沉管碎石基床清淤新方法

張乃受，馮海暴

0 引言

沉管隧道施工工法1910年首次應(yīng)用于美國(guó)鐵路鋼殼底特律河隧道工程，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建成的沉管隧道約150座。對(duì)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(duì)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基礎(chǔ)的一項(xiàng)技術(shù)難題[1]。沉管先鋪法在工后沉降小、施工效率高等方面具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，影響先鋪法主要因素是回淤環(huán)境，無(wú)法解決回淤問(wèn)題將加大先鋪法施工風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)國(guó)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，如耙吸船工藝[2]，通過(guò)離心式泥泵將挖泥耙頭撓松的泥土利用負(fù)壓吸入泥艙內(nèi)，滿(mǎn)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(huì)對(duì)帶壟溝的碎石墊層產(chǎn)生擾動(dòng)，否則將無(wú)法實(shí)現(xiàn)清淤的目的；港珠澳大橋沉管隧道工程基床的清淤采用了耙吸船初步清淤，碎石基床頂面則采用了平臺(tái)式整平船定點(diǎn)清淤的施工方法，雖然該方法基本解決了清淤的問(wèn)題，但其施工速度較慢，且頻繁插拔樁腿，對(duì)基槽邊坡都有較大的影響[3-4]。為了解決上述存在的基床面定點(diǎn)快速清淤的技術(shù)難題，結(jié)合已經(jīng)成功應(yīng)用的“青平2”號(hào)整平船的工作思路，采用環(huán)保疏浚中成熟應(yīng)用的螺旋刀頭將沉積淤泥擾動(dòng)為泥水混合物，沖刷系統(tǒng)再次沖刷壟頂和壟溝殘余淤泥擾動(dòng)為泥水混合物。清淤泵提供動(dòng)力，通過(guò)已成熟應(yīng)用在港珠澳沉管碎石基床面的清淤系統(tǒng)吸頭將泥水混合物吸走，實(shí)現(xiàn)基床壟頂和壟溝清淤的新方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉管基床碎石壟溝頂面的定點(diǎn)精確清淤施工。

1 工程區(qū)域回淤情況分析

1.1 回淤分析

本文研究依托深圳至中山跨江通道工程，該項(xiàng)目是連接珠江口東、西兩岸深圳和中山兩市的一條跨越珠江口內(nèi)伶仃洋的通道，直接連接深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)與中山市，位于虎門(mén)大橋下游約28 km，距離港珠澳大橋上游約31 km，基本處于兩通道的中間位置。根據(jù)隧道區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)和基槽回淤觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，觀測(cè)周期內(nèi)（2016-05-31—2017-05-10），試挖槽槽底累計(jì)回淤厚度達(dá)3.21 m，回淤?gòu)?qiáng)度為0.9 cm/d。2016-05-31—09-25（洪季），試挖槽底呈持續(xù)回淤狀態(tài)，累計(jì)回淤厚度2.94 m，扣除臺(tái)風(fēng)影響的累計(jì)厚度為2.26 m，回淤?gòu)?qiáng)度為1.9 cm/d。2016-09-25—11-15，試挖槽槽底出現(xiàn)密實(shí)現(xiàn)象，累計(jì)回淤厚度為-0.16 m，回淤?gòu)?qiáng)度為-0.3 cm/d；2016-11-15—2017-05-10（枯季），試挖槽槽底累計(jì)回淤厚度為0.43 m，回淤?gòu)?qiáng)度為0.2 cm/d。

2016-07-20—23，試挖槽槽底回淤厚度為0.48 m，回淤?gòu)?qiáng)度為16.0 cm/d，回淤異常，主要是因?yàn)榇蟪逼陂g，槽內(nèi)本身的淤積強(qiáng)度比較大，再加上北邊坡部分淤積物隨水流沖刷進(jìn)入槽底，導(dǎo)致試挖槽內(nèi)出現(xiàn)異常淤積。2016-07-28—08-03，槽底回淤厚度為0.68 m，回淤?gòu)?qiáng)度為11.3 cm/d，主要是因?yàn)槠陂g2016年4號(hào)臺(tái)風(fēng)“妮妲”正面襲擊，北邊坡和東邊坡發(fā)生局部塌落，同時(shí)槽底淤積強(qiáng)度比較大，導(dǎo)致試挖槽內(nèi)出現(xiàn)異常淤積；而2016年14號(hào)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”、14號(hào)臺(tái)風(fēng)“海馬”未正面襲擊，對(duì)應(yīng)觀測(cè)期間的回淤?gòu)?qiáng)度分別為1.6 cm/d、-1.2 cm/d，回淤無(wú)顯著影響?；坶_(kāi)挖后，基槽回淤沿軸線(xiàn)呈帶狀分布，槽底淤積厚度較大，呈“中間大、兩端小”的分布特點(diǎn)，基槽南北兩側(cè)灘面有一定的沖刷。天科所計(jì)算結(jié)果為洪季15 d，基槽內(nèi)平均淤厚0.37 m（容重1.26 kg/L，下同），基槽最大淤厚為0.58 m，位于K8里程位置附近；在枯季時(shí)，基槽淤積分布與洪季相同，基槽內(nèi)平均淤厚0.10 m，基槽最大淤厚為0.15 m，位于K8里程位置附近。南科院計(jì)算結(jié)果為洪季15 d基槽平均淤厚0.35 m、最大淤厚為0.46 m，枯季15 d槽底平均淤厚0.08 m、最大淤厚0.10 m，一個(gè)水文年的平均淤厚3.08 m、最大淤厚3.89 m，出現(xiàn)在礬石水道東側(cè)1.5 km處。

1.2 清淤技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合現(xiàn)有的工程清淤標(biāo)準(zhǔn)，本次研究也采用標(biāo)高和槽底泥水混合物密度進(jìn)行雙控，對(duì)于基床的回淤物的標(biāo)準(zhǔn)按已有的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，見(jiàn)表1。

表1 回淤質(zhì)檢測(cè)及清除標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Detection and clearance standard of siltation

2 清淤方法研究

在基床鋪設(shè)前，基槽精挖后拋石夯平前、拋石夯平后兩種工況，均可以采用類(lèi)似工程耙吸船成熟的清淤方法，可以有效、快速地對(duì)邊坡和基槽進(jìn)行整體清淤；在碎石鋪設(shè)完成后，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積堆積以及其他情況引起的基床回淤超過(guò)基床回淤標(biāo)準(zhǔn)的，尤其是洪季和特殊情況發(fā)生時(shí)，高效、高質(zhì)量的完成清淤，關(guān)系到沉管安裝能否順利實(shí)施。本文針對(duì)的主要清淤難題，是在沉管碎石基床鋪設(shè)完成后，在沉管沉放前階段，出現(xiàn)基床回淤時(shí)所采用的方法，結(jié)合已成功應(yīng)用的“青平2號(hào)”整平船和成熟螺旋刀頭疏浚相結(jié)合，能夠快速清除碎石整平后的壟頂和壟溝淤泥，并具有對(duì)碎石頂面驗(yàn)收的功能。

2.1 清淤母船

清淤施工時(shí)，海上的船舶受風(fēng)浪流條件的影響，若要實(shí)現(xiàn)清淤系統(tǒng)的穩(wěn)定性，則需要采用一種穩(wěn)定的平臺(tái)載體或清淤系統(tǒng)在水下實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的方式，采用平臺(tái)方式則需要樁腿的支撐，對(duì)于施工速度和邊坡均有一定的影響，而采用漂浮式母船和清淤系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立的方式較為可靠，因此選取以“青平2號(hào)”整平船作為清淤裝備的母船，設(shè)計(jì)清淤船由工作母船和整平機(jī)兩部分組成，工作母船是清淤系統(tǒng)的載體和工作基站。母船屬于“井”字形平面結(jié)構(gòu)，一次駐位有效清淤面積28 m×17.2 m，可一次性清除碎石基床面回淤，集碎石基床清淤、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和質(zhì)量檢測(cè)于一體，作業(yè)水深可以達(dá)45 m（由整平機(jī)上的測(cè)量塔高度控制，可以改造適應(yīng)更深水域），總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 清淤母船總體方案圖Fig.1 Overall plan map of the desilting mother ship

2.2 清淤系統(tǒng)

清淤系統(tǒng)采用疏浚設(shè)備的螺旋刀頭與清淤泵的組合體，螺旋刀頭主要采用了其攪拌的功能，將位于基床上的回淤物擾動(dòng)為泥水混合物，從而利于清淤泵將泥水混合物清除出施工區(qū)域。當(dāng)其旋轉(zhuǎn)并向前移動(dòng)時(shí)，疏浚物質(zhì)會(huì)不斷地被卷起并輸送到護(hù)罩中心的泵入口。

清淤吸頭示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 清淤吸頭示意圖Fig.2 Sketch map of desilting suction head

該清淤吸頭可適用于液壓和電力驅(qū)動(dòng)，單泵輸送距離可達(dá)1 000 m以上，通過(guò)粒徑可達(dá)200 mm，在限制污染物的再懸浮和遷徙上非常成熟，去除泥沙的能力一次通過(guò)層厚達(dá)40 cm，同時(shí)具有隔離不同程度污染的能力。清淤吸頭的高程控制采用出水的測(cè)量塔，測(cè)斜儀控制四腳的高差，可以實(shí)現(xiàn)縱坡調(diào)整，清淤定位精度控制在±4 cm，滿(mǎn)足碎石頂部標(biāo)高的精度，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)清淤后碎石頂面的高程驗(yàn)收。螺旋刀頭/潛水泵組合固定在整平機(jī)的行走臺(tái)車(chē)的一側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)面積28 m×17.2 m范圍內(nèi)頂面清淤；行走臺(tái)車(chē)另一側(cè)，安裝專(zhuān)用清淤裝置，實(shí)現(xiàn)碎石基床清淤，見(jiàn)圖3。

圖3 清淤施工示意圖Fig.3 Schematic diagram of desilting construction

螺旋刀頭和疏浚泵裝在移動(dòng)臺(tái)車(chē)的前側(cè)，總共3套，負(fù)責(zé)清除表面淤泥，清淤厚度為40 cm（±5 cm）。清淤吸泥泵放置在移動(dòng)臺(tái)車(chē)的后側(cè)，共7套，入泥面10 cm，帶射水功能，負(fù)責(zé)清除壟溝內(nèi)的淤泥。所有清淤裝置均在框架內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，一次可以清除碎石基礎(chǔ)表面和壟溝內(nèi)的淤泥，充分利用測(cè)控系統(tǒng)對(duì)碎石頂面進(jìn)行高精度控制和測(cè)量驗(yàn)收。

3 清淤施工方法

清淤專(zhuān)用船作為主要清淤裝置進(jìn)行碎石頂面的清淤?？梢砸淮涡詫?shí)現(xiàn)碎石基礎(chǔ)表面和壟溝清淤，且具有對(duì)碎石基礎(chǔ)頂面清淤后的驗(yàn)收功能，主要施工流程包括母船定位、清淤系統(tǒng)入水定位、基礎(chǔ)清淤、清淤監(jiān)控和檢測(cè)、清淤船撤離等主要施工工序，主要工序操作控制如下：

多波束掃測(cè)→潛水探摸→清淤專(zhuān)用船定位→清淤系統(tǒng)水下定位→基礎(chǔ)清淤→清淤驗(yàn)收→設(shè)備撤場(chǎng)→基床驗(yàn)收。

3.1 施工前準(zhǔn)備

碎石墊層鋪設(shè)共分4個(gè)船位，到第3船位完成時(shí)，對(duì)已鋪設(shè)完成墊層采用多波束進(jìn)行掃測(cè)，如發(fā)現(xiàn)異常高點(diǎn)，采用潛水員進(jìn)行水下探摸。根據(jù)掃測(cè)結(jié)果對(duì)異常高點(diǎn)處進(jìn)行定點(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，確定回淤范圍及回淤厚度，決策進(jìn)行清淤。

3.2 母船定位

清淤船通過(guò)拖輪拖帶進(jìn)場(chǎng)駐位，采用錨系絞移和船帶GPS（北斗定位系統(tǒng)）的方式實(shí)現(xiàn)精確就位，一次駐位中心位于距已經(jīng)完成沉管80 m處，兩次駐位即可完成單個(gè)管節(jié)基礎(chǔ)的清淤施工，將沉管碎石基床清淤船由拖輪拖至施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)水域，拋錨定位，根據(jù)施工區(qū)域GPS或北斗坐標(biāo)及安裝在測(cè)量塔架和船體上的GPS測(cè)量裝置返回的數(shù)據(jù)指令，調(diào)整船體位置進(jìn)行精確定位[5]。

3.3 清淤系統(tǒng)入水定位

清淤系統(tǒng)采用水下定位框架，框架上設(shè)有淤泥擾動(dòng)系統(tǒng)、清淤系統(tǒng)、壓載水調(diào)節(jié)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、測(cè)量塔定位系統(tǒng)等。清淤系統(tǒng)對(duì)基床的壓力和精確就位，關(guān)系到對(duì)碎石基床的擾動(dòng)程度，現(xiàn)有清淤系統(tǒng)的底部采用橫梁的方式，減小對(duì)基床的壓力。清淤系統(tǒng)在就位前通過(guò)對(duì)框架內(nèi)壓排水實(shí)現(xiàn)框架對(duì)基床的壓力P＜1.75 kN/m2（沉管對(duì)基床的壓力）。清淤系統(tǒng)通過(guò)清淤船提升系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)框架的收放，清淤系統(tǒng)上設(shè)有雙測(cè)量塔，利用位于測(cè)控塔頂?shù)腉PS（北斗定位系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)清淤系統(tǒng)的縱向和橫向調(diào)節(jié)，確保清淤系統(tǒng)準(zhǔn)確就位。準(zhǔn)備就緒后，解開(kāi)鎖固裝置，由母船提升絞車(chē)將清淤系統(tǒng)精確沉放至距離基床2 m處，結(jié)合GPS或北斗定位系統(tǒng)，按照水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指令調(diào)整框架姿態(tài)與基床坡度保持一致，然后繼續(xù)沉放至基床頂部預(yù)定位置。通過(guò)清淤系統(tǒng)上的壓力傳感器和壓載水系統(tǒng)，調(diào)節(jié)清淤系統(tǒng)在基床上的壓力小于沉管對(duì)基床的壓力，確保清淤系統(tǒng)不擾動(dòng)基床。

3.4 基礎(chǔ)清淤

通過(guò)管理控制系統(tǒng)，慢慢將移動(dòng)臺(tái)車(chē)定位至需清淤壟溝和壟頂上方，下降螺旋刀頭進(jìn)入淤泥清淤，控制好平面位置和高程以及縱向坡度，移動(dòng)臺(tái)車(chē)沿基礎(chǔ)軸線(xiàn)方向進(jìn)行移動(dòng)，開(kāi)啟螺旋刀頭在臺(tái)車(chē)前方清除表面淤泥，同時(shí)啟動(dòng)清淤吸泥泵在臺(tái)車(chē)后側(cè)清除壟溝內(nèi)淤泥[6]。碎石基礎(chǔ)頂面和壟溝內(nèi)的清淤一次性完成，測(cè)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)清淤效果。一次淤泥清除完成后，通過(guò)清淤船自帶掃測(cè)方式進(jìn)行驗(yàn)收，合格后轉(zhuǎn)入下一船位。進(jìn)行清淤船再駐位，由母船提升絞車(chē)將清淤系統(tǒng)提升至離基床約3 m高度，將清淤船按照下一個(gè)清淤位置坐標(biāo)定位后，再將清淤船放于基床上，調(diào)整為作業(yè)狀態(tài)，繼續(xù)作業(yè)。

3.5 清淤船撤離

整節(jié)沉管基礎(chǔ)范圍內(nèi)全部完成后復(fù)測(cè)單波束聲吶、潛水探摸等方式驗(yàn)收，確認(rèn)清淤成果。聲吶掃測(cè)壟頂和壟溝淤泥清除情況[7]，合格后由母船提升清淤系統(tǒng)至預(yù)定位置鎖固，即進(jìn)行避風(fēng)、檢修或轉(zhuǎn)場(chǎng)。

3.6 清淤工效分析

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)基礎(chǔ)，整平船4次駐位共4個(gè)船位完成，清淤專(zhuān)用船2次駐位完成，其中清淤系統(tǒng)尺寸為17.2 m×28 m[8]，沿寬度方向2次定位，順長(zhǎng)度方向9次定位，共18個(gè)循環(huán)。按照船舶精確定位30 min，清淤系統(tǒng)下水40 min（水深35 m），整平機(jī)姿態(tài)調(diào)整20 min，清淤作業(yè)30 min，碎石頂面驗(yàn)收20 min，整個(gè)清淤單個(gè)循環(huán)共140 min，18個(gè)循環(huán)共需42 h。在2 d內(nèi)可以完成一個(gè)深中通道單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的清淤作業(yè)。

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是以漂浮式母船為載體，與清淤系統(tǒng)形成兩個(gè)獨(dú)立體，以吸泥泵為動(dòng)力系統(tǒng)提供水動(dòng)力將沉積物從基床表層吸走，為了實(shí)現(xiàn)徹底清除沉積，通過(guò)沖淤系統(tǒng)將沉積淤泥進(jìn)行擾動(dòng)起浮，采用聲吶系統(tǒng)、GPS、人工探摸等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)清淤效果的驗(yàn)證，該工藝關(guān)鍵部分為水動(dòng)力和吸頭部分的流場(chǎng)情況的研究，實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋吸頭范圍內(nèi)的淤泥清除，同時(shí)可快速連續(xù)清淤。

4 結(jié)語(yǔ)

在綜合分析研究國(guó)內(nèi)外沉管清淤施工方法的基礎(chǔ)上，提出了新型基礎(chǔ)清淤方法和裝備，對(duì)其關(guān)鍵的清淤方法和參數(shù)進(jìn)行了分析研究，得出如下結(jié)論：

1）碎石基床整平時(shí)間一般為7 d左右，在碎石基床整平完成后即開(kāi)展沉管浮運(yùn)安裝施工作業(yè)，正常施工從基礎(chǔ)整平作業(yè)開(kāi)始至沉管著床期間一般不大于10 d。因此，正常工況枯季條件下（小淤），碎石頂面清淤工作不會(huì)發(fā)生。

2）發(fā)生特殊工況條件下，整平船在第3個(gè)船位整平時(shí)，出現(xiàn)回淤情況如洪季（中淤），立即投入專(zhuān)用清淤船進(jìn)行作業(yè)，即可滿(mǎn)足清淤施工要求。

3）發(fā)生極特殊工況條件下，整平船在第3個(gè)船位整平時(shí)，出現(xiàn)回淤特別嚴(yán)重的情況如臺(tái)風(fēng)（大淤），整平船撤場(chǎng)，已經(jīng)完成的基礎(chǔ)挖除重鋪是最有效的方法。

本方案采用的清淤專(zhuān)用船在正常工況條件下為備用措施，且采用現(xiàn)有的船舶和成熟的清淤裝備，不會(huì)對(duì)工程造價(jià)產(chǎn)生特殊的影響。