外海深水碎石基床精準(zhǔn)清淤裝備研發(fā)及應(yīng)用

李家林，劉建峰，王明亮，劉兆權(quán)

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

海底沉管隧道施工是將多個預(yù)制沉管管節(jié)逐個沉放到水底碎石基床面上對接而成。港珠澳大橋沉管隧道碎石基床采用先鋪法，最大水深達(dá)到-48 m，是沉管隧道施工的關(guān)鍵工序之一，基床鋪設(shè)精度控制在±40 mm以內(nèi)。圖1為基床碎石鋪設(shè)整平施工示意圖。

由于沉管隧道施工過程中，施工海域受多方面因素影響，沉管基床回淤明顯，E15管節(jié)更因回淤問題歷經(jīng)2次浮運(yùn)未能實(shí)現(xiàn)順利安裝，被迫回塢的困境。隨著沉管安裝進(jìn)程的不斷推進(jìn)，回淤問題愈發(fā)凸顯。

圖1 沉管基床碎石鋪設(shè)施工示意圖Fig.1 Construction schematic diagram of laying of immersed pipe gravel bed

1 研發(fā)清淤技術(shù)裝備目的及難點(diǎn)

1.1 目的

通過技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)，能夠快速響應(yīng)，高精度、高效率的清淤設(shè)備，并能夠在不破壞已鋪設(shè)的碎石墊層前提下，高效清除深水碎石基床回淤的覆蓋層淤泥，以解決碎石基床回淤問題。

1.2 難點(diǎn)

1）沒有工程實(shí)踐先例

搜尋國內(nèi)外水工市場，在外海、深水、大徑流等惡劣條件下實(shí)現(xiàn)高精度、高工效的精準(zhǔn)清淤作業(yè)，還沒有類似工程案例；沒有成熟的技術(shù)裝備方案可以借鑒，需要從頭設(shè)計(jì)。

2）裝備技術(shù)要求高

該裝備集成了船舶精準(zhǔn)定位、清淤裝置行程精準(zhǔn)定位、吸口高程精準(zhǔn)控制、泥漿泵壓力和流量控制、清淤頭流場控制、泥漿管內(nèi)流場控制、清淤塔架升降機(jī)構(gòu)和液壓驅(qū)動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等設(shè)備集成，自動化程度高，信息控制技術(shù)高度集成。

大功率泥漿泵清淤系統(tǒng)為液壓驅(qū)動，深水下液壓管路及信號檢測電纜密封要求高，且液壓管路直徑大、系統(tǒng)壓力高，電纜和液壓管路隨塔架同步上下移動行程約60 m，升降難度大。

3）高程控制和檢測難度大

為保障清淤施工工效，清淤系統(tǒng)設(shè)備吸口要盡可能接近碎石基床表面進(jìn)行清淤作業(yè)，為防護(hù)已鋪設(shè)的碎石基床不被破壞，吸口不能觸碰已鋪設(shè)的碎石基床。

外海深水碎石基床流場復(fù)雜、可視性非常差，嚴(yán)重影響對清淤效果的評判，需要借助深水照明設(shè)備、多波束測深儀、多波束聲吶和深水?dāng)z像設(shè)備等測控系統(tǒng)獲得沉管基床碎石的有關(guān)參數(shù)，從而保證清淤作業(yè)的有效施工[1-2]。

2 清淤技術(shù)裝備方案

利用自升平臺式碎石鋪設(shè)整平船“津平1”原有的大、小行走臺車系統(tǒng)，增加一套可以自動升降和鎖緊的三角形清淤塔架，塔架總長65 m，采用液壓驅(qū)動的齒輪齒條控制其升降。在清淤架頭部安裝有2臺1 250 m3/h泥漿泵，通過定制的橡膠軟管與吸頭連接，吸頭高程可調(diào)，并可調(diào)節(jié)吸口的開閉和高程來清除基床壟頂和壟溝內(nèi)淤泥。圖2為清淤系統(tǒng)示意圖。

圖2 清淤系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of desilting system

清淤吸頭隨著大、小臺車“Z”字形沿碎石壟行走，將壟頂及壟溝內(nèi)的泥漿擾動吸入并經(jīng)清淤架內(nèi)鋼質(zhì)管引至海面后，再通過可以收放的橡膠軟管排出舷外，后經(jīng)舷外海面漂浮的排泥管道，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離施工水域排放泥漿。主要參數(shù)表見表1和表2。

表1 主要設(shè)備參數(shù)Table 1 The main equipment parameters

表2 主要性能參數(shù)Table 2 The main performance parameters

3 關(guān)鍵技術(shù)

為了確保清淤裝備只能精準(zhǔn)清除碎石基床回淤的覆蓋層淤泥，而不能破壞已鋪設(shè)的碎石基床，必須精準(zhǔn)控制清淤頭吸口處水流速度和流場變化，全面分析清淤工效和流場流速控制等綜合因素，因此，采用了國際上行業(yè)頂尖品牌的大型液壓驅(qū)動泥漿泵。圖3、圖4為DOP250泵和其清淤原理圖。

圖3DOP250泵Fig.3DOP250 pump

圖4 清淤原理圖Fig.4 Principle diagram of the desilting

清淤系統(tǒng)頭部吸口四周設(shè)置了具有20個高壓噴水嘴的沖水裝置，從而擾動基床碎石壟及壟溝內(nèi)覆蓋層的回淤物，來增強(qiáng)清淤效率。高壓沖水裝置噴嘴出水的流速、流量必須精確控制，避免破壞碎石基床[3]。

4 清淤裝備測控系統(tǒng)

清淤裝置控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用了傾斜儀、聲吶、GPS-RTK，多波束測控儀、電氣控制、電液控制等多項(xiàng)測控技術(shù)的集成。該清淤裝備應(yīng)用大型泥漿泵流量控制、壓力控制、功率控制和高程控制的組合控制方式，高度集成了泥漿泵運(yùn)行參數(shù)、GPS參數(shù)及水下影像設(shè)備的數(shù)據(jù)，智能化控制與檢測，便于操作管理，將基床碎石表面精準(zhǔn)清淤這種高難度作業(yè)變成簡單操作[4]。

5 工程實(shí)踐應(yīng)用

經(jīng)過工程試驗(yàn)，行走臺車速度為1 m/min，可一次性有效清除碎石基床壟頂及壟溝內(nèi)覆蓋層回淤物。當(dāng)吸頭距沉管基床碎石壟頂150 mm，泥漿泵功率運(yùn)行到85%負(fù)荷時，基床覆蓋層回淤物一次性清理得最優(yōu)。當(dāng)吸頭距離壟頂125 mm，泥漿泵功率運(yùn)行至70%負(fù)荷時，就開始有碎石被擾動，有的甚至被吸出排泥管。

受2015年第24號臺風(fēng)“巨爵”影響，E22管節(jié)受異常大潮差等綜合因素影響，第1號、2號船位北側(cè)回淤嚴(yán)重，往南逐漸減輕，通過分析多波束掃測數(shù)據(jù)和聲吶對回淤比較嚴(yán)重的基床碎石第5條壟及+10 m處縱斷面進(jìn)行檢測，確認(rèn)基床北側(cè)回淤最大達(dá)279 mm。碎石基床回淤檢測結(jié)果見圖5。

圖5 E22管節(jié)碎石基床回淤檢測結(jié)果（+10 m）Fig.5 Test results of gravel bed back silting（+10 m)

2015年11月2日啟動基床清淤施工計(jì)劃，施工前將清淤裝置吸頭高程校準(zhǔn)后，移動位置到需要清淤的基床碎石壟頂上方一定高度，通過微調(diào)清淤頭部液壓油缸，將吸口精準(zhǔn)調(diào)節(jié)至基床碎石壟頂。然后按照確定的清淤路線，分別沿壟中心偏東450 mm、偏西450 mm及壟溝中心處進(jìn)行清淤施工作業(yè)。清淤后潛水探摸錄像可以看到石子，多波束掃測表明回淤物基本已清除，經(jīng)過判斷滿足設(shè)計(jì)要求[5]，可進(jìn)行沉管安裝作業(yè)。碎石基床清淤后檢測結(jié)果見圖6。

圖6 E22管節(jié)碎石基床清淤檢測結(jié)果Fig.6 Test results of gravel bed desilting

6 結(jié)語

2015年11月5日，港珠澳大橋島隧工程E22沉管管節(jié)順利安裝，沉管貫通后，高程測量結(jié)果顯示首尾端分別偏高36．5 mm和1．3 mm，縱傾0．339%與設(shè)計(jì)縱傾0．319%基本吻合，碎石墊層鋪設(shè)保持了一如既往的高精度水平，清淤施工取得了可喜成果，實(shí)現(xiàn)了外海深水碎石基床安全、環(huán)保和無損清淤施工作業(yè)的突破。

本次清淤施工表明，技術(shù)攻關(guān)研發(fā)的深水清淤裝備在既不破壞沉管基床的情況下，又能夠?qū)⒒菜槭瘔彭敵^200 mm的回淤覆蓋物有效清除至設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，徹底規(guī)避了因回淤帶來的工期和成本風(fēng)險。自升平臺式碎石鋪設(shè)整平船“津平1”通過清淤裝置技改，已成為目前世界上唯一一艘具有清淤能力的整平作業(yè)船舶，該裝備作業(yè)安全、環(huán)保、節(jié)能、高效，完成了我國在水工施工領(lǐng)域的一次創(chuàng)舉，具有極高的推廣意義和工程應(yīng)用價值，解決了外海深水施工領(lǐng)域的精準(zhǔn)清淤作業(yè)難題。