚距离模拟实测值（流泥区）

图3 地锚

淤泥（混砂）区：地锚重25kg，地锚布置间距5.0m，地锚稳定走锚距离0.24m。（见表2）

表2 地锚稳定走锚距离模拟实测值（淤泥（混砂）区）

3.4 土工垫铺设

1）定位。建立GPS差分基准站，并将土工复合垫层的铺设宽度及铺设数量等数据输入铺排船的GPS系统，标明土工复合垫每块的铺设的位置，并以此位置作为铺设土工复合垫的定位依据。铺排船采用GPS定位，具体做法如下：配备2套GPS接收系统以及一套相应的土工复合垫铺排专用软件，建立土工复合垫铺排电子区域图。将铺排船的GPS系统连接到计算机，铺排电子区域图能实时地显示在计算机屏上。（见图4）

图4 土工垫铺排电子图

将两台GPS接收器设置在铺排船的合适位置，并以这两台GPS接收器连线为基线，建立一套铺排船作业坐标系，量取两接收器天线高度以及天线到铺排滚筒的距离，确定铺排船定位参数。铺排船坐标系确定后，将其输入到专用铺排软件中，并按设计值确定土工复合垫层铺排的设计轨迹施工图。此时铺排软件将根据船位及土工复合垫相对于GPS基线的各项参数形成实时轨迹，并显示出实时轨迹与设计轨迹的偏差。

2）铺设施工。土工复合垫的铺设全部在铺排船进行。作业时间应选择在平潮期施工，铺设时采用工作船定位，并依之测设水下定位桩、导线或导轨。铺设时应将土工复合垫平缓展开并不断拉紧、铺平，避免产生褶皱，土工复合垫铺设后应及时覆盖一层石料，防止涌浪水流造成损坏，根据以往经验，在本水域及时覆盖的一层石料厚度约10cm的二片石。施工步骤如下：

第一步∶铺排船上采用吊机将整个卷筒从起吊臂上垂直下放到海床上，卷筒落地的位置应距离土工复合垫层起始边有一定的提前距离。（见图5）

图5 土工垫卷安装示意图一

第二步∶在距土工复合垫安装起始位置一定距离抛下地锚，地锚至土工复合垫起始边距离=土工复合垫与地锚连接绳子净长度（30.0m）+地锚锚固稳定距离。移动铺排船拉紧绳索固定起始边。地锚尾部采用丙纶绳连接地锚浮漂，连接绳的长度大于施工水深，取30.0m。地锚浮标和连接绳主要作用为定位、抛锚与收锚。（见图6）

图6 土工垫卷安装示意图二

第三步：两根船上的钢丝绳通过两边滑轮分别吊在土工垫筒的滚轴上，此时铺设船平行于长度方向徐徐后退。随着钢丝绳的牵引，滚筒上的土工复合垫逐步展开，设置在卷筒内的定位浮漂随着土工复合垫展开而逐渐浮出水面。每浮出一对定位浮标，就先暂定铺排作业，快速对浮出水面的定位浮标进行位置测量，将测量的浮标位置与原设计位置进行对比计算所产生的误差，误差控制在允许范围之内，再根据已测浮标的位置来调整还未摊铺的土工垫安装轴线走向。（见图7）

图7 土工垫卷安装示意图三

第四步∶土工复合垫一边展开，一边就将抛石船上准备好的碎石抛向土工复合垫层上，碎石厚度取10.0cm。（见图8）

图8 土工垫卷安装示意图

第五步：铺设船在土工复合垫全部展开完毕后吊起滚轴与地锚，移船至下一位置。（见图9、10）

图9 土工复合垫铺设施工工艺图

图10 土工垫铺设施工图

3.5 安装质量检验

为保证土工复合垫的铺排质量，随时了解和掌握相邻土工复合垫层之间的搭接宽度以及每幅土工复合垫排体 的实际位置，便于指导后续施工，因此须对每幅已铺设排体的相邻排体间搭接宽度和实际平面位置进行检测。

1）土工复合垫排体实际平面位置及搭接宽度的检测。采用定位浮标法对其平面位置进行检测。在每幅土工复合垫两侧沿长度方向均匀布置4个定位浮标检测点位。

检验方法：待整幅土工复合垫排体铺设结束后，再利用抛锚船为检测平台，将抛锚船移动至定位浮标处，打捞起浮标并将丙纶绳拉紧确保其处于垂直状态，再利用GPS快速测量定位浮标的实际位置，每单元土工复合垫共8个测点。其中沿排体推进方向一侧（短边）的2个测点的平面位置可作为下一幅排体安装平面位置的修正依据，而另一侧的4个检测点的平面位置可作为与相邻排体间搭接宽度的检测的依据。

2）检验结果。土工复合垫摊铺完成后，抽取50张对摊铺位置偏差、搭接宽度进行统计，统计结果见表3。

表3 铺设位置偏差、搭接宽度统计表

4.施工工艺成效

本土工复合垫水上铺设施工工艺，相比传统的施工方法具备以下优点：

（1）在铺设土工复合垫前，先确定地锚施工参数，参数包括地锚土质，地锚布置间距及地锚稳定走锚距离。其中地锚土质通过分析岩土勘察报告确定，地锚布置间距和地锚稳定走锚距离通过模拟实测确定。地锚参数的确定能提高地锚稳定几率，同时提前消化地锚在达到稳定前产生的走锚距离。

（2）土工复合垫卷材在上滚筒时候，在土工复合垫的长边上，等距离设置定位浮标，浮标材质为软体塑料泡沫，浮标采用细丙纶绳连接在土工复合垫的长边上。浮标作用为检查土工复合垫安装位置和相邻块体搭接位置是否满足要求。浮标和连接绳也随着土工复合垫一并卷入滚筒上。该方法能快速、准确的确定土工垫的安装位置。

（3）在摊铺过程中，根据已浮上水面的定位浮标，来检测已安装土工复合垫的安装位置偏差，同时也能预测还未安装土工复合垫安装轴向走向，为安装抉择者提供修正走向依据。

5.结束语

近年来，随着土工材料行业的飞跃发展，其性能更加优良、种类更加丰富，越来越多的土工材料被广泛应用于水利等工程建设中。对于外海土工材料铺设，需要针对不同工况条件，不能完全照搬现有工艺，应根据特定条件去完善和改进不同的施工方法，使之与现状相匹配。