沉管碎石基床清淤新方法

張乃受，馮海暴

0 引言

沉管隧道施工工法1910年首次應用于美國鐵路鋼殼底特律河隧道工程，目前國內外已經建成的沉管隧道約150座。對于先鋪法沉管隧道施工技術，基礎多采用帶壟溝碎石墊層，尤其對于外海深水先鋪法沉管隧道施工，受水下回淤環境的影響，回淤成為了先鋪法沉管隧道基礎的一項技術難題[1]。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。根據國內外清淤技術的調研研究可知，基礎清淤多采用接觸式和氣壓控制的方法，如耙吸船工藝[2]，通過離心式泥泵將挖泥耙頭撓松的泥土利用負壓吸入泥艙內，滿艙后起耙，航行至船窩吹填區，該方法主要用于挖泥和基坑的浮泥清除，一般會對帶壟溝的碎石墊層產生擾動，否則將無法實現清淤的目的；港珠澳大橋沉管隧道工程基床的清淤采用了耙吸船初步清淤，碎石基床頂面則采用了平臺式整平船定點清淤的施工方法，雖然該方法基本解決了清淤的問題，但其施工速度較慢，且頻繁插拔樁腿，對基槽邊坡都有較大的影響[3-4]。為了解決上述存在的基床面定點快速清淤的技術難題，結合已經成功應用的“青平2”號整平船的工作思路，采用環保疏浚中成熟應用的螺旋刀頭將沉積淤泥擾動為泥水混合物，沖刷系統再次沖刷壟頂和壟溝殘余淤泥擾動為泥水混合物。清淤泵提供動力，通過已成熟應用在港珠澳沉管碎石基床面的清淤系統吸頭將泥水混合物吸走，實現基床壟頂和壟溝清淤的新方法，實現對沉管基床碎石壟溝頂面的定點精確清淤施工。

1 工程區域回淤情況分析

1.1 回淤分析

本文研究依托深圳至中山跨江通道工程，該項目是連接珠江口東、西兩岸深圳和中山兩市的一條跨越珠江口內伶仃洋的通道，直接連接深圳經濟特區與中山市，位于虎門大橋下游約28 km，距離港珠澳大橋上游約31 km，基本處于兩通道的中間位置。根據隧道區域地質結構和基槽回淤觀測試驗數據，觀測周期內（2016-05-31—2017-05-10），試挖槽槽底累計回淤厚度達3.21 m，回淤強度為0.9 cm/d。2016-05-31—09-25（洪季），試挖槽底呈持續回淤狀態，累計回淤厚度2.94 m，扣除臺風影響的累計厚度為2.26 m，回淤強度為1.9 cm/d。2016-09-25—11-15，試挖槽槽底出現密實現象，累計回淤厚度為-0.16 m，回淤強度為-0.3 cm/d；2016-11-15—2017-05-10（枯季），試挖槽槽底累計回淤厚度為0.43 m，回淤強度為0.2 cm/d。

2016-07-20—23，試挖槽槽底回淤厚度為0.48 m，回淤強度為16.0 cm/d，回淤異常，主要是因為大潮期間，槽內本身的淤積強度比較大，再加上北邊坡部分淤積物隨水流沖刷進入槽底，導致試挖槽內出現異常淤積。2016-07-28—08-03，槽底回淤厚度為0.68 m，回淤強度為11.3 cm/d，主要是因為期間2016年4號臺風“妮妲”正面襲擊，北邊坡和東邊坡發生局部塌落，同時槽底淤積強度比較大，導致試挖槽內出現異常淤積；而2016年14號臺風“莫蘭蒂”、14號臺風“海馬”未正面襲擊，對應觀測期間的回淤強度分別為1.6 cm/d、-1.2 cm/d，回淤無顯著影響。基槽開挖后，基槽回淤沿軸線呈帶狀分布，槽底淤積厚度較大，呈“中間大、兩端小”的分布特點，基槽南北兩側灘面有一定的沖刷。天科所計算結果為洪季15 d，基槽內平均淤厚0.37 m（容重1.26 kg/L，下同），基槽最大淤厚為0.58 m，位于K8里程位置附近；在枯季時，基槽淤積分布與洪季相同，基槽內平均淤厚0.10 m，基槽最大淤厚為0.15 m，位于K8里程位置附近。南科院計算結果為洪季15 d基槽平均淤厚0.35 m、最大淤厚為0.46 m，枯季15 d槽底平均淤厚0.08 m、最大淤厚0.10 m，一個水文年的平均淤厚3.08 m、最大淤厚3.89 m，出現在礬石水道東側1.5 km處。

1.2 清淤技術標準

結合現有的工程清淤標準，本次研究也采用標高和槽底泥水混合物密度進行雙控，對于基床的回淤物的標準按已有的標準進行控制，見表1。

表1 回淤質檢測及清除標準Table 1 Detection and clearance standard of siltation

2 清淤方法研究

在基床鋪設前，基槽精挖后拋石夯平前、拋石夯平后兩種工況，均可以采用類似工程耙吸船成熟的清淤方法，可以有效、快速地對邊坡和基槽進行整體清淤；在碎石鋪設完成后，自然回淤或拋石夯平基礎縫隙中殘留淤泥被擠出形成的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，尤其是洪季和特殊情況發生時，高效、高質量的完成清淤，關系到沉管安裝能否順利實施。本文針對的主要清淤難題，是在沉管碎石基床鋪設完成后，在沉管沉放前階段，出現基床回淤時所采用的方法，結合已成功應用的“青平2號”整平船和成熟螺旋刀頭疏浚相結合，能夠快速清除碎石整平后的壟頂和壟溝淤泥，并具有對碎石頂面驗收的功能。

2.1 清淤母船

清淤施工時，海上的船舶受風浪流條件的影響，若要實現清淤系統的穩定性，則需要采用一種穩定的平臺載體或清淤系統在水下實現獨立的方式，采用平臺方式則需要樁腿的支撐，對于施工速度和邊坡均有一定的影響，而采用漂浮式母船和清淤系統相對獨立的方式較為可靠，因此選取以“青平2號”整平船作為清淤裝備的母船，設計清淤船由工作母船和整平機兩部分組成，工作母船是清淤系統的載體和工作基站。母船屬于“井”字形平面結構，一次駐位有效清淤面積28 m×17.2 m，可一次性清除碎石基床面回淤，集碎石基床清淤、實時監測和質量檢測于一體，作業水深可以達45 m（由整平機上的測量塔高度控制，可以改造適應更深水域），總體結構見圖1。

圖1 清淤母船總體方案圖Fig.1 Overall plan map of the desilting mother ship

2.2 清淤系統

清淤系統采用疏浚設備的螺旋刀頭與清淤泵的組合體，螺旋刀頭主要采用了其攪拌的功能，將位于基床上的回淤物擾動為泥水混合物，從而利于清淤泵將泥水混合物清除出施工區域。當其旋轉并向前移動時，疏浚物質會不斷地被卷起并輸送到護罩中心的泵入口。

清淤吸頭示意圖見圖2。

圖2 清淤吸頭示意圖Fig.2 Sketch map of desilting suction head

該清淤吸頭可適用于液壓和電力驅動，單泵輸送距離可達1 000 m以上，通過粒徑可達200 mm，在限制污染物的再懸浮和遷徙上非常成熟，去除泥沙的能力一次通過層厚達40 cm，同時具有隔離不同程度污染的能力。清淤吸頭的高程控制采用出水的測量塔，測斜儀控制四腳的高差，可以實現縱坡調整，清淤定位精度控制在±4 cm，滿足碎石頂部標高的精度，同時也可實現清淤后碎石頂面的高程驗收。螺旋刀頭/潛水泵組合固定在整平機的行走臺車的一側，可以實現面積28 m×17.2 m范圍內頂面清淤；行走臺車另一側，安裝專用清淤裝置，實現碎石基床清淤，見圖3。

圖3 清淤施工示意圖Fig.3 Schematic diagram of desilting construction

螺旋刀頭和疏浚泵裝在移動臺車的前側，總共3套，負責清除表面淤泥，清淤厚度為40 cm（±5 cm）。清淤吸泥泵放置在移動臺車的后側，共7套，入泥面10 cm，帶射水功能，負責清除壟溝內的淤泥。所有清淤裝置均在框架內進行作業，一次可以清除碎石基礎表面和壟溝內的淤泥，充分利用測控系統對碎石頂面進行高精度控制和測量驗收。

3 清淤施工方法

清淤專用船作為主要清淤裝置進行碎石頂面的清淤。可以一次性實現碎石基礎表面和壟溝清淤，且具有對碎石基礎頂面清淤后的驗收功能，主要施工流程包括母船定位、清淤系統入水定位、基礎清淤、清淤監控和檢測、清淤船撤離等主要施工工序，主要工序操作控制如下：

多波束掃測→潛水探摸→清淤專用船定位→清淤系統水下定位→基礎清淤→清淤驗收→設備撤場→基床驗收。

3.1 施工前準備

碎石墊層鋪設共分4個船位，到第3船位完成時，對已鋪設完成墊層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。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，確定回淤范圍及回淤厚度，決策進行清淤。

3.2 母船定位

清淤船通過拖輪拖帶進場駐位，采用錨系絞移和船帶GPS（北斗定位系統）的方式實現精確就位，一次駐位中心位于距已經完成沉管80 m處，兩次駐位即可完成單個管節基礎的清淤施工，將沉管碎石基床清淤船由拖輪拖至施工現場作業水域，拋錨定位，根據施工區域GPS或北斗坐標及安裝在測量塔架和船體上的GPS測量裝置返回的數據指令，調整船體位置進行精確定位[5]。

3.3 清淤系統入水定位

清淤系統采用水下定位框架，框架上設有淤泥擾動系統、清淤系統、壓載水調節系統、測控系統、測量塔定位系統等。清淤系統對基床的壓力和精確就位，關系到對碎石基床的擾動程度，現有清淤系統的底部采用橫梁的方式，減小對基床的壓力。清淤系統在就位前通過對框架內壓排水實現框架對基床的壓力P＜1.75 kN/m2（沉管對基床的壓力）。清淤系統通過清淤船提升系統實現對框架的收放，清淤系統上設有雙測量塔，利用位于測控塔頂的GPS（北斗定位系統）實現清淤系統的縱向和橫向調節，確保清淤系統準確就位。準備就緒后，解開鎖固裝置，由母船提升絞車將清淤系統精確沉放至距離基床2 m處，結合GPS或北斗定位系統，按照水下監測系統指令調整框架姿態與基床坡度保持一致，然后繼續沉放至基床頂部預定位置。通過清淤系統上的壓力傳感器和壓載水系統，調節清淤系統在基床上的壓力小于沉管對基床的壓力，確保清淤系統不擾動基床。

3.4 基礎清淤

通過管理控制系統，慢慢將移動臺車定位至需清淤壟溝和壟頂上方，下降螺旋刀頭進入淤泥清淤，控制好平面位置和高程以及縱向坡度，移動臺車沿基礎軸線方向進行移動，開啟螺旋刀頭在臺車前方清除表面淤泥，同時啟動清淤吸泥泵在臺車后側清除壟溝內淤泥[6]。碎石基礎頂面和壟溝內的清淤一次性完成，測控系統實時監測清淤效果。一次淤泥清除完成后，通過清淤船自帶掃測方式進行驗收，合格后轉入下一船位。進行清淤船再駐位，由母船提升絞車將清淤系統提升至離基床約3 m高度，將清淤船按照下一個清淤位置坐標定位后，再將清淤船放于基床上，調整為作業狀態，繼續作業。

3.5 清淤船撤離

整節沉管基礎范圍內全部完成后復測單波束聲吶、潛水探摸等方式驗收，確認清淤成果。聲吶掃測壟頂和壟溝淤泥清除情況[7]，合格后由母船提升清淤系統至預定位置鎖固，即進行避風、檢修或轉場。

3.6 清淤工效分析

一個標準管節基礎，整平船4次駐位共4個船位完成，清淤專用船2次駐位完成，其中清淤系統尺寸為17.2 m×28 m[8]，沿寬度方向2次定位，順長度方向9次定位，共18個循環。按照船舶精確定位30 min，清淤系統下水40 min（水深35 m），整平機姿態調整20 min，清淤作業30 min，碎石頂面驗收20 min，整個清淤單個循環共140 min，18個循環共需42 h。在2 d內可以完成一個深中通道單個標準管節的清淤作業。

該系統的設計思路是以漂浮式母船為載體，與清淤系統形成兩個獨立體，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，該工藝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，同時可快速連續清淤。

4 結語

在綜合分析研究國內外沉管清淤施工方法的基礎上，提出了新型基礎清淤方法和裝備，對其關鍵的清淤方法和參數進行了分析研究，得出如下結論：

1）碎石基床整平時間一般為7 d左右，在碎石基床整平完成后即開展沉管浮運安裝施工作業，正常施工從基礎整平作業開始至沉管著床期間一般不大于10 d。因此，正常工況枯季條件下（小淤），碎石頂面清淤工作不會發生。

2）發生特殊工況條件下，整平船在第3個船位整平時，出現回淤情況如洪季（中淤），立即投入專用清淤船進行作業，即可滿足清淤施工要求。

3）發生極特殊工況條件下，整平船在第3個船位整平時，出現回淤特別嚴重的情況如臺風（大淤），整平船撤場，已經完成的基礎挖除重鋪是最有效的方法。

本方案采用的清淤專用船在正常工況條件下為備用措施，且采用現有的船舶和成熟的清淤裝備，不會對工程造價產生特殊的影響。