沉管隧道帶壟溝碎石墊層清淤施工方法研究

馮海暴， 尹 剛

0 引言

沉管隧道施工工法首次應(yīng)用于1910年美國鐵路鋼殼底特律河隧道工程。目前國內(nèi)外已經(jīng)建成的沉管隧道約150座。對于先鋪法沉管隧道施工技術(shù)，基礎(chǔ)多采用帶壟溝碎石墊層，尤其對于外海深水先鋪法沉管隧道施工，受水下回淤環(huán)境的影響，回淤成為了先鋪法沉管隧道施工的一項(xiàng)技術(shù)難題。

根據(jù)國內(nèi)外清淤技術(shù)的調(diào)研研究可知，基礎(chǔ)清淤多采用接觸式和氣壓控制的方法，例如： 耙吸船工藝[1]，通過離心式泥泵利用負(fù)壓將挖泥耙頭撓松的泥土吸入泥艙內(nèi)，滿艙后起耙，航行至船窩吹填區(qū)，該方法主要用于挖泥和基坑的浮泥清除，一般會對帶壟溝的碎石墊層產(chǎn)生擾動，否則將無法實(shí)現(xiàn)清淤的目的； 覆蓋防淤方法[2-4]是通過土工布或鋼質(zhì)蓋板對容易回淤的區(qū)域進(jìn)行覆蓋，阻止回淤物落入碎石墊層區(qū)，該方法施工效率低且在起吊覆蓋收納時(shí)容易造成碎石墊層破壞； 基礎(chǔ)底部埋設(shè)管道的清淤方法[5]是在碎石墊層鋪設(shè)前預(yù)埋帶孔眼的清淤管道，當(dāng)碎石墊層鋪設(shè)完成后，利用清淤泵提供動力，通過預(yù)埋管道將碎石墊層頂部的回淤物進(jìn)行水體置換，該方法對碎石墊層幾乎不產(chǎn)生擾動，但施工操作繁瑣且效率低，對于不需要清除回淤的區(qū)域仍然需要埋置管道，無法做到靈活清淤； 清除氣舉法清淤[6]多用于鉆孔灌注樁樁孔底部的泥漿清除，是一種典型的接觸式清淤方法，在氣壓的動力下無法徹底清除泥漿，因此無法對碎石墊層面進(jìn)行清淤；“蓋章式”間歇清淤法[7]也是一種接觸式清淤方法，將吸頭壓在碎石墊層頂部，然后開啟吸頭的清淤泵對碎石墊層進(jìn)行清淤，該方法不僅對基床產(chǎn)生擾動，而且施工速度極慢。通過對上述文獻(xiàn)中的清淤方法進(jìn)行分析和研究可知，這些方法存在擾動基床、操作繁瑣、基床清淤不干凈或施工效率低等問題，給工程施工帶來了諸多不便。對于港珠澳大橋沉管隧道先鋪法碎石基礎(chǔ)工程，在強(qiáng)回淤的環(huán)境條件下，為保證帶壟溝的碎石墊層基礎(chǔ)順利施工，達(dá)到快速清淤的目的，急需研制一套新型的清淤設(shè)備。通過對國內(nèi)外清淤方法的研究和分析可知，有效利用清淤動力泵提高動力，利用平臺支撐將吸頭固定至距離基床設(shè)定距離進(jìn)行行走式連續(xù)清淤，可以在保證不擾動碎石基床的情況下實(shí)現(xiàn)碎石墊層的快速清淤。研發(fā)固定式清淤平臺并攜帶清淤吸頭在固定范圍內(nèi)連續(xù)清淤的方法和設(shè)備，可以有效清除帶壟溝碎石墊層的回淤物，有效保障沉管碎石墊層的施工和清淤作業(yè)。

1 研究目的

本文研究的課題，是為了研制高精度清淤設(shè)備，將其用于清除帶壟溝碎石墊層面的超標(biāo)回淤物、自然回淤或拋石夯平基礎(chǔ)縫隙中殘留的淤泥被擠出后形成的淤泥堆積以及其他引起基床回淤超過基床帶壟溝碎石墊層允許回淤標(biāo)準(zhǔn)的情況，并采用預(yù)控措施預(yù)防平臺失穩(wěn)。

2 清淤技術(shù)

2.1 清淤設(shè)備組成

在外海深水風(fēng)、浪、流的作用下，采用帶樁腿的平臺式母船作為清淤系統(tǒng)的框架載體，在母船平臺上設(shè)置清淤框架，采用框架平臺剛性導(dǎo)向裝置連接清淤吸頭，利用框架上的行走小車與大車帶動清淤吸頭，實(shí)現(xiàn)單個(gè)船位范圍內(nèi)的連續(xù)清淤。該設(shè)備可以有效控制吸頭與帶壟溝碎石墊層面的距離，實(shí)現(xiàn)在不擾動碎石墊層的情況下精確清淤。

整個(gè)清淤設(shè)備由吸泥管、空壓機(jī)、高壓水泵、沖淤頭、沖泥進(jìn)氣管和吸泥進(jìn)氣管組成，運(yùn)泥采用泥駁。在整平船下料管上固定吸泥管，吸泥管的下部固定沖淤頭，沖淤頭可以通過調(diào)節(jié)高水壓力將壟頂部分的泥漿全部沖刷到壟溝中。為防止碎石堵塞泥泵，采用空壓機(jī)對吸泥管下部進(jìn)行打壓，使吸泥管下部形成負(fù)壓，將壟溝內(nèi)的泥漿抽出，達(dá)到清淤的目的。在吸泥作業(yè)的同時(shí)，通過高壓水泵對沖泥管進(jìn)行打壓，達(dá)到清除基床壟頂泥漿的目的(沖泥管水平線性沖刷壟頂部分回淤)。清淤設(shè)備示意圖如圖1所示。

(a) 整體示意圖

(b) 清淤系統(tǒng)細(xì)部示意圖

在基床鋪設(shè)前，首先通過清淤專用設(shè)備對邊坡和基槽進(jìn)行整體清淤； 在碎石鋪設(shè)完成后，對于自然回淤或拋石夯平基礎(chǔ)縫隙中殘留淤泥被擠出形成的淤泥堆積以及其他引起基床回淤超過基床回淤標(biāo)準(zhǔn)的情況，通過清淤專用設(shè)備進(jìn)行清淤。

在沉管安裝前，帶壟溝碎石墊層面出現(xiàn)回淤時(shí)，采用清淤設(shè)備清除水深10～48 m的回淤物，每個(gè)船位作業(yè)范圍(長×寬)可達(dá)48 m×25 m。設(shè)備主要由大車、小車、清淤系統(tǒng)桁架、升降裝置、清淤泥泵、清淤管系、配套軟管、絞車及清淤控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等組成。

2.2 工作原理

該設(shè)備具有清淤和沖淤的雙重功能。清淤的原理是利用空壓機(jī)供應(yīng)壓縮空氣，壓縮空氣通過進(jìn)氣管進(jìn)入吸泥管，與吸泥管中的水混合成氣水混合物(相對密度小于1)，使吸泥管的吸頭處形成水頭差，在水頭差和壓縮空氣氣流的作用下，淤泥順吸泥管排出。吸泥管底部安裝孔徑為1.5 cm的孔篦，防止石子被吸走。沖淤的原理是利用高壓水泵對壟頂淤泥進(jìn)行壓力沖刷，沖刷時(shí)噴頭為線性水流，可以使淤泥稠度變小，在水壓的推力下淤泥移動進(jìn)入壟溝，實(shí)現(xiàn)壟頂?shù)那逵佟?/p>

2.3 碎石墊層面清淤流場

通過氣流產(chǎn)生的動力將泥水混合物置換出碎石墊層區(qū)，但不得擾動已鋪設(shè)的碎石墊層，并需要控制好碎石墊層面清淤吸頭處的流速和形成的流場，但采用氣流形成的流場不穩(wěn)定。結(jié)合試驗(yàn)研究和分析計(jì)算得出，采用同樣的結(jié)構(gòu)，利用清淤泵吸除碎石墊層面的泥水混合物更穩(wěn)定可靠，可通過泥泵滿足動力系統(tǒng)的要求，但吸頭的位置、流速和型式?jīng)Q定了可清淤的有效范圍，因此，清淤吸頭型式是影響清淤效果主要的因素。結(jié)合現(xiàn)場碎石墊層的尺寸和條件，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算和物理模型試驗(yàn)結(jié)果，對多種清淤吸頭進(jìn)行了優(yōu)化，最終確定吸頭型式為T型[8]。清淤吸頭工作原理和型式示意圖如圖2所示。

(a) 工作原理

(b) 吸頭型式

1—主吸口； 2—側(cè)吸口。

圖2清淤吸頭工作原理和型式示意圖
Fig. 2 Working principle and sketch of dredging sucker

2.4 清淤試驗(yàn)研究

通過清淤系統(tǒng)對基床面沉積的淤泥進(jìn)行擾動，然后在清淤泵的水動力作用下將淤泥漿吸走，實(shí)現(xiàn)基床表面的清淤。

根據(jù)水動力原理可知，清淤系統(tǒng)吸頭距離淤積泥面越近，清淤吸口處的流速越大，對沉積于碎石基床面的淤泥清除效果越明顯，但吸頭距離基床面太近、吸口流速太大時(shí)，鋪設(shè)好的基床碎石在水動力作用下將會受到擾動或被吸走。因此，需要確定吸頭在清淤時(shí)與碎石基床面的臨界距離和流速等關(guān)鍵參數(shù)，得出相應(yīng)的關(guān)系，確保在達(dá)到最優(yōu)工效的同時(shí)不擾動碎石基床。目前關(guān)鍵參數(shù)的確定尚無相應(yīng)的參考資料，因此需要通過試驗(yàn)確定。

2.4.1 沉管基床面碎石顆粒的起動臨界流速試驗(yàn)

該試驗(yàn)主要用來確定在不擾動已鋪碎石的情況下已鋪設(shè)基床面碎石顆粒的起動流速。根據(jù)不同的邊界條件水動力形成的流場非常復(fù)雜，關(guān)于清淤系統(tǒng)吸頭在碎石基床面產(chǎn)生的水流速度分布情況，通過對現(xiàn)有多種計(jì)算方法進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)這些方法的計(jì)算結(jié)果偏差較大。因此，根據(jù)施工條件開展了物理模型試驗(yàn)，得出了碎石顆粒的起動速度。

針對島隧工程的實(shí)際工況條件，開展了平坡碎石墊層抗沖刷性能試驗(yàn)、1∶20和1∶30斜坡碎石墊層抗沖刷性能試驗(yàn)、碎石墊層V型槽上沿抗沖刷性能試驗(yàn)。以竇國仁學(xué)者的起動概率標(biāo)準(zhǔn)[9-10]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即推移質(zhì)運(yùn)動分為以下3種狀態(tài)： 1)個(gè)別起動：相應(yīng)的起動概率為1.35%～2.27%； 2)少量起動：相應(yīng)的起動概率為2.27%～15.9%； 3)大量起動：相應(yīng)的起動概率>15.9%。

通過試驗(yàn)得出，基床碎石清淤時(shí)基床面碎石的最大流速不大于流速的限定值。

2.4.2 沉管基床碎石清淤吸頭與基床面距離的確定

在清淤過程中，清淤吸頭與基床面的距離以及清淤吸頭處的流速值在基床面產(chǎn)生的流速值，與吸頭處流體的密度有一定的關(guān)系，因此需要通過試驗(yàn)進(jìn)行確定，得出最終的結(jié)果。

2.4.3 清淤高精度自動測控系統(tǒng)研究

清淤系統(tǒng)測控?cái)?shù)據(jù)的精度主要取決于高程控制系統(tǒng)，結(jié)合GPS對清淤裝置的高程及水平位置進(jìn)行定位，并對該系統(tǒng)的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和集中控制,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互交換和共享。根據(jù)GPS數(shù)據(jù)對清淤裝置的高程及水平位置進(jìn)行調(diào)整，利用清淤裝置頭部油缸精確、自動調(diào)整吸口位置高度，保證清淤效果并確保不破壞碎石墊層。在系統(tǒng)配設(shè)前開展系統(tǒng)的高程精度控制測試，清淤系統(tǒng)底部配備強(qiáng)光照明的水下攝像頭和多波束掃描成像聲吶裝置，其可隨清淤裝置的吸頭同步移動，可實(shí)時(shí)獲取水下碎石基床的清淤狀況，同時(shí)將數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)集控室，便于對清淤效果進(jìn)行評估和判斷。清淤檢測系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

對于系統(tǒng)的清淤效果需要通過聲吶系統(tǒng)連續(xù)掃測對比校正后進(jìn)行系統(tǒng)地判定，并需要通過系統(tǒng)測試試驗(yàn)驗(yàn)證聲吶的可靠性等參數(shù)。

2.5 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

結(jié)合試驗(yàn)及相關(guān)研究確定了清淤設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和方式： 1)以平臺式整平船作為清淤系統(tǒng)的載體母船； 2)采取“行走式”的連續(xù)清淤方式； 3)采用的清淤泵為大型泥泵； 4)在清淤過程中通過高壓沖水的方式擾動沉積的淤泥； 5)清淤系統(tǒng)桁架長度為66 m，最大船舶作業(yè)水深50 m，清淤作業(yè)水深10～50 m，每個(gè)船位清淤范圍(長×寬)為48 m×25 m，清除淤泥密度≤1.3 kg/m3。

圖3 清淤檢測系統(tǒng)示意圖Fig. 3 Sketch of detection system for dredging

3 清淤工藝及應(yīng)用效果

3.1 清淤工藝

帶壟溝碎石墊層清淤施工流程如圖4所示。

圖4 帶壟溝碎石墊層清淤施工流程圖Fig. 4 Flowchart of dredging construction

碎石墊層鋪設(shè)完成后，采用多波束進(jìn)行掃測，如發(fā)現(xiàn)異常高點(diǎn)，則派遣潛水員進(jìn)行水下定點(diǎn)探摸。探摸確認(rèn)為異物的，將異物清理出碎石墊層區(qū)域； 探摸確認(rèn)為淤泥的，則探摸出淤泥范圍及淤泥厚度，并根據(jù)決策進(jìn)行清淤。

需要清淤時(shí)，整平船進(jìn)場駐位，進(jìn)行插樁抬升清淤平臺。插樁完成后，采用管定位系統(tǒng)將吸泥管定位至需清淤的壟溝碎石墊層上方，采用壓力探頭檢測方式[11-12]將清淤吸頭下降至泥面，循環(huán)清淤至吸泥管底部低于壟頂標(biāo)高時(shí)停止。

啟動水泵同時(shí)對吸泥管和沖泥管供水，開始清除壟溝淤泥和沖刷壟頂淤泥。控制拋石管以規(guī)定的速度進(jìn)行往復(fù)清淤，直至排泥管中排出清水為止。利用聲納掃測壟頂和壟溝淤泥清除情況，采用碎石墊層驗(yàn)收方式進(jìn)行復(fù)測，合格后方可撤離清淤設(shè)備。

3.2 應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證清淤設(shè)備的清淤效果，清淤系統(tǒng)安裝完成后，選擇在西人工島側(cè)進(jìn)行碎石墊層基床清淤試驗(yàn)。試驗(yàn)前通過測控系統(tǒng)側(cè)掃聲吶，并與人工探摸相結(jié)合[13-14]，精確測得試驗(yàn)碎石壟處的回淤厚度，選取試驗(yàn)碎石基床的第1壟、第3壟和原泥面進(jìn)行清淤系統(tǒng)試驗(yàn)。根據(jù)回淤后的高程在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定清淤吸頭的初始高度，然后在試驗(yàn)過程中對泥泵功效進(jìn)行調(diào)節(jié)，檢驗(yàn)試驗(yàn)效果。

試驗(yàn)后經(jīng)潛水員潛水探摸對比可知，吸頭距離壟面高度滿足操控室高度設(shè)定值的要求，碎石壟面的沉積淤泥完全被清除干凈。根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)節(jié)吸頭至距離碎石壟面規(guī)定的高度后，泥泵運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷達(dá)到了額定功率，清淤效果良好。采用單泵清淤時(shí)，泥泵最好設(shè)定為全功率運(yùn)行，以提高出口處的排水壓力； 采用雙泵清淤時(shí)，泥泵功率可以適當(dāng)降低，以保持泥泵的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，保證清淤效果和出水壓力。

從潛水探摸、多波束掃測的情況看，壟頂面回淤物基本被清除干凈，可見碎石，壟頂高程合格率約為95%。

4 結(jié)論及展望

根據(jù)國內(nèi)外清淤技術(shù)及方法，通過研究提出了采用清淤平臺實(shí)現(xiàn)深水條件下帶壟溝碎石墊層的高精度清淤。通過物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算等方法，在國內(nèi)外清淤技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了沉管隧道帶壟溝碎石墊層清淤設(shè)備，可以有效降低先鋪法沉管隧道碎石墊層施工回淤風(fēng)險(xiǎn)。另外，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了清淤設(shè)備具有帶壟溝碎石墊層清淤和沖刷淤泥的雙重功能，作業(yè)最大水深50 m，每個(gè)船位清淤范圍(長×寬)可達(dá)48 m×25 m。

帶壟溝碎石墊層清淤設(shè)備的成功研制，拓寬了先鋪法沉管隧道的施工應(yīng)用范圍，降低了大型構(gòu)件在回淤環(huán)境條件下的施工影響，其可以推廣應(yīng)用于疏浚工程、清淤工程等，具有廣泛的應(yīng)用前景，可為類似工程提供借鑒。

該技術(shù)的成功研發(fā)，雖然可以實(shí)現(xiàn)碎石基床面的高精度定點(diǎn)定量清淤施工，但是由于該設(shè)備采用支撐式平臺，施工過程中仍會受到水深的影響，因此具有一定的局限性。建議研究者依托本文繼續(xù)深入研究清淤設(shè)備和技術(shù)，在未來的研究中，可以重點(diǎn)考慮不受水深影響的高精度清淤設(shè)備與技術(shù)，突破水深的限制，為遠(yuǎn)海超大水深工程建設(shè)時(shí)的清淤施工項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。

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