沉管隧道先鋪碎石基床清淤系統設計思路

馮海暴，尹 剛

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.天津大學 建筑工程學院，天津 300072；3.中交一航局第二工程有限公司，青島 266071；4.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

沉管隧道施工中基礎處理分為先鋪法和后填法兩大類。沉管后填法在施工中存在管節上浮的安全風險、工后差異沉降大、工序復雜施工工期控制難等問題，通常用于規模小、水深淺、自然環境好的沉管隧道工程。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點，影響先鋪法主要因素是回淤環境，無法解決回淤問題將加大先鋪法施工風險。

沉管隧道工法自1910年開始應用至今全世界范圍內建成僅為150多座，而已建成規模較大的沉管隧道僅有2座且都采用了先鋪法。受制于回淤環境條件的難題影響，具有眾多優越性的沉管先鋪法至今無法得到廣泛推廣應用和進步發展，在世界上第一條采用先鋪法施工的大型沉管隧道是2000年建成的厄勒海峽隧道(3 510 m)，第二條沉管隧道為2013年建成的韓國釜山巨濟隧道(3 240 m)，工程海域都不屬于回淤環境，因此實現在不擾動已鋪碎石的前提下實現基床面清淤將會加快先鋪法發展。經調研，現有的水下清淤技術和裝備見表1。

表1 清淤裝備及方法匯總表Tab.1 Summary table of silt dredging equipment and method

在國內外未見任何有關常規條件下沉管隧道碎石基床面高精度清淤裝備和技術的相關研究，通過調研可知，研究開發適用于外海深水條件下，在確保不擾動沉管碎石基床的情況下，實現對基床面高精度快速清除超標回淤物的裝備和技術，難度將非常大。

1 工程概況

圖1 工程縱斷面圖Fig.1 Engineering profile drawing

圖2 技術路線Fig.2 Technical routes

港珠澳大橋是我國繼三峽工程、青藏鐵路、南水北調、西氣東輸、京滬高鐵之后又一重大基礎設施項目，是具有國家戰略意義的世界級超大型跨海通道。其中沉管隧道(含暗埋段)全長5 990 m，每節標準管節重約8萬t，長×寬×高=180 m×37.95 m×11.4 m，設計多種縱坡-3.029%～+2.996%，水深8～50 m，是世界上總長度和斷面尺寸最大、埋深最大的六線行車沉管隧道的代表性工程，也是世界上第一條外海回淤環境條件下采用先鋪法施工綜合難度最大的沉管隧道工程，沉管隧道工程縱斷面示意圖見圖1。

在沉管先鋪法施工技術中，當基床面回淤超過規定標準時，在規定時限內必須快速清除超標回淤物，如無法及時處理則會對工程帶來工期和經濟性風險，甚至導致無法完成工程的施工，將給整個項目帶來極大的風險。因此，研發實現在不擾動先鋪基床碎石的情況下高精度快速清除基床面回淤物，將會突破一定回淤環境影響因素的限制。

2 清淤技術研究思路

2.1 總體方案

該技術主要用于清除沉管碎石基床面的超標回淤物，主要為自然回淤或拋石夯平基礎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基床回淤超過基床回淤標準的情況。結合現有的清淤方法，在外海深水條件下風、浪、流作用下，實現在不擾動已鋪設碎石基床面的條件下實現水下高精度快速清淤，裝備需要滿足母船載體必須在風浪流條件下能夠穩定,可靠的測控系統和清淤監測系統,清淤施工不擾動已鋪設的碎石基床,保持清淤吸口處流場能夠全部均勻覆蓋清淤設定范圍等條件。結合技術條件確定研發思路見圖2。

2.2 清淤系統的載體研究思路

圖3 清淤系統方案圖Fig.3 Schema diagram of dredging system

在系統研發的前期，針對工程試驗段基床回淤采用了氣舉法清淤的方式進行試驗，雖然可以清除一部分基床面的回淤，但從實施效果發現無法實現預期的效果，因此清淤的動力系統需采用清淤泵提供的水動力方式。將碎石基床面回淤沉積物沖刷擾動后吸除至指定區域，但必須保證清淤系統的吸頭不能擾動已經鋪設好的碎石基床。為保障清淤效率和保護已有的碎石基床，清淤吸頭需要盡量貼近碎石基床，但是不能與碎石基床直接接觸，以免損壞鋪設整平好的碎石基床。而且碎石基床各個壟面間還因為隧道坡度原因存在高低差，因此需要高精度控制吸頭標高。

在風浪流條件的影響下，要實現清淤系統的穩定性，必須要有穩定的載體，如在漂浮式母船上安裝清淤系統將無法實現系統的穩定性。研究采用平臺支撐[1]作為清淤系統提供穩定的載體，將清淤管路通過剛性支架傳導至平臺上部，將清除的淤泥排至指定區域或排放至泥駁上便于運輸，在外海風、浪、流作用下可實現清淤系統吸頭部分與基床面保持穩定的距離。清淤系統設計思路見圖3。

2.3 清淤行走方式選擇

對于水下基床清淤方式，分別對“蓋章式”清淤方式和“行走式”連續清淤方式進行了分析研究。

(1)“蓋章式”清淤方式。“蓋章式”清淤方式即將需要清淤的區域根據吸頭的大小分割成N個方格，為了確保清淤時達到預期的效果，通過間歇式“蓋章”清淤，該方式清淤時需要將吸頭停滯，需要循環啟動裝置，不僅使得裝備無法連作業，且會降低裝備的施工效率，因此該方式通過研究分析，不作為該系統的清淤方式的選擇。

(2)“行走式”連續清淤方式。為了避免系統的間歇性清淤操作，通過分析采用“行走式”連續清淤的方式實現裝備的清淤，根據不同的回淤厚度和密度等情況，實時調整清淤系統的行走移動速度，并可利用掃測系統檢測碎石基床頂部回淤物的清除效果。

通過綜合分析，采用行走式連續清淤的方式可以有效提高清淤的工效。

2.4 清淤流速研究

通過清淤系統對基床面沉積的淤泥進行擾動，然后在清淤泵的水動力作用下將淤泥漿吸走實現基床表面的清淤。根據水動力原理，對于清淤系統吸頭距離淤積泥面越近，清淤吸口處的流速越大，對于沉積于碎石基床面的淤泥清除的效果越明顯，但當吸頭距離基床面距離太小、吸口流速太大時，對已經鋪設好的基床碎石在水動力作用下將會被擾動或吸走，因此需要通過研究確定吸頭在清淤時距離碎石基床面的臨界距離和流速等關鍵參數，并得出相應的關系，確保在達到最優工效的同時不擾動碎石基床。該關鍵參數的確定沒有相應的參考資料，需要通過試驗確定。水動力根據不同的邊界條件形成的流場非常復雜，對于清淤系統吸頭在碎石基床面產生的水流速度分布情況，根據現有的多種計算方法比對計算結果偏差較大，因此根據過程施工條件，課題組開展了物模試驗，得出碎石的起動速度。文獻[2-3]中針對港珠澳大橋沉管隧道工程開展了三種類型物模試驗，得出已鋪設基床面碎石顆粒的起動臨界流速值為1.1 m/s，控制啟動流速清淤吸頭處流速不大于1.1 m/s時，可實現清淤系統吸頭處清淤全部覆蓋且不擾動已鋪設碎石基床，根據不同的級配需要重新進行試驗確定。

圖4 清淤系統吸頭流場示意圖Fig．4Sketchofsuctionflowfieldofdredgingsystem圖5 清淤設備吸頭示意圖Fig．5Sketchofdredgingsystemsuction

根據試驗結果的數據和吸頭處的流場情況，可將吸頭設計為文獻[1]中的樣式，見圖5。

3 清淤系統及方法設計思路

3.1 設計關鍵參數

通過分析研究，得出了清淤系統及方法設計的關鍵技術和參數如下：

(1)母船載體：以支撐平臺作為清淤系統的載體母船；(2)清淤方式：“行走式”連續清淤；(3)擾動方式：在清淤過程中通過高壓沖水的方式擾動沉積的淤泥；(4)碎石啟動流速：≤1.1 m/s；同時為清淤裝備配備控制系統、高程測控系統、清淤檢測系統等。

3.2 清淤裝備測試思路

清淤系統安裝完成后，需要進行試驗，測試其功能和清淤效果，設備調試與清淤測試以碎石基床為對象開展。試驗前通過測控系統側掃聲吶結合人工探摸的方式，精確測得試驗碎石壟處的回淤厚度，根據回淤后高程在系統內設定清淤吸頭的初始高度，然后在試驗過程中對泥泵功效進行調節，檢驗試驗效果。清淤試驗之后，通過拋石管聲吶進行檢測，然后利用潛水員水下探摸確認清淤效果。

3.3 清淤施工流程及控制點

(1)清淤試驗施工流程：①裝備進場；②清淤區域掃測；③支撐平臺提升；④清淤施工；⑤高程檢測及驗收。

圖6 操作流程圖Fig.6 Operating flowchart

(2)工藝操作要點：①清淤區域掃測。碎石墊層鋪設完成后，采用多波束進行掃測，如發現異常高點，采用潛水員進行水下探摸確認。根據掃測結果對異常高點處進行定點探摸，探摸確認為異物的，將異物清理出碎石墊層區域；探摸確認為淤泥的，探摸回淤范圍及回淤厚度，超過標準時進行清淤施工；②支撐平臺提升。清淤裝備通過拖運的方式進入隧址處，利用GPS精確定位后開始樁腿的入泥插樁，然后啟動平臺抬升系統，將施工平臺提升至設計高度，此處主要確保平臺清淤施工時避免清淤系統受浪流的作用影響清淤系統的穩定性。該工序施工時要尤其注意樁腿的“穿刺”風險，需要嚴格按照以下操作流程施工(圖6)。平臺抬升時首先判斷整平船工作區地基中是否存在薄硬層，若存在薄硬層，則計算薄硬層的極限承載應力值，并順次執行步驟圖6中的S2-S10；若不存在薄硬層，則順次執行步驟S2、S3、S4、S7、S8、S9、S10，最終平臺壓載應為正常工作載荷應力值的1～1.5倍；③清淤施工。采用定位系統將吸泥管定位至需清淤壟溝上方，下降拋石管緊貼泥面(采用壓力探頭檢測方式)循環清淤至吸泥管底部低于壟頂要求后停止。啟動清淤泵和沖淤水泵分別對吸泥管和沖泥管同時供水，吸泥管主要功能為清除壟溝淤泥，沉積在碎石基床面的淤泥采用射流式擾沙清淤裝備[4]進行擾動起浮，沖淤管還要沖刷壟溝內淤泥，沖淤和吸淤聯合作用，吸口和沖淤口處的流速控制在1.1 m/s，以免超過碎石的啟動流速擾動已鋪設好的碎石基床，該流速值需要根據不同粒徑的石子進行物模試驗確定啟動流速。清淤施工循環進行，同時監控排泥管的流體狀態，直至排泥管中排出清水為止，即判定為該處的淤泥被清除干凈；④高程檢測及驗收。此時啟動聲納掃測壟頂和壟溝淤泥清除情況，采用整平驗收方式進行復測，合格后方可撤離清淤裝備。淤泥清除完成后，通過單波束聲吶、潛水探摸等方式驗收，確認清淤成果。

4 系統的限制條件

該系統的設計思路是以平臺為載體確保清淤系統的穩定性，以吸泥泵為動力系統提供水動力將沉積物從基床表層吸走，為了實現徹底清除沉積，通過沖淤系統將沉積淤泥進行擾動起浮，采用聲吶系統、GPS、人工探摸等方式實現對清淤效果的驗證，關鍵部分為水動力和吸頭部分的流場情況的研究，實現均勻覆蓋吸頭范圍內的淤泥清除，同時可以快速連續行走式清淤是本文的難點。根據文獻[1]的描述該類似平臺式清淤系統的設計思路已經成功設計完成并應用，達到了預期的效果。

但該系統也受制于水深的影響，如果水深太大的情況下樁腿的長度無法滿足支撐平臺時，將會對清淤裝備的穩定性造成一定的影響，同時樁腿的抬升也會受制于空間高度，因此水深和空間高度將會限制裝備的通用性。

在裸露巖石區域清淤施工時，需要在樁腿上加裝樁靴以適應平臺的穩定性，同時確保裝備動載荷載下可以穩定施工。

5 結論及意義

(1)結合基床面清淤技術，提出了一種不擾動基床面的平臺式清淤方法和裝備的設計思路，并給出了需要重點研究的關鍵參數；(2)提出了實現清除基床面回淤物的沖淤和吸淤相結合的方式，研究得出為實現高效施工需采用行走式連續清淤施工的方法；(3)提出了影響基床面清淤施工精度的關鍵因素，給出了清淤平臺提升時防“穿刺”的預控方法；(4)通過研究給出了設備制造完成后的測試方法和關鍵參數，并提出了系統使用的限制性條件，為裝備設計提供了一種新的思路。

該裝備和技術的研發成功和應用意義重大，可有效降低了大型沉管隧道因基床回淤物超過標準對項目造成的經濟、安全和無可預知的風險，使得回淤環境條件下先鋪法沉管隧道施工技術質量風險更好控制，工期更可控，具有很高的推廣應用價值，同時可以推廣應用于回淤強度較大的先鋪基床的清淤工程。

[1]尹剛,孟博,魏杰.碎石基床清淤系統設備研究與應用[J].船舶工程,2016(S1):117-120.

YIN G, MENG B, WEI J. Research and Application of Equipments of Rubble Mattress Dredging System[J]. Ship Engineering, 2016(S1):117-120.

[2]韋杏靜,趙寧,向宏.深海基槽清淤專用吸頭[J].中國港灣建設,2016(1):68-72.

WEI X J, ZHAO N, XIANG H. Special suction head dredging of sea foundation trench [J]. China Harbor Construction, 2016(1):68-72.

[3]林鳴，林巍，劉曉東.日本交通沉管隧道的發展與經驗[J].水道港口,2017(1)：1-7.

LIN M, LIN W, LIU X D. Development and experience of immersed tunnel in Japan[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2017(1)：1-7.

[4]林鳴，梁桁，林巍.沉管密閉腔抬升方法的構想與實踐[J].水道港口,2017(3)：217-222.

LIN M, LIANG H, LIN W. Conception and practice of the seal chamber lifting method of immersed tunnel[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2017(3)：217-222.