城市高密度建成區(qū)排水暗涵低影響安全清淤關(guān)鍵技術(shù)

李琦，覃明勇，李開俊，艾嬋，劉霜霜

[1.武漢碧水集團有限公司，湖北 武漢 430015；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）,湖北 武漢 430015；3.武漢長江環(huán)境工程有限公司，湖北 武漢 430015；4.武漢城市建設(shè)集團有限公司，湖北 武漢 430015]

0 引言

城市人口不斷集聚，形成了城市高密度建成區(qū)，原有河道空間不斷被侵占擠壓，居民生活污水未經(jīng)處理直排入河，河道逐漸演變?yōu)楹诔羲w，為不影響居民出行和生活水平，在黑臭河道上方鋪設(shè)水泥板，原有的河道形成了城市高密度建成區(qū)排水暗涵[1]。城市高密度建成區(qū)排水暗涵長期處于黑暗、封閉空間，極易產(chǎn)生厭氧發(fā)臭和水質(zhì)惡化問題，加之泥沙、建筑及生活垃圾匯入，排水暗涵往往淤積嚴重，此外，暗涵多為合流制排水體制，雨季時沿線道路及周邊地區(qū)大量灰塵等隨雨水進入暗涵，更進一步加劇了城市排水暗涵淤堵情況，如若不及時進行清理，不僅存在生活污水外溢風(fēng)險，更極易造成城市大范圍“人造內(nèi)澇”，綜上所述，城市排水暗涵周期性清淤勢在必行[2]。

張述清[3]通過對現(xiàn)有清淤方法進行分析比較，提出了水平定向高壓旋噴清淤的新型施工方法；陳勇[4]總結(jié)不同暗渠清淤方式方法，為今后類似工程提供經(jīng)驗，為暗渠清淤施工規(guī)范編制提供支撐；胡茂鋒[5]通過剖析了預(yù)制裝配法開設(shè)施工通道、分倉導(dǎo)流、快拆封堵及清淤等重點工序施工要點實現(xiàn)低影響高效清淤的需求。但是現(xiàn)有城市排水暗涵新建時預(yù)留了600～800mm 內(nèi)徑檢查井通道，未預(yù)留大型機械進出通道，無法采用機械化清淤方式；且暗涵處于城市高密度建成區(qū)，采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆新建維護通道，將對周邊交通造成嚴重不利影響。因此現(xiàn)有城市暗涵清淤方式多采用人工下井清淤作業(yè)方式，該作業(yè)屬于有限空間危險作業(yè)，不僅工效低下，且極易造成缺氧、中毒等現(xiàn)象[5-7]。因此，研究開發(fā)出安全高效的城市排水暗涵清淤施工技術(shù)，具有極大的現(xiàn)實意義。

1 工程概況

1.1 基本信息

黃孝河暗涵屬于武漢市漢口區(qū)主干排水通道，建成于1984年，起于青年路，經(jīng)黃孝河西路、建設(shè)大道及黃孝河路，終止于黃孝河明渠起端，主要結(jié)構(gòu)形式為“鋼筋混凝土底板+磚砌墻體+預(yù)制鋼筋混凝土頂板”，結(jié)構(gòu)尺寸從起端的單孔B×H=3.0m×3.0m，沿程逐步變化為五孔2-B×H+3-B×H=2-5.2m×3.0m+3-5.8m×3.0m。匯水面積65km2，承擔(dān)著武漢市江岸區(qū)的雨污水外排功能。

經(jīng)前期檢測，暗涵內(nèi)普遍淤積深度在80～120cm，淤積深度總體呈現(xiàn)出上游向下游遞增趨勢，晴天流量在360 000～420 000m2/d，雨季按照匯水區(qū)域五十年一遇降雨產(chǎn)匯流明確過流能力，水位處于高水位狀態(tài)，平均深度為2.2m，檢查井內(nèi)徑為650mm，間距在40～60m，局部存在520m 長距離無檢查井。周邊建筑林立，大型超市、商場、行政機構(gòu)、醫(yī)院、學(xué)校集中，人口密度高達10 000 人/km2以上，屬于典型的高密度建成區(qū)，此外，暗涵正上方道路為城市主干道路，流量約3 045～1 206pcu/h，無明顯潮汐現(xiàn)象，高峰期整體飽和度為0.87。

1.2 施工重難點

1.2.1 有限空間作業(yè)安全風(fēng)險高

排水暗涵常年輸送生活污水，好氧厭氧環(huán)境頻繁交替，與外界環(huán)境長年累月基本隔絕，內(nèi)部積聚了大量硫化氫、一氧化碳、甲烷等危險性氣體。人工下井清淤作業(yè)屬典型有限空間作業(yè)，極易出現(xiàn)中毒、窒息、爆炸等傷亡事故等事故。現(xiàn)階段清淤前多采用機械通風(fēng)，降低暗涵內(nèi)危險性氣體濃度，然而清淤過程中，擾動淤泥時潛藏在淤泥內(nèi)的氣體會在短時間內(nèi)迅速釋放，周邊清淤人員無法及時反應(yīng)，將帶來較大安全風(fēng)險。

1.2.2 長期大規(guī)模占道社會影響大

暗涵清淤需對進出口附近進行打圍以便形成人材機進出和淤泥外運通道，而主干排水暗涵進出口往往位于城市主干道路中央，長期占道打圍，需對主干道路進行長時間封閉，引發(fā)加劇高密度建成區(qū)城市交通擁堵、給市民出行交通帶來嚴重困難、清淤社會綜合成本高昂等相關(guān)綜合問題。

1.2.3 封堵斷流城市內(nèi)澇風(fēng)險高

排水暗涵清淤時，人工下井作業(yè)，需臨時封堵暗涵以便后續(xù)清淤作業(yè)，排水暗涵作為城市行污主管及排洪通道，單日流量高達數(shù)萬噸乃至數(shù)十萬噸，導(dǎo)流費用高昂。如遇突發(fā)降雨，封堵拆除不及時，堵塞行洪通道，極易造成“人為城市內(nèi)澇”，危及城市居民人身安全及財產(chǎn)安全。

2 低影響安全清淤關(guān)鍵技術(shù)

針對城市高密度建成區(qū)暗涵清淤中存在的交通占道影響大、施工進出通道受限、暗涵封堵導(dǎo)流難度高及內(nèi)部作業(yè)環(huán)境惡劣等暗涵治理共性問題，因地制宜制定了整套適用于城市高密度建成區(qū)主干排水暗涵低影響安全清淤技術(shù)。

2.1 施工工序

結(jié)合暗涵尺寸、檢查井間距、淤泥厚度及暗涵水位等，清淤施工工序如圖1 所示。

圖1 施工工序圖

2.2 關(guān)鍵施工要點

2.2.1 施工準備階段

現(xiàn)場勘察工作。應(yīng)根據(jù)暗涵探測報告進一步踏勘現(xiàn)場，查看測區(qū)的地物、地貌、交通和地下管線走向分布情況，明確是否具備開挖及吊裝條件；之后，打開檢查井通過管道潛望鏡、全地形機器人、自動力機器人等探測儀器檢查井內(nèi)的暗涵結(jié)構(gòu)形式、水位、淤泥厚度等情況，做好詳細踏勘記錄。

管線調(diào)查與遷改。協(xié)調(diào)調(diào)查新開施工便道處地下管線的分布，并盡可能避開原有管線。對于無法避開的管線部位，制定管線遷改保護方案并經(jīng)歸屬單位批準后實施。

施工相關(guān)手續(xù)辦理。涉及與交警部門溝通，確定道路占道及交通導(dǎo)行方案，并辦理相關(guān)施工許可手續(xù)；后期進場施工時做好現(xiàn)場圍擋封閉及安全防護，按照批準的交通導(dǎo)行方案設(shè)置導(dǎo)行標識及警示標志；同時與城管部門進行溝通，辦理道路挖掘許可手續(xù)。

流域相關(guān)單位報備工作。施工前向泵站、污水處理廠等排水設(shè)施單元的管理人員進行報備，協(xié)調(diào)泵站、閘門、水廠在施工期間的聯(lián)合調(diào)度，減少由于清淤施工給城市排水系統(tǒng)運行帶來的不利影響。

局部探挖。正式開挖前，需對擬開設(shè)施工便道的區(qū)域進行局部探挖，確定開挖范圍內(nèi)管線分布情況，同時精確測量暗涵頂部覆土深度，以便后續(xù)預(yù)制構(gòu)件制作。

2.2.2 通道開設(shè)階段

通道選型。對于所需斷面較小，整體吊裝噸數(shù)小于20t 的可采用整體式預(yù)制砼井筒結(jié)構(gòu)；對于所需斷面較大，吊裝總噸數(shù)大于20t 的施工便道結(jié)構(gòu)，采用分體式預(yù)制砼井筒結(jié)構(gòu)。

裝配流水。為方便人材機進出及淤泥外運，每隔 400～600 m 開設(shè)一處施工便道，為降低對交通及周邊居民影響，施工便道開設(shè)優(yōu)選夜間進行，其中，集中在20:00～22:00 完成道路破除，22:00～次日6:00，完成開挖、吊裝及道路回填工作。

2.2.3 機器人清淤階段

清淤機器人清淤主要包括聲吶掃描淤積及垃圾情況、機器人選型、開孔、清理井室、機器人吊裝入位、清淤作業(yè)。

（1）聲吶掃描淤積及垃圾情況。用溯源檢測機器人攜帶的聲納進行全線檢測，確定泥層厚度及是否含有大型垃圾。

（2）機器人選型。清淤系統(tǒng)由水下清淤機器人泵站、電纜收排絞車、系統(tǒng)控制中樞、泥水分離裝置組成。

水下機器人。用于水下清淤。選型核心參數(shù)應(yīng)關(guān)注清淤距離限制和清淤對象情況，清淤流量一般在60～180m2/h 之間，清淤濃度控制在5%～15%。泵送式清淤機器人在不加接力泵的情況下，多數(shù)是在200m 以內(nèi)，距離越長，則優(yōu)先選擇揚程越大的清淤機器人。若暗涵內(nèi)以建筑垃圾為主，則優(yōu)先選用鏟運式機器人?？紤]暗涵淤積現(xiàn)狀，選用橡膠履帶，水下行進速度為3～12m/min。

電纜收排絞車。用于強弱電集成電纜排纜。壓斷力應(yīng)大于5t，具備自動排纜、正反轉(zhuǎn)、急停、調(diào)速及降溫等功能。

系統(tǒng)控制中樞。用于控制機器人運動與清淤。采用有線遙控方式，嵌入式軟件設(shè)計，搭配聲吶及視頻圖像識別終端，實現(xiàn)機器人遠程操作。

泥水分離裝置。總體積為30～60m3，通過“自然沉淀+混合絮凝”初沉工藝，污泥含水率可下降為50%～70%，后經(jīng)密封罐車運輸至后湖脫水廠進一步脫水至40%。

（3）施工便道開設(shè)。開孔詳見5.2.3 節(jié)所述。

（4）清理井室。用5m3抓斗車或強力吸污車對吊物孔底部進行清理，清理出工作面，清理面長×寬不小于3m×3m。

（5）清淤機器人清淤

設(shè)備檢查。機器人進入工位后，調(diào)整好機器人位置，接通線纜，檢查線路，各配套設(shè)備是否正常。

行走軌跡確定。啟動清淤機器人，啟動泥水分離器開始清淤作業(yè)。清淤機器人作業(yè)寬度為 1.4m，通過操作臺利用自帶的超聲波測距雷達檢測機器人本身與箱涵側(cè)墻的距離確定行走軌跡。

清淤循環(huán)。清淤機器人利用前端同軸反向清淤絞龍完成淤泥打散后通過高性能渣漿泵吸入浮體輸泥管，輸泥管將淤泥輸送至岸上的泥水分離器，泥水分離器處理后完成上清液回流，底部淤泥通過密封罐車運輸至脫水廠脫水至40%以下，之后按照設(shè)計要求進行資源化處置。

高效清淤。清淤時操作手位于中控室無法知曉清淤狀態(tài)，因為在機器人尾端設(shè)計了濃度計，構(gòu)建了“泥漿—濃度”耦合自適應(yīng)高效清淤模型，維持清淤時輸送泥漿濃度處于經(jīng)濟濃度之上。

故障排查。清淤過程中遇到前進受阻或者前進完全失效，首先檢查液壓系統(tǒng)壓力是否正常，確定系統(tǒng)壓力正常后，再依次檢查是設(shè)備機械故障或者現(xiàn)場障礙物因素。

放置浮體接力泵。當清淤距離超過機器人有效清淤距離（多為200m，與揚程、管道及輸送介質(zhì)相關(guān)），可以放置浮體式接力泵，加長泵送距離，方便后續(xù)超長距離清淤。

機器人返回。機器人清淤前進距離達到管線長度極限時，機器人需要原路退回，退回之前，機器人在地面控制臺的控制下，取泥螺旋和渣漿泵不停轉(zhuǎn)，機身后退 0.1～0.5m，然后原地空轉(zhuǎn)1～2min，以便讓泥管中的淤泥排空，防止污泥在管中沉積。

重復(fù)循環(huán)。清淤機器人退回到原位后，調(diào)整超聲波測距雷達的距離參數(shù)，將設(shè)定距離增加1.4m，開始相鄰區(qū)域的清淤作業(yè)。

（6）清淤過程中，泥水分離站產(chǎn)生的污水直接從檢查井排到管網(wǎng)中，產(chǎn)生的固態(tài)污泥通過專用車輛運輸?shù)街付ǖ奈勰嗵幚韱挝?，進行下一步處理。

（7）清淤驗收。再次用全地形機器人攜帶的聲納進行全線檢測，確定清淤后的箱涵內(nèi)淤泥層厚度是否達到驗收要求。

2.3 其他技術(shù)要點

2.3.1 通風(fēng)

將原檢查井鋼蓋板更換為格柵井蓋，格柵式井蓋通風(fēng)率不得低于75%，以免影響通風(fēng)效果。同時將風(fēng)機安裝在檢查井井筒內(nèi)，可有效減少因通風(fēng)造成的路面交通打圍，進一步降低影響，風(fēng)機用電采用防水電纜。在風(fēng)機底部設(shè)置三向?qū)Я髌?，可有效減少風(fēng)阻，提高通風(fēng)。

2.3.2 污泥處理

現(xiàn)場污泥采用密閉式罐車外運至臨時性淤泥脫水廠做減量化處理，淤泥在脫水廠經(jīng)過調(diào)節(jié)池，將淤泥抽排到均化池并加入固化劑后，輸送到板框壓濾機內(nèi)脫水處理。污泥脫水后含水率達到40%，脫水污水回流沉淀池經(jīng)過多級沉淀溢流至市政污水管網(wǎng)系統(tǒng)。密封渣土車將脫水泥餅運送到指定消納場地消納處理。

2.3.3 清淤驗收

清淤機器人清淤驗收采用聲吶水下機器人進行檢測，剩余淤泥深度不得超過設(shè)計要求，設(shè)計無要求時，剩余淤泥厚度不得超過1/8 箱涵凈高且不得超過0.2m。

3 應(yīng)用情況

工程難點區(qū)域主要集中在黃孝河暗涵末端，該區(qū)域常年高水位，存在穿越鐵路長距離無法開設(shè)吊物孔等情況，有鑒于此，2022 年6 月，該工程項目指揮部完成本研究成果在該區(qū)域的應(yīng)用，成功打通末端堵點問題，完成清淤方量20 000m3，解決了傳統(tǒng)泵吸式清淤機器人和人工清淤難以解決的行業(yè)痛點問題，取得了良好的社會經(jīng)濟效益和工程示范作用。

通過該技術(shù)清淤方量為12 000m3，涉及產(chǎn)值379 萬元，相較于同類泵吸式機器人，清淤泥漿平均濃度從5%大幅躍升至10%以上，綜合工效提高將近100%，開孔間距從400m 一處提高到800m 一處，開孔措施費成倍壓降，綜合成本累計下降30%以上。

同時，大幅降低了甲烷、硫化氫等易燃易爆或有毒氣體、暴雨倒灌、機械傷害等因素對作業(yè)人員的安全威脅，改善勞動人員的工作環(huán)境，降低勞動強度，大大減少突發(fā)性安全事故的發(fā)生的風(fēng)險；此外，快速實現(xiàn)水環(huán)境黑臭水體的內(nèi)源污染，改善人居環(huán)境，提高居民生活質(zhì)量，保障人民身心健康，促進勞動就業(yè)；最后，通過清淤恢復(fù)暗涵的正常排水功能，保障排水通暢，大大減少了城市內(nèi)澇風(fēng)險，社會效益顯著。

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)人工清淤存在的安全風(fēng)險高、社會影響廣及內(nèi)澇隱患大等清淤難點，以黃孝河機場河流域綜合治理一期項目為研究對象，剖析了高密度建成區(qū)主干排水暗涵清淤存在的重難點，提出了“裝配式預(yù)制通道快速開設(shè)+泵吸式清淤機器人智能清淤”為核心的城市主干排水暗涵低影響安全清淤技術(shù)體系，研究了其技術(shù)操作要點，有效地解決了現(xiàn)有暗涵清淤技術(shù)存在的共性難點，取得了顯著的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。