捷龍輪清淤工藝研究

◎ 張鵬 劉志平 中交廣州航道局有限公司

1.引言

深圳至中山跨江通道項(xiàng)目位于珠江口海域的核心區(qū)，北距虎門大橋約30km，南距港珠澳大橋約38km，施工區(qū)氣候多變，海況復(fù)雜，周邊水域存在多個采砂坑。沉管隧道基槽原始水深在-3.5～-17.6m（85高程，下同），最大開挖深度達(dá)-37.78m，開挖泥層厚度最大達(dá)30m以上，淺灘深槽現(xiàn)象明顯且平面分布上幾乎垂直于水流；開挖完成后與基礎(chǔ)處理工序時間跨度大，基槽容易產(chǎn)生淤積。隧道基礎(chǔ)施工工序繁多，涉及基槽開挖、拋石夯平、碎石墊層鋪設(shè)等工序，如回淤物厚度超標(biāo)，將嚴(yán)重影響施工質(zhì)量，必須嚴(yán)格控制。

2.概況

深中通道隧道總長6845m（含暗埋段、敞開段），海中沉管段長5035m，基槽底寬50～59.46m，底標(biāo)高-12.46～-37.78m，基槽開挖進(jìn)行局部特殊處理，對縱向局部小范圍分布淤泥質(zhì)土、粘土（含粉質(zhì)粘土及夾砂層）、砂層及全風(fēng)化巖層，根據(jù)橫向分級、縱向分段的原則，并滿足開挖一致性條件，采用與相鄰斷面土層相協(xié)調(diào)的坡率進(jìn)行開挖設(shè)計。橫向坡率采用1:0.75、1:3、1:5、1:7，基槽縱向底部呈W型，設(shè)置了多個緩坡組合，坡率2.960%～ -1.820%。

深中通道沉管隧道共32節(jié)沉管，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長165m，非標(biāo)管節(jié)長123.8m，具有建設(shè)規(guī)模大，沉管埋深大，基礎(chǔ)處理方式復(fù)雜等特點(diǎn)。

3.清淤施工方法

基槽開挖后，為滿足基礎(chǔ)施工需要同時避免基槽邊坡回淤物的滑塌，需要對槽內(nèi)回淤進(jìn)行清除。清淤施工采用耙吸船進(jìn)行邊坡清淤，專用清淤船“捷龍輪”進(jìn)行基槽底清淤。

深中通道基槽回淤強(qiáng)度高（洪季淤強(qiáng)約2.0cm/d）約為港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目的2倍?；赜購?qiáng)度增加必將造成清淤工程量增加，而管節(jié)施工時間緊湊，各工序施工期短且相對固定，容錯率極低。邊坡清淤可通過增加耙吸船數(shù)量及交叉施工控制；槽底清淤施工僅能采用捷龍輪進(jìn)行，依據(jù)港珠澳大橋施工經(jīng)驗(yàn)，需要進(jìn)行7天施工時間才能達(dá)到較好的清淤效果，捷龍輪清淤質(zhì)量及工效直接影響沉管安放節(jié)點(diǎn)。

4.設(shè)備改造

基槽槽底清淤主要是清除沉管基槽及夯平塊石面的超標(biāo)回淤物，回淤物主要為自然回淤或拋石夯平基礎(chǔ)縫隙中殘留淤泥被擠出形成淤積堆積，以及其他情況引起的回淤超過質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的情況。捷龍輪定點(diǎn)蓋章式清淤可較好的完成清淤；但結(jié)合本項(xiàng)目自然回淤強(qiáng)度、清淤質(zhì)量要求及最大清淤深度等實(shí)際，需要對捷龍輪進(jìn)行設(shè)備改造以實(shí)現(xiàn)高精度快速清淤。

（1）船舶整體改造。捷龍輪本次改造的主要內(nèi)容為拆除現(xiàn)有80米桁架結(jié)構(gòu)橋梁以及橋梁上設(shè)備和附屬件，對箱型橋梁進(jìn)行加長至60m并新設(shè)計制造清淤吸頭，以滿足挖深-40米產(chǎn)能要求并增加泥泵功率提高清淤工效。

（2）清淤系統(tǒng)改造及可視化。清淤系統(tǒng)主要從泥泵功率、傳動方式、高壓沖水、排泥管徑進(jìn)行改造，增加了泥泵清水排量。

泥泵功率由400KW改為1974KW，柴油機(jī)功率由876KW增加到1752KW；傳動方式由電機(jī)帶動泥泵改為由柴油機(jī)直接驅(qū)動泥泵，減少了功率損耗。泥泵清水排量由2000m/h增加到7000m/h，提高了吸淤能力，對于厚度0.5米以下回淤物，施工時間從5分鐘縮短為2分鐘，同時可實(shí)現(xiàn)離泥面0.3米即可吸清，減少了吸盤觸底造成損壞的風(fēng)險。

高壓沖水泵功率由75KW增加到876KW，清水排量由60m/h增加到1100m/h，沖水壓力由固定10bar改為0-20bar自由調(diào)節(jié)，噴頭數(shù)量由8個增加到12個，噴頭可以根據(jù)施工情況（泥層厚度、板結(jié)情況等）調(diào)節(jié)出水?dāng)?shù)量。

排泥管直徑由400mm更換為700mm，排泥管材料從塑料管更換內(nèi)層鑄石耐磨管，可有效減少排泥管的磨損也提高了泥漿輸送效率和容量。

施工監(jiān)控系統(tǒng)通過采集船舶吃水、橋架角度、吸頭油缸行程及其它儀表數(shù)據(jù)；通過以太網(wǎng)的方式發(fā)送給計算機(jī)，實(shí)現(xiàn)清淤施工過程可視、可控與動態(tài)操作。

5.典型施工

深中通道隧道基槽清淤標(biāo)準(zhǔn)高：塊石拋填前1.26g/cm的回淤厚度小于30cm，碎石鋪設(shè)前1.26g/cm的回淤厚度小于10cm；為確保捷龍輪清淤效果滿足質(zhì)量要求，特進(jìn)行典型施工。

（1）區(qū)域選取。典型施工區(qū)選取應(yīng)符合以下幾個特點(diǎn)：①范圍大于50＊50m且距離精挖完成后2至3個月；②回淤物厚度超過0.5m；③現(xiàn)場音叉密度測試回淤物密度大于1.26g/cm，回淤物流動性差。

（2）施工控制。船舶按同一方位、5＊5m施工間距進(jìn)行施工，采用船舶自有密度計控制吸淤時間，測試渾水密度小于1.02g/cm后移位。

（3）測量檢驗(yàn)。典型施工完成后，采用多波束測深系統(tǒng)進(jìn)行清淤效果檢驗(yàn)。

（4）統(tǒng)計分析。對多波束掃測結(jié)果進(jìn)行分析，捷龍輪吸淤后形成半徑0.9m的圓性底槽，正前方受高壓沖水的影響，寬度擴(kuò)大至1.5m；受吸頭流場影響周邊坍塌形成邊坡，非高壓沖水側(cè)坡比為1:3，高壓沖水側(cè)坡比為1:5。

圖1 捷龍清淤典型施工效果圖

表1 單次清淤效果評價表

依據(jù)0.5m回淤物清淤實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，單點(diǎn)清淤形狀如圖2所示，底槽長2.3m，寬1.8m，清淤范圍4.75m＊6.35m。

圖2 單點(diǎn)吸淤效果平面、斷面圖

6.施工參數(shù)研究

為確保清淤施工工效，槽底回淤厚度大于1m以上的區(qū)域采用耙吸式挖泥船進(jìn)行清淤，厚度小于1m及特殊區(qū)域采用捷龍輪進(jìn)行清淤。捷龍輪通常采用垂直基槽頂流“六錨定位”布錨、“定點(diǎn)蓋章”式清淤施工工藝。清淤時利用泥漿密度顯示和水深測量裝置進(jìn)行清淤施工監(jiān)測；當(dāng)清淤點(diǎn)濃度和水深達(dá)到設(shè)計要求后，通過收放錨纜移動船舶至下一個清淤點(diǎn)，清淤整體施工順序呈“S”形布置。

為確保捷龍清淤質(zhì)量符合深中通道專用驗(yàn)評標(biāo)準(zhǔn)要求，采用列舉法開展了清淤施工參數(shù)研究。

捷龍單次吸淤滿足塊石拋填前碎石鋪設(shè)前清淤質(zhì)量要求的最大施工間距為（橫移＊船艏）3.5m＊4.5m，2.0m＊3.0m。

表2 分次清淤效果評價表

捷龍采用兩次吸淤滿足塊石拋填前碎石鋪設(shè)前清淤要求的最大施工間距為（橫移＊船艏）7.0m＊9.0m，4.5m＊6.0m。

通過研究發(fā)現(xiàn)單次與分次清淤總清淤點(diǎn)數(shù)基本一致，但從質(zhì)量控制及工效分析方面均存在優(yōu)缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)如下：

（1）單次清淤：優(yōu)點(diǎn)是能減少吸淤頭橫移及船舶絞錨時間，缺點(diǎn)是施工間距小，施工時擾動較大，清淤完成區(qū)域因擾動及自然回淤原因，重復(fù)施工的風(fēng)險較高。

（2）分次清淤：優(yōu)點(diǎn)是施工間距大、清淤時擾動較小，完成清淤的區(qū)域重復(fù)施工風(fēng)險小且分次施工對于驟淤現(xiàn)象有一定規(guī)避作用；缺點(diǎn)是增加了吸淤頭橫移及船舶絞錨時間。

捷龍輪“定點(diǎn)蓋章式”清淤是通過吸淤頭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。水動力根據(jù)不同邊界條件形成的流場非常復(fù)雜，捷龍輪施工間距應(yīng)綜合考慮以下幾個因素：

（1）清淤吸頭在基床面產(chǎn)生的清淤效果可能不完全相同；

（2）清淤完成至下道工序施工完成，時間跨度大、自然回淤強(qiáng)度高；

（3）捷龍吸淤頭施工定位存在偏差，吸淤點(diǎn)位布設(shè)應(yīng)重疊0.5～1.0m；

（4）質(zhì)量控制應(yīng)堅持從嚴(yán)原則，清淤后遺留物厚度按0cm控制。

捷龍輪定點(diǎn)蓋章式清淤宜采用多次、全覆蓋的方式，施工間距推薦3m（橫向）＊4m（豎向）；也可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整施工參數(shù)。

7.清淤施工流程及操作要點(diǎn)

（1）清淤施工流程：①清淤區(qū)域掃測，② 船舶進(jìn)場，③清淤施工，④檢測驗(yàn)收。

（2）工藝操作要點(diǎn)：①清淤區(qū)域掃測。清淤施工前，進(jìn)行多波束水深檢測；掃測結(jié)果與基槽精挖、塊石振密后標(biāo)高進(jìn)行對比，確定回淤物厚度。②船舶就位。捷龍輪通過“拖帶”方式進(jìn)入隧址區(qū)，利用GPS精確定位后進(jìn)行拋錨就位，確保清淤施工時船舶及清淤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。③清淤施工。依據(jù)清淤前掃測回淤物厚度進(jìn)行施工文件制作；利用施工導(dǎo)航系統(tǒng)，將吸淤頭定位至需要清淤的區(qū)域，下放橋梁架使吸頭緊貼泥面，循環(huán)清淤至無回淤物排出。施工過程中，清淤操作手嚴(yán)格按挖泥軌跡顯示系統(tǒng)所顯示信息嚴(yán)控作業(yè)范圍及深度，加密過程檢測頻率，以防止漏清、欠清。④檢測驗(yàn)收。清淤施工后檢測主要是通過多波束水深檢測、音叉密度儀密度檢測、人工探摸與取樣等途徑，分析和控制施工質(zhì)量；符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)行清淤驗(yàn)收。

8.結(jié)論及意義

（1）通過對捷龍輪進(jìn)行設(shè)備改造，提高了施工功效，滿足了深中通道項(xiàng)目基槽最大清淤深度40m的要求。

（2）通過開展捷龍輪清淤典型施工，確定了新式吸淤頭清淤效果模型；

（3）通過開展工藝研究給出了清淤關(guān)鍵施工參數(shù)及控制要點(diǎn)；對比了定點(diǎn)蓋章式清淤多種施工方法，并分析各方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

開展捷龍輪工藝研究應(yīng)用意義重大，為指導(dǎo)捷龍輪清淤施工提供了理論依據(jù)；對提高清淤施工效率，確保清淤質(zhì)量給出了方向；同時也降低了本項(xiàng)目因基床回淤物超標(biāo)對項(xiàng)目造成的經(jīng)濟(jì)、安全和無可預(yù)知的風(fēng)險；使技術(shù)質(zhì)量風(fēng)險更好控制；工期更有保障。