港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基槽開(kāi)挖及清淤施工的質(zhì)量控制

張 琦，朱淋淋

港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基槽開(kāi)挖及清淤施工的質(zhì)量控制

張 琦，朱淋淋

（中交廣州航道局有限公司，廣東廣州510221）

港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基槽設(shè)計(jì)斷面復(fù)雜，開(kāi)挖精度要求高，施工難度較常規(guī)疏浚工程大大增加，而且驗(yàn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在施工的各個(gè)階段，采用了先進(jìn)的RTK-GPS技術(shù)，顯著提高了施工精度，同時(shí)通過(guò)科學(xué)的施工組織安排，精細(xì)化制作施工導(dǎo)航文件，有效提升了施工質(zhì)量，滿足了本工程高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。

基槽施工；精挖；清淤；RTK-GPS；抓斗式挖泥船；耙吸式挖泥船

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程是目前世界上綜合施工難度最大的沉管隧道工程，其隧道基槽開(kāi)挖具有不同于常規(guī)疏浚工程的施工難度。沉管隧道基槽設(shè)計(jì)復(fù)雜，縱向底部呈W形，槽底標(biāo)高從-15~ -46 m不等，設(shè)置了0%~3%的緩坡組合，橫斷面設(shè)置了多級(jí)邊坡，坡比為1∶2、1∶2.5、1∶5，施工難度大大增加，而且隧道基槽開(kāi)挖精度要求高，驗(yàn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)[1]遠(yuǎn)高于JTS 257—2008《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[2]中各類挖泥船開(kāi)挖的平均超深、超寬的控制標(biāo)準(zhǔn)?；坶_(kāi)挖驗(yàn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

同時(shí)，作為在塊石層施工以及碎石墊層鋪設(shè)之前的必要工序，隧道基槽槽底清淤也有相應(yīng)的技術(shù)要求。對(duì)于基槽槽底泥水密度不滿足標(biāo)準(zhǔn)的淤泥層，必須予以清除，基槽清淤相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表1 基槽開(kāi)挖驗(yàn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)Table1 Standard ofaccep tance and assessmen t for trench excavation

表2 基槽清淤標(biāo)準(zhǔn)Table2 Cretiria for trench desilting

此外，從E15管節(jié)以后，基槽邊坡上淤積物的清除也成為碎石墊層鋪設(shè)前的必要工序。

綜上，無(wú)論沉管隧道基槽的開(kāi)挖施工及清淤施工，都需要通過(guò)有效的質(zhì)量控制手段才能控制基槽施工精度，以滿足本工程高標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)評(píng)要求。

2 沉管隧道基槽開(kāi)挖及清淤的質(zhì)量控制

沉管隧道基槽疏浚施工可分為粗挖、精挖及清淤3個(gè)施工階段，其中粗挖階段是指由原泥面至離設(shè)計(jì)底標(biāo)高約2~3 m間泥層的開(kāi)挖作業(yè)；精挖階段是指粗挖完成后至設(shè)計(jì)底標(biāo)高間泥層的開(kāi)挖作業(yè)；清淤階段主要指精挖結(jié)束后的塊石層鋪設(shè)、塊石層夯平后的碎石墊層鋪設(shè)等工序前對(duì)基槽槽底以及邊坡上淤積物的清除作業(yè)。

2.1 基槽粗挖施工的質(zhì)量控制

根據(jù)施工組織安排，對(duì)于基槽的疏浚施工首先由粗挖開(kāi)始。對(duì)于粗挖施工，由于開(kāi)挖深度距離設(shè)計(jì)深度還有一定的泥層厚度，因而對(duì)粗挖層的施工安排，主要考慮在保證一定的開(kāi)挖精度前提下最大程度發(fā)揮船舶的施工效率。根據(jù)原泥面的水深情況、開(kāi)挖泥層的土質(zhì)分布以及施工現(xiàn)場(chǎng)的通航狀況，安排耙吸式挖泥船進(jìn)行表層淤泥質(zhì)土的開(kāi)挖作業(yè)，安排抓斗式挖泥船進(jìn)行下層黏土以及粉質(zhì)黏土的開(kāi)挖作業(yè)。

2.1.1 耙吸式挖泥船粗挖施工的測(cè)量控制

耙吸式挖泥船采用RTK-GPS進(jìn)行平面定位，接收HZMB-CORS播發(fā)的網(wǎng)絡(luò)或者無(wú)線電差分信號(hào)，經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，平面精度達(dá)到±2 cm，高程精度達(dá)到±3 cm。根據(jù)RTK-GPS平面定位信息以及動(dòng)力跟蹤功能，預(yù)先設(shè)定各層開(kāi)挖線，并充分結(jié)合船舶智能化系統(tǒng)，根據(jù)風(fēng)、流等外力因素自動(dòng)控制各種動(dòng)力設(shè)備，確保耙頭始終沿設(shè)定開(kāi)挖線施工，保證施工的平面精度。挖深控制則是利用耙管自動(dòng)控制系統(tǒng)，結(jié)合RTK-GPS高程信息，實(shí)現(xiàn)控制波浪補(bǔ)償器的動(dòng)作，使耙頭處于安全角度范圍及期望疏浚深度，保證施工的垂直精度。

對(duì)于表層大范圍大厚度淤泥質(zhì)土的開(kāi)挖，耙吸船的施工效率相比抓斗船更高，但在發(fā)揮船舶施工效率的同時(shí)，亦要控制開(kāi)挖的精度與質(zhì)量，應(yīng)采用分層開(kāi)挖的施工工藝，防止耙吸船開(kāi)挖過(guò)深破壞精挖層并減少施工產(chǎn)生的壟溝。根據(jù)土質(zhì)情況以及耙吸船的施工能力，將分層的厚度設(shè)為2m，并按此制作施工文件。耙吸船疏?？刂葡到y(tǒng)安裝施工文件后，需嚴(yán)格按照施工文件的范圍以及挖深進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，基本完成該層的開(kāi)挖作業(yè)后，再轉(zhuǎn)入下一層的開(kāi)挖施工。

2.1.2 抓斗式挖泥船粗挖施工的質(zhì)量控制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工安排，島隧工程在隧道基槽粗挖階段投入了多組抓斗式挖泥船組，按照其定位方式可以分為普通抓斗式挖泥船以及具備定深平挖功能的抓斗式挖泥船。

不同于普通抓斗式挖泥船的定位方式，我國(guó)第一艘具備定深平挖功能的抓斗式挖泥船“金雄”號(hào)，通過(guò)在抓斗扒桿頂部安裝RTK-GPS，接收HZMB-CORS播發(fā)的網(wǎng)絡(luò)或者無(wú)線電差分信號(hào)，解算得到高精度的GPS平面以及高程信息，結(jié)合抓斗鋼索上的角度傳感器，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理后實(shí)時(shí)顯示抓斗的平面位置以及歸算至基準(zhǔn)面的深度，控制抓斗下放位置及深度，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定深挖泥[3]。

根據(jù)投入的抓斗船特點(diǎn)，可將開(kāi)挖區(qū)域劃分為“非成型區(qū)”以及“邊坡成型區(qū)”（圖1），其中“非成型區(qū)”可以由開(kāi)挖精度稍差的普通抓斗船進(jìn)行施工，而“邊坡成型區(qū)”則需由“金雄”號(hào)抓斗船進(jìn)行施工，避免超寬超深過(guò)多破壞精挖層。

圖1 抓斗船“邊坡成型區(qū)”和“非成型區(qū)”施工斷面示意圖Fig.1 Schematic diagraMof′slope-shaping area′and′no slope-shaping area′for dredging by grab dredger

2.2 基槽精挖施工的質(zhì)量控制

沉管隧道基槽粗挖施工后，槽底精挖層及邊坡成型區(qū)遺留的淺點(diǎn)將由“金雄”號(hào)抓斗船來(lái)完成。

對(duì)于槽底精挖層的開(kāi)挖作業(yè)，需根據(jù)槽底的設(shè)計(jì)底標(biāo)高以及對(duì)應(yīng)的軸線向坡比，結(jié)合抓斗的斗長(zhǎng)（9.7m）、斗寬（3.2m）以及基槽開(kāi)挖的精度要求，綜合抓斗船分條開(kāi)挖的因素，確定合適的分條寬度，使開(kāi)挖精度得到保障并且最大限度發(fā)揮抓斗船的施工效率。由于基槽的軸線向坡比在0%~ 3%范圍內(nèi)變化，故在軸線向坡比小于1.5%的管節(jié)段，分條寬度設(shè)置為20m，將該條帶的開(kāi)挖標(biāo)高設(shè)為該條帶的平均值，則該條帶開(kāi)挖后理論最大的偏差值<0.15m；在軸線向坡比小于3%的管節(jié)段，分條寬度設(shè)置為10 m，則該條帶開(kāi)挖后理論最大的偏差值<0.15m，誤差處于可控范圍。

對(duì)于邊坡的精挖施工，根據(jù)抓斗船的施工特點(diǎn)，采用階梯式開(kāi)挖即開(kāi)挖成臺(tái)階斷面，考慮到開(kāi)挖土質(zhì)較松散容易坍塌，故采用“超挖補(bǔ)欠”的方式進(jìn)行施工。

根據(jù)基槽槽底的設(shè)計(jì)底標(biāo)高以及縱向邊坡坡比，結(jié)合抓斗的斗長(zhǎng)、斗寬以及邊坡超寬值的驗(yàn)評(píng)要求，確定合適的臺(tái)階高差。邊坡典型開(kāi)挖試驗(yàn)表明，邊坡臺(tái)階高差宜設(shè)置為2 m。當(dāng)邊坡開(kāi)挖臺(tái)階高差為2 m時(shí)，在坡比為1∶2以及1∶2.5的區(qū)域，臺(tái)階式開(kāi)挖后即使不發(fā)生自然塌方，也能滿足邊坡的超寬要求；在坡比為1∶5的區(qū)域，每個(gè)臺(tái)階開(kāi)挖后的理論最大超寬值為5 m，超出超寬允許值2m，但邊坡典型開(kāi)挖試驗(yàn)表明，1∶5邊坡區(qū)域開(kāi)挖后經(jīng)過(guò)自然塌方，每個(gè)臺(tái)階最大超寬值均小于3m，且與設(shè)計(jì)邊坡線擬合較好。

根據(jù)基槽槽底分條寬度以及邊坡臺(tái)階開(kāi)挖的高差，制作“金雄”號(hào)抓斗船的施工文件，將每個(gè)條帶、每個(gè)臺(tái)階的開(kāi)挖標(biāo)高標(biāo)注在施工文件之中，抓斗船挖泥手嚴(yán)格按照標(biāo)高進(jìn)行開(kāi)挖。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)多波束檢測(cè)，精挖作業(yè)后基槽的槽底標(biāo)高、開(kāi)挖平整度以及邊坡的超寬值均滿足隧道基槽開(kāi)挖驗(yàn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)，典型的橫斷面圖如圖2所示。

2.3 基槽清淤施工的質(zhì)量控制

基槽清淤作業(yè)包含粗挖施工階段的清淤、粗挖后精挖施工前的清淤、塊石拋填前的清淤及碎石墊層鋪設(shè)前的清淤[4]，現(xiàn)以相對(duì)復(fù)雜且典型的碎石墊層鋪設(shè)前清淤為例闡述清淤施工質(zhì)量控制。

碎石墊層鋪設(shè)前的基槽清淤主要分為基槽邊坡清淤及槽底清淤，其中基槽邊坡清淤由耙吸式挖泥船進(jìn)行，而槽底的清淤則是由耙吸式挖泥船以及專用清淤船“捷龍”號(hào)進(jìn)行，其中靠近前一已安放沉管鋼封門(mén)30m范圍區(qū)域因耙吸船施工安全風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大而選擇由“捷龍”號(hào)清淤船進(jìn)行，其余部分由耙吸船進(jìn)行。

2.3.1 耙吸船基槽清淤的質(zhì)量控制

對(duì)于耙吸船的清淤施工，首先要確定清淤的標(biāo)高，基槽槽底清淤標(biāo)高即為塊石拋石夯平后的標(biāo)高，由于塊石層夯平后的標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高會(huì)存在一定的差值，因此需要根據(jù)塊石層夯平后的實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)，分塊統(tǒng)計(jì)其平均水深作為耙吸船下耙的標(biāo)高；而邊坡區(qū)域的標(biāo)高則需根據(jù)現(xiàn)有的、精挖后最深的以及設(shè)計(jì)水深斷面，結(jié)合邊坡的淤積情況綜合考慮，通常選擇將設(shè)計(jì)斷面降低一定的深度，以保證邊坡臺(tái)階上的淤積物能夠被清除。

確定清淤標(biāo)高后，結(jié)合現(xiàn)有的以及最深的水深數(shù)據(jù)，制作沖淤色塊圖分析其回淤分布及回淤厚度，明確重點(diǎn)清淤區(qū)域，按照槽底淤積物全部清除以及邊坡淤積物定點(diǎn)清淤的原則，制作耙吸船施工導(dǎo)航文件。

考慮到耙吸船邊坡清淤過(guò)程中可能會(huì)有淤積物受擾動(dòng)從邊坡滑落至槽底，因此在施工先后順序上應(yīng)安排首先對(duì)邊坡進(jìn)行清淤作業(yè)，而后進(jìn)行槽底的清淤作業(yè)。

2.3.2 清淤船基槽清淤的質(zhì)量控制

專用清淤船“捷龍”號(hào)亦采用RTK-GPS進(jìn)行平面定位，接收HZMB-CORS播發(fā)的網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線電差分信號(hào)，在疏浚監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示船舶以及吸頭的平面位置，通過(guò)RTK-GPS獲得的高程信息，并結(jié)合深度控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示并控制吸頭下放的深度。

對(duì)鋼封門(mén)前30m范圍的槽底清淤，清淤標(biāo)高亦按照塊石層的標(biāo)高。清淤船吸頭為直徑1.6 m的圓盤(pán)，經(jīng)試驗(yàn)其有效清淤范圍為2.5m×2.5 m，考慮施工背景圖的簡(jiǎn)潔，將施工網(wǎng)格設(shè)為5m×5m，結(jié)合現(xiàn)有的及塊石層夯平后的實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)，制作清淤船的施工文件。清淤施工采用“蓋章”式工藝，“蓋章”的點(diǎn)間距為2.5 m×2.5 m，即在1個(gè)施工網(wǎng)格內(nèi)“蓋”4個(gè)“章”。清淤過(guò)程中，利用清淤監(jiān)控系統(tǒng)的泥漿密度顯示進(jìn)行施工監(jiān)控，當(dāng)清淤點(diǎn)的泥漿濃度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，移至下一個(gè)清淤點(diǎn)。施工完成后，根據(jù)多波束檢測(cè)結(jié)果以及人工探摸成果，決定是否需要補(bǔ)清淤。

2.3.3 清淤施工效果檢測(cè)

清淤施工效果檢測(cè)通常采用多波束水深測(cè)量以及人工探摸兩種手段相互結(jié)合參考。利用多波束水深測(cè)量數(shù)據(jù)制作清淤前后的回淤物分布以及厚度色塊圖、橫斷面比對(duì)圖，并結(jié)合人工探摸成果，綜合判斷清淤施工是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。E23管節(jié)清淤前后回淤物分布以及厚度比對(duì)圖如圖3所示。

圖3 E23管節(jié)基槽清淤前后回淤物分布以及厚度比對(duì)圖Fig.3 CoMparison of distribution and thicknessof siltation in foundation trench at tunnelsection E23 before and after desilting

3 結(jié)語(yǔ)

在港珠澳大橋島隧工程隧道基槽施工過(guò)程中，無(wú)論是粗挖、精挖還是清淤施工，通過(guò)上述的質(zhì)量控制手段，有效控制了施工的精度以及質(zhì)量，取得了良好的施工效果，保證了各施工工序的正常銜接，為實(shí)現(xiàn)工期目標(biāo)提供了有力的保障。

[1]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司.港珠澳大橋主體工程島隧工程施工圖設(shè)計(jì)[R].2011.

CCCCHighway ConsultantsCo.,Ltd.Construction drawingof island and tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2011.

[2]JTS 257—2008，水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].

JTS 257—2008，Standard forquality inspection of port and waterway engineering construction[S].

[3]林鎮(zhèn)定.抓斗式挖泥船外海深基槽精確挖泥施工工藝研究[D].廣州:華南理工大學(xué)，2015.

LIN Zhen-ding.Research on construction technology of deep foundation trench precise dredging by grab dredger in open seas[D]. Guangzhou:South ChinaUniversity of Technology,2015.

[4]鄭偉.港珠澳大橋沉管隧道深基槽回淤監(jiān)測(cè)與分析[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2015，35（11）:25-28，55.

ZHENGWei.Back siltingmonitoring and analysisof deep foundation trench in the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnelproject[J].ChinaHarbourEngineering,2015,35(11):25-28,55.

Quality control for excavation and desilting of foundation trench for immersed tunnel for island and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

ZHANGQi,ZHU Lin-lin
（CCCCGuangzhou Dredging Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510221,China）

In Island&Tunnel Project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,the design cross section of the foundation trench for immersed tunnel sectionswas complex,and the requirement for dredging accuracywashigh aswell,therefore,the difficulty for dredging was greatly increased compared to regular dredging project and the standard for acceptance and assessment is higher than the professional standardsaswell.Atall stagesof the construction，the advanced RTK-GPS technologywas used, which significantly improved the accuracy of construction.In the meantime,through scientific construction organization and refinement of dredging guidance and navigation documents,the quality of works was significantly improved and the design requirements for high standard ofworkswasmet.

foundation trench construction;accurate dredging;desilting;RTK-GPS;grab dredger;trailing suction hopper dredger(TSHD)

U615.4

B

2095-7874（2016）07-0097-04

10.7640/zggw js201607028

2016-05-23

張琦（1986—），男，江蘇南通人，助理工程師，從事水深測(cè)量工作，測(cè)繪工程專業(yè)。

E-mail:304391162@qq.com