沉管隧道碎石基床納淤能力

魏紅波，宋江偉

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266001）

0 引言

為支持粵港澳大灣區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，國(guó)務(wù)院批復(fù)建設(shè)現(xiàn)代綜合運(yùn)輸體系中的重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目——深中通道項(xiàng)目。擬建項(xiàng)目地理位置比較特殊，東起東人工島（機(jī)場(chǎng)互通）、橫跨礬石水道、西人工島、伶仃航道、橫門東航道，在中山市翠亨新區(qū)馬鞍島上岸，終于橫門互通。由于擬建隧道位于礬石水道下方，并且處于珠江入海口位置，水流會(huì)夾雜大量泥沙，沉積回淤量較大。

深中通道總指揮部以及業(yè)主單位于2016年6月—2017年5月，在礬石水道東側(cè)淺灘開展為期1 a的試挖槽回淤觀測(cè)[1]。1 a槽底總淤厚3.21 m，平均淤?gòu)?qiáng)0.9 m/a。洪季（6—9月份）平均淤?gòu)?qiáng)2.0 cm/d，枯季平均淤?gòu)?qiáng)為0.2 cm/d。由于洪季淤積相對(duì)較大，需要了解不同碎石基床的納淤能力，利于深入研究先鋪法在深中通道的可行性。2017年7月15日在深中通道隧址完成試挖槽的開挖，在槽內(nèi)開展碎石基床鋪設(shè)及采用回淤盒、潛水探摸、多波束等方法進(jìn)行回淤監(jiān)測(cè)，研究碎石基床的納淤能力。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及目的

本試驗(yàn)內(nèi)容主要包括試挖槽內(nèi)碎石基床整平和回淤監(jiān)測(cè)[2-3]。

1.1 碎石基床整平

1）鋪設(shè)0.6 m厚滿鋪層，相當(dāng)于拋石夯平層，作為基礎(chǔ)底層；

2）鋪設(shè)4個(gè)船位碎石基床，碎石基床厚度1.0 m，具體施工高程根據(jù)試挖槽實(shí)際挖深進(jìn)行確定，第1船位碎石采用2～4 cm碎石，第2和第3船位采用5～6 cm碎石，第四船位采用2～6 cm碎石。

1.2 回淤監(jiān)測(cè)

1）在碎石壟頂放置回淤盒，通過回淤盒與成層淤積值的對(duì)比了解回淤?gòu)?qiáng)度；

2）采用潛水進(jìn)行碎石基床水下探摸并錄像了解回淤?gòu)?qiáng)度；

3）采用多波束進(jìn)行基槽和壟面回淤監(jiān)測(cè)及邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

1.3 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過在深中通道隧址試挖槽內(nèi)鋪設(shè)不同粒徑足尺碎石基床，并進(jìn)行為期1個(gè)月的回淤監(jiān)測(cè)，進(jìn)而研究分析基槽回淤?gòu)?qiáng)度、碎石基床的納淤能力以及整平船插樁對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響等，對(duì)后期墊層方案的設(shè)計(jì)及施工、沉管浮運(yùn)安裝窗口的選擇具有很大的指導(dǎo)意義。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試挖槽概況

試挖槽選擇在深中通道隧址軸線位置，試挖槽底槽起止樁號(hào)為K9+979—K10+129，試挖槽平面布置示意圖如圖1所示。

圖1 試挖槽平面位置示意圖Fig.1 Planeposition schematic of the test trench

試挖槽為槽底平面尺寸50 m×150 m的矩形深坑，底部高程-20 m，南北方向坡面分別采用1∶5、1∶7的坡率，東西方向采用1∶10坡率，原泥面高程平均約為-5 m。試挖槽及多波束掃測(cè)三維效果圖見圖2。

圖2 試挖槽及多波束掃測(cè)三維效果圖Fig.2 Three-dimensional renderings of thetest trench and the multibeam scanning

根據(jù)實(shí)際開挖經(jīng)驗(yàn)，試挖槽剛成槽時(shí)，部分邊坡尚不穩(wěn)定，受海流沖刷會(huì)造成基槽回淤?gòu)?qiáng)度變大。因此試挖槽成槽并采用耙吸船清淤后靜置1周再開展碎石基床納淤試驗(yàn)。

2.2 碎石基床鋪設(shè)

2.2.1 整平船進(jìn)場(chǎng)

本次試驗(yàn)的碎石基床鋪設(shè)采用大型專用平臺(tái)式整平船。整平船進(jìn)場(chǎng)前，首先要在穩(wěn)定的控制點(diǎn)采用全站儀對(duì)整平船平面和高程系統(tǒng)進(jìn)行校核。整平船進(jìn)入試挖槽區(qū)域后對(duì)整平船各系統(tǒng)GPS參數(shù)進(jìn)行改正，并采用RTK比對(duì)法進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)整平船平面及高程系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

2.2.2 基床鋪設(shè)

1）碎石壟設(shè)計(jì)

在試挖槽中布置4個(gè)船位的碎石基床，碎石基床均分2層進(jìn)行整平，每個(gè)船位8條碎石壟。西側(cè)的2個(gè)船位碎石基床底層和頂層厚度分別為0.6 m和0.4 m，壟頂寬度為1.8 m，壟溝寬度為1.2 m，壟溝深度0.4 m。東側(cè)2個(gè)船位碎石基床底層和頂層厚度分別為0.7 m和0.3 m，壟頂寬度為1.8 m，壟溝寬度為1.07 m，壟溝深度0.357 m。碎石壟長(zhǎng)度均為42 m。

2）碎石基床整平

碎石基床整平順序由西向東。碎石基床整平完成后，分別采用整平船聲吶及多波束進(jìn)行驗(yàn)收，此高程作為回淤監(jiān)測(cè)基面高程。

滿鋪段鋪設(shè)速度控制在1.0～1.5 m/min之間，第1層鋪設(shè)速度控制在1.5～1.8 m/min，第2層鋪設(shè)速度控制在1.5～2.0 m/min。

3 回淤監(jiān)測(cè)方法

3.1 回淤盒監(jiān)測(cè)

待整平船移船至第3船位后，在第1船位碎石基床第3條碎石壟壟頂中部放置6個(gè)回淤盒，回淤盒底面直接放置在壟頂上（壟溝中無(wú)法放置回淤盒，如在壟中挖坑放置會(huì)破壞碎石壟），分別編號(hào)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)。回淤盒取放順序，如表1所示。

3.2 多波束監(jiān)測(cè)

試挖槽開挖后，第3天、第7天、整平前7天、整平前對(duì)試挖槽及邊坡外100 m區(qū)域進(jìn)行多波束掃測(cè)。整平船進(jìn)場(chǎng)后，每天對(duì)試挖槽邊坡及槽底可掃測(cè)區(qū)域進(jìn)行掃測(cè)，每周2次對(duì)試挖槽邊坡外100 m區(qū)域進(jìn)行掃測(cè)。碎石基床鋪設(shè)后，每天對(duì)已完成的碎石墊層及邊坡進(jìn)行掃測(cè)[4-5]。

3.3 潛水探摸

為更直觀確定回淤厚度，潛水員攜帶測(cè)量尺直接測(cè)量壟頂回淤厚度，根據(jù)港珠澳大橋碎石基床整平后探摸施工經(jīng)驗(yàn)，探摸頻次為每2 d 1次，探摸路線示意圖如圖3所示。探摸頻次根據(jù)多波束掃測(cè)情況和天氣及海況情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖3 探摸線路示意圖Fig.3 Schematic diagram of explored line

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 基槽回淤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本次試驗(yàn)選取試挖槽底部西側(cè)25 m未施工區(qū)域進(jìn)行基槽回淤數(shù)據(jù)分析，用HYPACK2011軟件[6]對(duì)每次掃測(cè)數(shù)據(jù)同上次掃測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，每1 m×1 m選取1點(diǎn)，具體回淤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2所示。

臺(tái)風(fēng)“天鴿”影響前，8月5—8日回淤厚度8.7 cm，平均淤?gòu)?qiáng)達(dá)2.9 cm/d，應(yīng)與8月6—7日期間碎石基床整平擠淤導(dǎo)致短期回淤明顯增大有關(guān)；8月8—21日期間的回淤厚度約為12.4 cm，回淤?gòu)?qiáng)度約為1.0 cm/d。臺(tái)風(fēng)“天鴿”影響期間，8月21—23日回淤厚度約為18.7 cm，回淤?gòu)?qiáng)度約為6.2 cm/d。臺(tái)風(fēng)“帕卡”經(jīng)過時(shí)，回淤?gòu)?qiáng)度沒有明顯增大。

碎石基床8月5—30日期間，回淤總厚度約為38.1 cm，平均淤?gòu)?qiáng)約為1.5 cm/d。

4.2 基床納淤能力分析

在自然回淤條件下，自碎石基床鋪設(shè)完成后至基床頂面回淤物超過沉管安裝回淤物控制標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)定義為碎石基床的極限納淤天數(shù)，極限納淤天數(shù)對(duì)應(yīng)的回淤厚度（槽底部西側(cè)25 m多波束測(cè)量數(shù)據(jù)或基床頂部回淤盒數(shù)據(jù)）減去基床上實(shí)際回淤厚度即為碎石基床的極限納淤厚度。各個(gè)碎石基床極限納淤天數(shù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。各個(gè)碎石基床的極限納淤厚度如表4所示。

表2 回淤?gòu)?qiáng)度統(tǒng)計(jì)表Table2 Back silting strength statistics

表3 碎石基床極限納淤天數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of thelimit silting daysin the gravel bed

表4 碎石基床極限納淤厚度統(tǒng)計(jì)Table4 Statisticsof the limit silting thicknessin the gravel bed

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)試挖槽4個(gè)船位碎石基床為期約1個(gè)月的回淤觀測(cè)結(jié)果分析可知，不受臺(tái)風(fēng)天氣影響時(shí)，基床面回淤?gòu)?qiáng)度基本穩(wěn)定，受臺(tái)風(fēng)天氣影響期間，回淤?gòu)?qiáng)度增大，對(duì)碎石基床極限納淤天數(shù)統(tǒng)計(jì)造成一定誤差。

回淤監(jiān)測(cè)期間試挖槽邊坡保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的沖刷滑塌。整平船插拔樁過程中，試挖槽邊坡穩(wěn)定無(wú)塌坡現(xiàn)象。2～4 cm粒徑碎石基床的納淤厚度8～13 cm，納淤能力相對(duì)較差；2～6 cm和5～6 cm粒徑碎石基床的納淤厚度均超過20 cm，納淤能力相對(duì)較好。在臺(tái)風(fēng)“天鴿”影響下，4號(hào)基床（碎石粒徑2～6 cm）納淤能力仍能滿足要求。在現(xiàn)狀水沙條件下，4種碎石基床的納淤能力均超過13 d。

港珠澳大橋島隧工程沉管安裝回淤物控制標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)碎石基床上密度＞1.26 g/cm3的回淤沉積物厚超過4 cm；或者密度＞1.15 g/cm3的回淤沉積物厚超過8 cm時(shí)不滿足沉放要求，需要進(jìn)行清淤。若按此標(biāo)準(zhǔn)分析，先鋪法碎石基床在深中通道作為沉管基礎(chǔ)是可行的，碎石基床納淤厚度及納淤天數(shù)能夠滿足沉管安裝窗口周期的要求。