沉管隧道先鋪碎石基床清淤系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

馮海暴，尹 剛

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)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(tuán))股份有限公司，上海 200125)

沉管隧道施工中基礎(chǔ)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(jié)上浮的安全風(fēng)險(xiǎn)、工后差異沉降大、工序復(fù)雜施工工期控制難等問(wèn)題，通常用于規(guī)模小、水深淺、自然環(huán)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(yōu)點(diǎn)，影響先鋪法主要因素是回淤環(huán)境，無(wú)法解決回淤問(wèn)題將加大先鋪法施工風(fēng)險(xiǎn)。

沉管隧道工法自1910年開(kāi)始應(yīng)用至今全世界范圍內(nèi)建成僅為150多座，而已建成規(guī)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(huán)境條件的難題影響，具有眾多優(yōu)越性的沉管先鋪法至今無(wú)法得到廣泛推廣應(yīng)用和進(jìn)步發(fā)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(guó)釜山巨濟(jì)隧道(3 240 m)，工程海域都不屬于回淤環(huán)境，因此實(shí)現(xiàn)在不擾動(dòng)已鋪碎石的前提下實(shí)現(xiàn)基床面清淤將會(huì)加快先鋪法發(fā)展。經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)有的水下清淤技術(shù)和裝備見(jiàn)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(guó)內(nèi)外未見(jiàn)任何有關(guān)常規(guī)條件下沉管隧道碎石基床面高精度清淤裝備和技術(shù)的相關(guān)研究，通過(guò)調(diào)研可知，研究開(kāi)發(fā)適用于外海深水條件下，在確保不擾動(dòng)沉管碎石基床的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)基床面高精度快速清除超標(biāo)回淤物的裝備和技術(shù)，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(shù)路線Fig.2 Technical routes

港珠澳大橋是我國(guó)繼三峽工程、青藏鐵路、南水北調(diào)、西氣東輸、京滬高鐵之后又一重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，是具有國(guó)家戰(zhàn)略意義的世界級(jí)超大型跨海通道。其中沉管隧道(含暗埋段)全長(zhǎng)5 990 m，每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)重約8萬(wàn)t，長(zhǎng)×寬×高=180 m×37.95 m×11.4 m，設(shè)計(jì)多種縱坡-3.029%～+2.996%，水深8～50 m，是世界上總長(zhǎng)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?；赜侪h(huán)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(jiàn)圖1。

在沉管先鋪法施工技術(shù)中，當(dāng)基床面回淤超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在規(guī)定時(shí)限內(nèi)必須快速清除超標(biāo)回淤物，如無(wú)法及時(shí)處理則會(huì)對(duì)工程帶來(lái)工期和經(jīng)濟(jì)性風(fēng)險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致無(wú)法完成工程的施工，將給整個(gè)項(xiàng)目帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研發(fā)實(shí)現(xiàn)在不擾動(dòng)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(huì)突破一定回淤環(huán)境影響因素的限制。

2 清淤技術(shù)研究思路

2.1 總體方案

該技術(shù)主要用于清除沉管碎石基床面的超標(biāo)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基床回淤超過(guò)基床回淤標(biāo)準(zhǔn)的情況。結(jié)合現(xiàn)有的清淤方法，在外海深水條件下風(fēng)、浪、流作用下，實(shí)現(xiàn)在不擾動(dòng)已鋪設(shè)碎石基床面的條件下實(shí)現(xiàn)水下高精度快速清淤，裝備需要滿足母船載體必須在風(fēng)浪流條件下能夠穩(wěn)定,可靠的測(cè)控系統(tǒng)和清淤監(jiān)測(cè)系統(tǒng),清淤施工不擾動(dòng)已鋪設(shè)的碎石基床,保持清淤吸口處流場(chǎng)能夠全部均勻覆蓋清淤設(shè)定范圍等條件。結(jié)合技術(shù)條件確定研發(fā)思路見(jiàn)圖2。

2.2 清淤系統(tǒng)的載體研究思路

圖3 清淤系統(tǒng)方案圖Fig.3 Schema diagram of dredging system

在系統(tǒng)研發(fā)的前期，針對(duì)工程試驗(yàn)段基床回淤采用了氣舉法清淤的方式進(jìn)行試驗(yàn)，雖然可以清除一部分基床面的回淤，但從實(shí)施效果發(fā)現(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，因此清淤的動(dòng)力系統(tǒng)需采用清淤泵提供的水動(dòng)力方式。將碎石基床面回淤沉積物沖刷擾動(dòng)后吸除至指定區(qū)域，但必須保證清淤系統(tǒng)的吸頭不能擾動(dòng)已經(jīng)鋪設(shè)好的碎石基床。為保障清淤效率和保護(hù)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(shè)整平好的碎石基床。而且碎石基床各個(gè)壟面間還因?yàn)樗淼榔露仍虼嬖诟叩筒睿虼诵枰呔瓤刂莆^標(biāo)高。

在風(fēng)浪流條件的影響下，要實(shí)現(xiàn)清淤系統(tǒng)的穩(wěn)定性，必須要有穩(wěn)定的載體，如在漂浮式母船上安裝清淤系統(tǒng)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。研究采用平臺(tái)支撐[1]作為清淤系統(tǒng)提供穩(wěn)定的載體，將清淤管路通過(guò)剛性支架傳導(dǎo)至平臺(tái)上部，將清除的淤泥排至指定區(qū)域或排放至泥駁上便于運(yùn)輸，在外海風(fēng)、浪、流作用下可實(shí)現(xiàn)清淤系統(tǒng)吸頭部分與基床面保持穩(wěn)定的距離。清淤系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路見(jiàn)圖3。

2.3 清淤行走方式選擇

對(duì)于水下基床清淤方式，分別對(duì)“蓋章式”清淤方式和“行走式”連續(xù)清淤方式進(jìn)行了分析研究。

(1)“蓋章式”清淤方式?！吧w章式”清淤方式即將需要清淤的區(qū)域根據(jù)吸頭的大小分割成N個(gè)方格，為了確保清淤時(shí)達(dá)到預(yù)期的效果，通過(guò)間歇式“蓋章”清淤，該方式清淤時(shí)需要將吸頭停滯，需要循環(huán)啟動(dòng)裝置，不僅使得裝備無(wú)法連作業(yè)，且會(huì)降低裝備的施工效率，因此該方式通過(guò)研究分析，不作為該系統(tǒng)的清淤方式的選擇。

(2)“行走式”連續(xù)清淤方式。為了避免系統(tǒng)的間歇性清淤操作，通過(guò)分析采用“行走式”連續(xù)清淤的方式實(shí)現(xiàn)裝備的清淤，根據(jù)不同的回淤厚度和密度等情況，實(shí)時(shí)調(diào)整清淤系統(tǒng)的行走移動(dòng)速度，并可利用掃測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)碎石基床頂部回淤物的清除效果。

通過(guò)綜合分析，采用行走式連續(xù)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(guò)清淤系統(tǒng)對(duì)基床面沉積的淤泥進(jìn)行擾動(dòng)，然后在清淤泵的水動(dòng)力作用下將淤泥漿吸走實(shí)現(xiàn)基床表面的清淤。根據(jù)水動(dòng)力原理，對(duì)于清淤系統(tǒng)吸頭距離淤積泥面越近，清淤吸口處的流速越大，對(duì)于沉積于碎石基床面的淤泥清除的效果越明顯，但當(dāng)吸頭距離基床面距離太小、吸口流速太大時(shí)，對(duì)已經(jīng)鋪設(shè)好的基床碎石在水動(dòng)力作用下將會(huì)被擾動(dòng)或吸走，因此需要通過(guò)研究確定吸頭在清淤時(shí)距離碎石基床面的臨界距離和流速等關(guān)鍵參數(shù)，并得出相應(yīng)的關(guān)系，確保在達(dá)到最優(yōu)工效的同時(shí)不擾動(dòng)碎石基床。該關(guān)鍵參數(shù)的確定沒(méi)有相應(yīng)的參考資料，需要通過(guò)試驗(yàn)確定。水動(dòng)力根據(jù)不同的邊界條件形成的流場(chǎng)非常復(fù)雜，對(duì)于清淤系統(tǒng)吸頭在碎石基床面產(chǎn)生的水流速度分布情況，根據(jù)現(xiàn)有的多種計(jì)算方法比對(duì)計(jì)算結(jié)果偏差較大，因此根據(jù)過(guò)程施工條件，課題組開(kāi)展了物模試驗(yàn)，得出碎石的起動(dòng)速度。文獻(xiàn)[2-3]中針對(duì)港珠澳大橋沉管隧道工程開(kāi)展了三種類型物模試驗(yàn)，得出已鋪設(shè)基床面碎石顆粒的起動(dòng)臨界流速值為1.1 m/s，控制啟動(dòng)流速清淤吸頭處流速不大于1.1 m/s時(shí)，可實(shí)現(xiàn)清淤系統(tǒng)吸頭處清淤全部覆蓋且不擾動(dòng)已鋪設(shè)碎石基床，根據(jù)不同的級(jí)配需要重新進(jìn)行試驗(yàn)確定。

圖4 清淤系統(tǒng)吸頭流場(chǎng)示意圖Fig．4Sketchofsuctionflowfieldofdredgingsystem圖5 清淤設(shè)備吸頭示意圖Fig．5Sketchofdredgingsystemsuction

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)和吸頭處的流場(chǎng)情況，可將吸頭設(shè)計(jì)為文獻(xiàn)[1]中的樣式，見(jiàn)圖5。

3 清淤系統(tǒng)及方法設(shè)計(jì)思路

3.1 設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)

通過(guò)分析研究，得出了清淤系統(tǒng)及方法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)如下：

(1)母船載體：以支撐平臺(tái)作為清淤系統(tǒng)的載體母船；(2)清淤方式：“行走式”連續(xù)清淤；(3)擾動(dòng)方式：在清淤過(guò)程中通過(guò)高壓沖水的方式擾動(dòng)沉積的淤泥；(4)碎石啟動(dòng)流速：≤1.1 m/s；同時(shí)為清淤裝備配備控制系統(tǒng)、高程測(cè)控系統(tǒng)、清淤檢測(cè)系統(tǒng)等。

3.2 清淤裝備測(cè)試思路

清淤系統(tǒng)安裝完成后，需要進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試其功能和清淤效果，設(shè)備調(diào)試與清淤測(cè)試以碎石基床為對(duì)象開(kāi)展。試驗(yàn)前通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)側(cè)掃聲吶結(jié)合人工探摸的方式，精確測(cè)得試驗(yàn)碎石壟處的回淤厚度，根據(jù)回淤后高程在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定清淤吸頭的初始高度，然后在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)泥泵功效進(jìn)行調(diào)節(jié)，檢驗(yàn)試驗(yàn)效果。清淤試驗(yàn)之后，通過(guò)拋石管聲吶進(jìn)行檢測(cè)，然后利用潛水員水下探摸確認(rèn)清淤效果。

3.3 清淤施工流程及控制點(diǎn)

(1)清淤試驗(yàn)施工流程：①裝備進(jìn)場(chǎng)；②清淤區(qū)域掃測(cè)；③支撐平臺(tái)提升；④清淤施工；⑤高程檢測(cè)及驗(yàn)收。

圖6 操作流程圖Fig.6 Operating flowchart

(2)工藝操作要點(diǎn)：①清淤區(qū)域掃測(cè)。碎石墊層鋪設(shè)完成后，采用多波束進(jìn)行掃測(cè)，如發(fā)現(xiàn)異常高點(diǎn)，采用潛水員進(jìn)行水下探摸確認(rèn)。根據(jù)掃測(cè)結(jié)果對(duì)異常高點(diǎn)處進(jìn)行定點(diǎn)探摸，探摸確認(rèn)為異物的，將異物清理出碎石墊層區(qū)域；探摸確認(rèn)為淤泥的，探摸回淤范圍及回淤厚度，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行清淤施工；②支撐平臺(tái)提升。清淤裝備通過(guò)拖運(yùn)的方式進(jìn)入隧址處，利用GPS精確定位后開(kāi)始樁腿的入泥插樁，然后啟動(dòng)平臺(tái)抬升系統(tǒng)，將施工平臺(tái)提升至設(shè)計(jì)高度，此處主要確保平臺(tái)清淤施工時(shí)避免清淤系統(tǒng)受浪流的作用影響清淤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該工序施工時(shí)要尤其注意樁腿的“穿刺”風(fēng)險(xiǎn)，需要嚴(yán)格按照以下操作流程施工(圖6)。平臺(tái)抬升時(shí)首先判斷整平船工作區(qū)地基中是否存在薄硬層，若存在薄硬層，則計(jì)算薄硬層的極限承載應(yīng)力值，并順次執(zhí)行步驟圖6中的S2-S10；若不存在薄硬層，則順次執(zhí)行步驟S2、S3、S4、S7、S8、S9、S10，最終平臺(tái)壓載應(yīng)為正常工作載荷應(yīng)力值的1～1.5倍；③清淤施工。采用定位系統(tǒng)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(cè)方式)循環(huán)清淤至吸泥管底部低于壟頂要求后停止。啟動(dòng)清淤泵和沖淤水泵分別對(duì)吸泥管和沖泥管同時(shí)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(jìn)行擾動(dòng)起浮，沖淤管還要沖刷壟溝內(nèi)淤泥，沖淤和吸淤聯(lián)合作用，吸口和沖淤口處的流速控制在1.1 m/s，以免超過(guò)碎石的啟動(dòng)流速擾動(dòng)已鋪設(shè)好的碎石基床，該流速值需要根據(jù)不同粒徑的石子進(jìn)行物模試驗(yàn)確定啟動(dòng)流速。清淤施工循環(huán)進(jìn)行，同時(shí)監(jiān)控排泥管的流體狀態(tài)，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(cè)及驗(yàn)收。此時(shí)啟動(dòng)聲納掃測(cè)壟頂和壟溝淤泥清除情況，采用整平驗(yàn)收方式進(jìn)行復(fù)測(cè)，合格后方可撤離清淤裝備。淤泥清除完成后，通過(guò)單波束聲吶、潛水探摸等方式驗(yàn)收，確認(rèn)清淤成果。

4 系統(tǒng)的限制條件

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是以平臺(tái)為載體確保清淤系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以吸泥泵為動(dòng)力系統(tǒng)提供水動(dòng)力將沉積物從基床表層吸走，為了實(shí)現(xiàn)徹底清除沉積，通過(guò)沖淤系統(tǒng)將沉積淤泥進(jìn)行擾動(dòng)起浮，采用聲吶系統(tǒng)、GPS、人工探摸等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)清淤效果的驗(yàn)證，關(guān)鍵部分為水動(dòng)力和吸頭部分的流場(chǎng)情況的研究，實(shí)現(xiàn)均勻覆蓋吸頭范圍內(nèi)的淤泥清除，同時(shí)可以快速連續(xù)行走式清淤是本文的難點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的描述該類似平臺(tái)式清淤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路已經(jīng)成功設(shè)計(jì)完成并應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期的效果。

但該系統(tǒng)也受制于水深的影響，如果水深太大的情況下樁腿的長(zhǎng)度無(wú)法滿足支撐平臺(tái)時(shí)，將會(huì)對(duì)清淤裝備的穩(wěn)定性造成一定的影響，同時(shí)樁腿的抬升也會(huì)受制于空間高度，因此水深和空間高度將會(huì)限制裝備的通用性。

在裸露巖石區(qū)域清淤施工時(shí)，需要在樁腿上加裝樁靴以適應(yīng)平臺(tái)的穩(wěn)定性，同時(shí)確保裝備動(dòng)載荷載下可以穩(wěn)定施工。

5 結(jié)論及意義

(1)結(jié)合基床面清淤技術(shù)，提出了一種不擾動(dòng)基床面的平臺(tái)式清淤方法和裝備的設(shè)計(jì)思路，并給出了需要重點(diǎn)研究的關(guān)鍵參數(shù)；(2)提出了實(shí)現(xiàn)清除基床面回淤物的沖淤和吸淤相結(jié)合的方式，研究得出為實(shí)現(xiàn)高效施工需采用行走式連續(xù)清淤施工的方法；(3)提出了影響基床面清淤施工精度的關(guān)鍵因素，給出了清淤平臺(tái)提升時(shí)防“穿刺”的預(yù)控方法；(4)通過(guò)研究給出了設(shè)備制造完成后的測(cè)試方法和關(guān)鍵參數(shù)，并提出了系統(tǒng)使用的限制性條件，為裝備設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

該裝備和技術(shù)的研發(fā)成功和應(yīng)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)項(xiàng)目造成的經(jīng)濟(jì)、安全和無(wú)可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)，使得回淤環(huán)境條件下先鋪法沉管隧道施工技術(shù)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)更好控制，工期更可控，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)可以推廣應(yīng)用于回淤?gòu)?qiáng)度較大的先鋪基床的清淤工程。

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