深水沉管隧道基槽精細化施工及監(jiān)測技術(shù)

陶宗恒，楊秀武

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510221）

0 引言

港珠澳大橋沉管隧道處于深水、深厚軟土地基的施工環(huán)境，周圍水域多為海況復(fù)雜的海域，過往船舶頻繁，具有管節(jié)長度長、水深大、回淤嚴重、島隧結(jié)合部受力和施工復(fù)雜、地基軟弱且不均勻、沉降控制難等特點。對沉管隧道而言，差異沉降是造成沉管管段間漏水的關(guān)鍵因素，而差異沉降的控制與管段間剪力鍵、止水設(shè)施的設(shè)置以及剪力鍵的承載能力密切相關(guān)，為確保沉管隧道在設(shè)計使用壽命內(nèi)安全運營，沉管隧道基槽開挖必須在適應(yīng)大挖深工況下，實現(xiàn)高質(zhì)量成槽，監(jiān)測并有效清除各基礎(chǔ)各工序間的回淤物，從基礎(chǔ)各工序上消除產(chǎn)生不均勻沉降的可能，對確保港珠澳大橋島隧工程的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，因此深水基槽施工質(zhì)量控制技術(shù)至關(guān)重要。

1 技術(shù)難題

1）隧道基槽設(shè)計挖深大，槽底開挖、邊坡成型區(qū)開挖及清淤驗評標準高：為滿足沉管120 a壽命的超高質(zhì)量要求，隧道基槽（含復(fù)合型邊坡）開挖精度及清淤的設(shè)計標準要求，遠遠高于常規(guī)的疏浚工程質(zhì)量定額標準。常規(guī)技術(shù)和設(shè)備難以滿足隧道基槽的開挖質(zhì)量要求。

2）伶仃洋海域海況復(fù)雜，氣候多變，且沉管隧道幾乎垂直于水流，沉淀池效應(yīng)導(dǎo)致基槽容易淤積。鑒于隧道基槽基礎(chǔ)處理設(shè)計采取了高質(zhì)量標準，而基槽底淤積后的泥漿與水體混合物增大了沉管沉放的困難，因此在隧道基槽基礎(chǔ)處理的相關(guān)工序中及沉管沉放前，必須對隧道基槽進行高質(zhì)量清淤。

3）2015 年2 月，沉管隧道E15 管節(jié)浮運安裝前，E15 管節(jié)北側(cè)邊坡出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象，回淤物沖下基槽，破壞了已鋪設(shè)好的碎石基床，導(dǎo)致E15 管節(jié)的浮運安裝中止。鑒于此，需要對基槽邊坡上可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)的淤積物進行合理處置，消除后續(xù)管節(jié)沉管安裝期間再次出現(xiàn)回淤物失穩(wěn)滑塌現(xiàn)象。

4）需要進行高精度基準控制、槽底硬底質(zhì)高程檢測、槽底泥水密度檢測等實現(xiàn)對水下地形進行精確測量，準確指導(dǎo)施工、把控施工質(zhì)量。

5）水域水深大、回淤嚴重的情況下，準確掌握基槽回淤情況，為基槽的施工與沉管的安放提供決策支撐。

2 基槽施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 精挖

為確保沉管隧道基槽開挖質(zhì)量滿足高標準要求，基槽開挖采用了不同的施工工藝與設(shè)備，包括上層開挖（亦稱粗挖）、槽底及邊坡成型區(qū)精挖，其中槽底及邊坡成型區(qū)精挖是指槽底及邊坡設(shè)計線以上2～3 m 厚度泥層的精確開挖，除此之外皆為粗挖?；坶_挖斷面示意圖如圖1 所示。

圖1 基槽開挖示意圖Fig.1 Schematic diagram for excavation of the tube trench

經(jīng)過對比和論證，成功研發(fā)了專用精挖抓斗船，創(chuàng)新地提出直接高程控制挖泥模式，克服外海無掩護條件下風(fēng)浪流對抓斗船施工精度嚴重影響；研制高精度抓斗船疏浚監(jiān)控系統(tǒng)，具有可視、可控、可測、防超深及綜合偏差調(diào)整等功能；研制挖掘機液力變矩器控制系統(tǒng)，采用迭代擬合的原理，使大型抓斗船的開挖精度達到0～-50 cm[1]，由系統(tǒng)自動控制提斗鋼絲繩，控制抓斗動態(tài)沉放，實現(xiàn)整個閉斗過程的實際切削土體的軌跡曲線為一條水平波紋線[2-3]。

2.2 基槽槽底高精度清淤

港珠澳大橋之前國內(nèi)外基槽清淤工程多屬于淺水域施工，對深基槽清淤的工藝研究尚未成熟。在作業(yè)空間受限的情況下，基槽清淤施工顯然不適合采用耙吸船；尤其是在臨近已安裝沉管鋼封門前范圍內(nèi)清淤具有相當(dāng)高的施工安全風(fēng)險，對吸淤頭平面定位及高程控制要求都非常高的情況下，僅能采用精度控制高的定點清淤船，但本工程之前國內(nèi)沒有適合的清淤設(shè)備[4-7]。

為滿足沉管隧道高精度、高風(fēng)險的施工要求，新開發(fā)了專用清淤船，研制了用于多種工況使用的新型多功能清淤吸頭裝置，創(chuàng)新性研發(fā)了利用恒壓技術(shù)的清淤防損系統(tǒng)和觸底保護裝置，實現(xiàn)各基礎(chǔ)工序前高精度清淤；研發(fā)了80 m 超長剛性桁架結(jié)構(gòu)橋梁，采用多吊點恒張力同步起升技術(shù)，具有剛度好、重量輕的特點，滿足外海基槽水深近50 m 清淤要求；開發(fā)了高精度吸頭定位監(jiān)控系統(tǒng)，采用水下壓力傳感器、雙向角度傳感器等技術(shù)，修正了80 m 長橋架變形對吸頭定位精度的影響，實現(xiàn)了高精度定點清淤；研發(fā)了定點蓋章式精確清淤施工工藝和快速裝駁系統(tǒng)，有效解決了槽底變坡度清淤施工難題。

施工過程中，通過精確清淤計算機測控系統(tǒng)的GIS 電子圖形系統(tǒng)，可實時電腦屏幕顯示、監(jiān)測開挖深度，并自動生成開挖記錄文件，對每一個定點清淤位置及完成深度進行記錄，便于后期檢測比對?！敖蔟垺陛喍c清淤施工導(dǎo)航網(wǎng)格示意圖見圖2，清淤施工中，通過長排泥管線，采用過渡接頭與水上管線相連實現(xiàn)裝駁，將清淤泥漿通過排泥管線輸送至錨泊的自航泥駁，滿載后運至卸泥區(qū)拋卸。

圖2 定點蓋章式清淤施工導(dǎo)航網(wǎng)格示意圖Fig.2 Navigation grid diagram of the fixed point stamping type dredging construction

2.3 基槽邊坡精確清淤

E15 管節(jié)北側(cè)邊坡出現(xiàn)滑塌發(fā)生后，根據(jù)現(xiàn)場工況、船舶適用性及工期等，抓斗船、專用清淤船均無法滿足在基槽邊坡快速、高效的清淤要求。根據(jù)前期大型耙吸式挖泥船定點高精度清淤試驗成果，在邊坡選劃一定范圍，利用采用具有DPDT 系統(tǒng)、DTPS 軌跡顯示系統(tǒng)的大型耙吸船開展基槽邊坡淤積物處置的典型施工，測定大型耙吸式挖泥船采用DPDT 系統(tǒng)、DTPS 挖泥軌跡顯示系統(tǒng)在復(fù)合邊坡清淤的施工效果及施工工效均能滿足工程需求。因此，確定采用具有DPDT 系統(tǒng)、DTPS 軌跡顯示系統(tǒng)的大型耙吸船，進行基槽邊坡淤積物處置施工。

DPDT 系統(tǒng)是利用各類傳感器測船的運動狀態(tài)及風(fēng)浪流等環(huán)境力，通過計算機的實時計算來控制艏側(cè)推、CPP 及舵產(chǎn)生適當(dāng)?shù)耐屏娃D(zhuǎn)矩，以抵消環(huán)境力的影響，使得挖泥船盡可能在設(shè)定的船位、艏向或預(yù)定航跡進行疏浚施工，從平面上進行控制，保證對邊坡區(qū)域全面覆蓋，減少漏清風(fēng)險。DTPS 挖泥軌跡顯示系統(tǒng)能夠顯示疏浚矩陣、差異矩陣，可對水深測量文件色塊視需要進行調(diào)整，施工過程中動態(tài)顯示挖泥斷面，且耙頭與船體的比值圖物完全相同，操耙手可根據(jù)斷面顯示控制下耙深度，使得清淤后斷面控制在目標深度范圍內(nèi)。

耙吸船在基槽復(fù)合邊坡上的精確清淤，首先根據(jù)設(shè)計標準斷面，編制高差為2 m 的臺階式施工導(dǎo)航文件，均勻布線，分層清淤。施工過程中船位布置見圖3。

圖3 耙吸挖泥船邊坡淤積物清除施工計劃線布置示意圖Fig.3 Layout of construction plan lines for slope sediment removal of trailing suction hopper dredger

施工過程中同時通過DPDT、DTPS 導(dǎo)航系統(tǒng)清晰地獲得開挖情況，實時調(diào)整下耙深度，船舶由西往東以0.5～1.0 kn 航速勻速前進，總體施工方向由坡頂向坡底方向推進。采取不溢流、不開高壓沖水作業(yè)方式對回淤邊坡進行精確清淤施工，裝滿艙容即停止施工。

3 基槽精確地形測量

基槽精確地形測量關(guān)鍵技術(shù)以多波束水下地形測量為主要監(jiān)測手段，在充分分析國內(nèi)外水下地形測量應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對影響測深系統(tǒng)測深精度的主要因素，通過選擇大型專用測量船來應(yīng)對復(fù)雜水文環(huán)境下高精度施工測量，采用船底固定安裝換能器方法減小安裝角度變化帶來的誤差影響，通過對各設(shè)備位置精確校準消除相對位置偏差造成的誤差影響，系統(tǒng)地開展了誤差分析、參數(shù)優(yōu)化、精度比對訓(xùn)練，研發(fā)了一套最優(yōu)的水下地形精確測量的綜合技術(shù)。

針對港珠澳大橋島隧工程地形測量實踐過程中，不斷研究多波束測深系統(tǒng)誤差影響因素，進行針對性分析，通過有效的控制措施，提高多波束測深精度，實現(xiàn)了深水深槽地形測量的厘米級精度要求，也為多波束測深系統(tǒng)精度的提高開辟了新的途徑。

4 基槽施工回淤監(jiān)測

4.1 監(jiān)測方法

沉管隧道施工監(jiān)測主要是通過監(jiān)測各個施工階段沉管基槽的回淤狀況以及邊坡穩(wěn)定性，分析回淤規(guī)律，為沉管基礎(chǔ)各階段施工提供回淤參考數(shù)據(jù)，并對基槽異?；赜偾闆r進行預(yù)警，防范施工風(fēng)險。施工監(jiān)測方法以多波束水下地形測量為主，人工潛水探摸、回淤盒納淤為輔。

1）多波束水下地形測量

多波束水下地形測量是主要監(jiān)測手段，現(xiàn)場使用R2 Sonic 2024 多波束系統(tǒng)，采用Qinsy 軟件進行外業(yè)導(dǎo)航以及數(shù)據(jù)采集，接收現(xiàn)場測量平臺基站實時差分信號，實現(xiàn)多波束系統(tǒng)搭載RTK 的三維水下地形測量，計算機自動采集并同步記錄RTK 實時定位數(shù)據(jù)、水下地形數(shù)據(jù)、羅經(jīng)數(shù)據(jù)、三維涌浪數(shù)據(jù)等信息。三維水下地形測量外業(yè)采集直接采用RTK-GPS 高精度的高程信息取代傳統(tǒng)的水位觀測數(shù)據(jù)，有效減小船舶動吃水變化帶來的誤差，提高了水深測量的精度[8-9]。

2）人工潛水探摸

人工潛水探摸是指潛水員通過潛水探摸基槽基床上回淤物的厚度以及分布等狀況，與多波束水下地形測量結(jié)果相互比對，對基槽槽底的回淤狀態(tài)作出綜合的判斷。人工潛水探摸通常是在拋石夯平、碎石鋪設(shè)以及沉管安放等工序前進行。

3）回淤盒

回淤盒主要是通過在基槽槽底指定位置放置回淤盒，經(jīng)過一段時間的自然淤積之后，將回淤盒從槽底取出，分析回淤盒中回淤物厚度、容重等物理性質(zhì)，以分析某一階段基槽槽底的回淤強度以及回淤物來源等規(guī)律。

4.2 施工監(jiān)測內(nèi)容與應(yīng)用

1）邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測

邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測是指利用多波束水下地形測量對基槽邊坡整體的變化情況進行監(jiān)測，其目的獲得邊坡精挖成型后，邊坡坡面結(jié)構(gòu)隨時間變化的特征，同時初步分析變化的原因，為沉管基礎(chǔ)各工序施工提供決策數(shù)據(jù)支持。穩(wěn)定性數(shù)據(jù)分析是通過多波束水下地形測量數(shù)據(jù)繪制基槽橫斷面圖及地形變化差值色塊圖，分析基槽邊坡的回淤物淤積厚度變化、坡度變化及異?；惹闆r，重點持續(xù)分析精挖完成后至邊坡清淤前、沉管安放前邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)。選擇典型管節(jié)，將回淤監(jiān)測數(shù)據(jù)形成斷面圖與色差圖進行分析，如圖4。

圖4 E15 管節(jié)邊坡滑塌前后監(jiān)測數(shù)據(jù)差值色塊圖Fig.4 Color block diagram of monitoring data difference before and after slope sliding of E15

邊坡回淤監(jiān)測可評估基槽邊坡回淤強度，汛期、臺風(fēng)等特殊天氣條件下的回淤發(fā)展趨勢，當(dāng)局部邊坡坡面淤積到達承載極限時，引發(fā)局部范圍滑塌現(xiàn)象。通過基槽邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測，為合理安排耙吸船邊坡坡面回淤物進行清淤處理提供了決策依據(jù)。

2）基槽粗挖期間維護性回淤監(jiān)測

基槽粗挖期間維護性回淤監(jiān)測側(cè)重槽底區(qū)域淤積變化，通過多波束水下地形測量反映整個基槽在粗挖間歇階段的回淤狀態(tài)?；赜俦O(jiān)測成果數(shù)據(jù)分析，指在粗挖間歇期內(nèi)對沉管隧道基槽槽底持續(xù)監(jiān)測分析，獲得回淤變化情況，綜合分析回淤強度及規(guī)律。選擇典型管節(jié)進行分析，如圖5。

圖5 基槽粗挖期間維護性槽底回淤厚度和強度統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical chart of back-silting thickness and strength at the bottom of maintenance trench during rough excavation of tube trench

4.3 精挖前回淤監(jiān)測

精挖前回淤監(jiān)測是基槽在粗挖結(jié)束后至精挖開始前的監(jiān)測工作，主要目的是獲得基槽粗挖完成后槽底回淤情況隨時間變化的特征。回淤監(jiān)測成果數(shù)據(jù)分析，針對基槽槽底各管節(jié)粗挖施工完成后、精挖施工之前晾槽時間相對較長時，開展持續(xù)性監(jiān)測，分析基槽在此段時間的回淤強度及規(guī)律。

4.4 拋石夯平前回淤監(jiān)測

拋石夯平前回淤監(jiān)測通過多波束水下地形測量結(jié)合人工潛水探摸方式實施，反映基槽在精挖結(jié)束后至拋石夯平前的回淤狀況。正常情況下，基槽精挖結(jié)束后，即刻開展拋石夯平施工，但如遇臺風(fēng)、石料供應(yīng)中斷等原因，則會造成部分管節(jié)精挖完成后晾槽時間長，因此，施工過程中重點對這些管節(jié)開展持續(xù)性回淤監(jiān)測，分析基槽在此段時間回淤強度及規(guī)律。

4.5 碎石鋪設(shè)前回淤監(jiān)測

碎石鋪設(shè)前回淤監(jiān)測通過多波束水下地形測量結(jié)合回淤盒、人工潛水探摸方式實施，分析基槽在拋石夯平后至碎石基床鋪設(shè)開始前的槽底淤積狀況。利用基槽各管節(jié)施工晾槽期監(jiān)測數(shù)據(jù)計算拋石夯平塊石面上回淤厚度，分析基槽在拋石夯平后至碎石基床鋪設(shè)開始前的回淤規(guī)律及強度。

4.6 沉管安放前回淤監(jiān)測

沉管安放回淤監(jiān)測通過多波束水下地形測量結(jié)合回淤盒、人工潛水探摸方式實施，通過測量數(shù)據(jù)分析反映已鋪設(shè)的碎石基床在沉管安放前的回淤情況，若碎石基床上回淤物淤積超過設(shè)計允許值，則需處置已鋪回淤碎石基床。沉管安放回淤監(jiān)測成果分析主要是利用碎石基床鋪設(shè)后，根據(jù)多次多波束監(jiān)測數(shù)據(jù)制作已鋪基床回淤差值圖等，分析基床上回淤情況，監(jiān)測碎石壟頂回淤情況，包括平均回淤厚度值、最大回淤值，結(jié)合人工潛水探摸結(jié)果，碎石基床已不滿足沉管安放的要求，必須對回淤的碎石基床進行處置，為施工安排提供至關(guān)重要的決策依據(jù)。

5 結(jié)語

深水基槽疏浚施工技術(shù)已成功應(yīng)用于港珠澳大橋島隧工程，通過對基槽成套疏浚施工技術(shù)的研究，成功地解決了港珠澳大橋施工中遇到的難題，同時對我國海底隧道建設(shè)、疏浚行業(yè)均有積極的推進作用，填補了我國高端疏浚技術(shù)的空白，使我國隧道基槽施工技術(shù)達到世界領(lǐng)先水平。