宋來中

外海沉管隧道回淤監(jiān)測及防淤清淤技術(shù)

宋來中

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

港珠澳大橋沉管隧道在E15碎石墊層基床鋪設(shè)后出現(xiàn)異常強回淤，為了摸清基槽的回淤強度及原因，開展一系列回淤監(jiān)測研究，主要包括多波束掃測、回淤盒監(jiān)測、含沙量監(jiān)測等現(xiàn)場實測手段。為了減少回淤，開展覆蓋防淤研究，并根據(jù)現(xiàn)場流場情況和基槽走向制定截淤壩、擾動等防淤措施。為了清除碎石基床的異?；赜伲谡酱显黾忧逵僭O(shè)備，并在E22進(jìn)行清淤施工，效果滿足設(shè)計要求。從后續(xù)管節(jié)施工情況看，該成套技術(shù)是可行的、有效的。

回淤監(jiān)測；防淤；清淤；整平船改造；沉管隧道

0 引言

港珠澳大橋島隧項目位于伶仃洋水域中部淺灘至東灘，在香港機(jī)場大嶼山西北側(cè)海域橫穿銅鼓航道和伶仃西航道，距珠江入海口約為51nmile。

港珠澳大橋海底隧道總長5 664 m，采用沉管法進(jìn)行施工，基槽相對挖深在30~40 m，設(shè)計基槽寬度為41.9 m，基槽邊坡自下而上分別為1∶2.5和1∶5。港珠澳大橋沉管基槽橫貫伶仃航道和銅鼓淺灘灘尾，海底水深介于-8~-15 m之間。以E15管節(jié)為界，西部沉管穿越伶仃航道，水深相對較深，東部管節(jié)穿越銅鼓淺灘灘尾，水深相對較淺。

1 回淤狀況

2014年11月13日完成E15碎石基床的鋪設(shè)工作，驗收檢測數(shù)據(jù)滿足設(shè)計要求。11月16日08:00，潛水員安裝前檢查基床時發(fā)現(xiàn)：基床壟頂存在黏稠狀回淤物，厚度大多在2~3 cm，局部4~ 6 cm，且具有一定強度，若繼續(xù)安裝會存在不確定性，可能會造成不可預(yù)知的結(jié)果，最終審慎確定中止E15管節(jié)的安裝，同時啟動應(yīng)急預(yù)案，管節(jié)返航回塢。

目前，港池、航道浚深后的回淤強度估算主要有經(jīng)驗公式法、物理模型試驗、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試挖槽試驗等研究手段?？紤]到現(xiàn)場施工進(jìn)度要求，項目部決定開展現(xiàn)場監(jiān)測[1-2]。

2 回淤分析

2.1 回淤質(zhì)情況

E15出現(xiàn)突淤后，潛水員在E15管節(jié)使用專用取樣器取得6組回淤物樣品進(jìn)行了顆分試驗，樣品的中值粒徑D50介于0.01~0.075 mm的百分含量平均值約為53.8%，D50小于0.01 mm的百分含量平均值約為38.6%，D50大于0.075 mm的百分含量平均值約為8%。因此，回淤物組成以粉沙和淤泥為主，粉砂含量略高于淤泥的含量，并含有少量（不大于8%）細(xì)沙，回淤質(zhì)基本可定義為淤泥質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)淤泥。

淤泥質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)淤泥在水中有一定的黏著力，干燥后黏著力消失，呈分散狀態(tài)。在較強動力條件作用下，啟動容易，并以懸移質(zhì)、推移質(zhì)形式運動。同時，一旦動力條件減弱，特別是在人工開挖的航槽中發(fā)生淤積，沉淀較快且容易密實和固結(jié)。

2.2 流場情況

沉管隧道軸線方向為東西向，和該區(qū)域漲落潮主流向幾乎垂直。

伶仃洋潮汐類型屬于不規(guī)則的半日混合潮。從實測潮位過程曲線分析，潮汐不等現(xiàn)象明顯，其中大潮期間日潮現(xiàn)象較明顯，小潮期間半日潮現(xiàn)象顯著，中潮介于兩者之間。漲潮的流向以偏N為主，落潮的流向多為偏S。

工程水域高潮位由外海向珠江口內(nèi)逐漸增高，低潮位由外海向珠江口逐漸降低，潮差也有由外海向珠江口內(nèi)逐漸增大的趨勢[3-4]。

3 回淤監(jiān)測

3.1 多波束掃測

多波束測深系統(tǒng)由聲學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、外圍輔助傳感器及成果輸出系統(tǒng)組成。KONGSBERG EM2040多波束測深系統(tǒng)發(fā)射頻率200~400 kHz，測深條帶覆蓋角度140°，寬深比可達(dá)5.5倍，最大量程可達(dá)600 m，波束數(shù)256個，沿航線波束角0.7°，垂直航線波束角0.7°，最大發(fā)射ping頻率可達(dá)50/s，脈沖長度小于25 μs，測深精度滿足IHO國際海道測量特級標(biāo)準(zhǔn)[5]。

根據(jù)深槽的地形特點，對于待安管節(jié)將多波束監(jiān)測區(qū)域分為5部分，分別是隧道基槽、北側(cè)邊坡1∶2.5邊坡、北側(cè)邊坡1∶5區(qū)域、南側(cè)邊坡1∶2.5邊坡、南側(cè)邊坡1∶5區(qū)域。

3.2 回淤盒

回淤盒采用塑料儲物箱和固定鋼結(jié)構(gòu)組成。在已整平完成的碎石墊層上放置5個沉淀盒，其中1、2、3號按照指令定期進(jìn)行放取，4號、5號沉淀盒為水下備用沉淀盒。5個沉淀盒放置在碎石墊層的4號壟頂?shù)妮S線中間位置，依次從南至北排列。

每次取盒前封閉盒蓋，記錄準(zhǔn)確的取盒時間。取出回淤盒后進(jìn)行淤積厚度、粒度等分析，并保留樣品。

3.3 測深儀

利用測深儀測得儀器與底座鋼板之間的深度變化反算回淤變化。潛水員在第4條壟中心偏北10 m處安放SDE-28S測深儀，測深儀固定在鋼板上。鋼板尺寸為1 200 mm×1 200 mm×12 mm，在鋼板上焊接高1.5 m三腳架固定測深儀，測深儀的數(shù)據(jù)線通過100 m長的φ10鋼絲繩綁在錨漂上。每天進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。

3.4 含沙量監(jiān)測

含沙量監(jiān)測分為施工區(qū)的定點監(jiān)測和從內(nèi)伶仃島至施工區(qū)的巡測。含沙量巡測是采用日本ALEC公司自容式COMPACT-CTD型濁度測量儀。定點實時傳輸?shù)暮沉坑^測儀器采用美國Campbell公司OBS 3A。

4 防淤措施

4.1 覆蓋防淤

將制作好的鋼蓋板覆蓋在已整平好的基床上，使淤泥落在保護(hù)蓋板上，施工過程中隨著整平一個船位，即覆蓋一個船位，沉管安裝前將蓋板依次吊出水面后排水，將其浮在水面上，把淤泥清除到泥駁中，然后將蓋板拖到臨時存放水域存放，等待下次循環(huán)使用。

蓋板根據(jù)單塊碎石基床的尺寸加工制作，采用桁架式結(jié)構(gòu)，頂面布置納泥格艙，單塊蓋板重量約400 t，蓋板設(shè)計8個吊點（圖1），設(shè)計納泥厚度20 cm。

圖1 覆蓋板示意圖Fig.1Cover plate schematic

于E22管節(jié)進(jìn)行試驗，蓋板沉放后橫向、軸向平面位置偏差均≤20 cm。吊除后經(jīng)過掃測和探摸，碎石基床基本未受到破壞。從試驗效果看，鋼蓋板覆蓋防淤方案能夠?qū)崿F(xiàn)整平一個船位，覆蓋一個船位，減少碎石基床的暴露時間，有效防止回淤。

4.2 截淤壩

從現(xiàn)場實測流場數(shù)據(jù)看，基槽內(nèi)存在較為明顯的東西向流。為了減少和降低東西向流引起的泥沙輸移對基槽回淤的影響，決定在待安管節(jié)基槽東西兩側(cè)設(shè)置“截淤壩”。西側(cè)在已安管節(jié)頂部拋填碎石進(jìn)行潛堤攔沙；在東側(cè)安排疏浚船采用吸泥攔沙法進(jìn)行動態(tài)截淤，吸泥攔沙法是采用清淤船在距離待安管節(jié)尾端東側(cè)約200 m位置處的基槽底部渾水進(jìn)行持續(xù)性的抽吸。

在距離待安管節(jié)基槽首端東側(cè)約150 m的位置設(shè)置水下橫向潛堤攔沙壩，橫截堤壩頂寬1.0 m，高于管頂回填2.0 m，兩側(cè)坡率按自然休止且不陡于1∶1.5，回填施工過程中應(yīng)遵循管節(jié)左右兩側(cè)對稱、分層的原則。

4.3 擾動法

擾動法是采用人工（潛水員）或機(jī)具對壟頂回淤物進(jìn)行擾動和采用海底壓縮空氣擾動，以防止回淤物進(jìn)一步沉淀。

5 清淤措施

在原有整平船的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的穩(wěn)固船體平臺及大小車系統(tǒng)，增設(shè)一套清淤裝置，清除水下48 m處碎石壟面和壟溝內(nèi)淤泥，但不能破壞已鋪設(shè)好的碎石墊層，要求在10個工作日內(nèi)完成一個管節(jié)范圍內(nèi)的清淤。

5.1 整平船清淤系統(tǒng)

利用原有整平船大小車系統(tǒng)，增設(shè)大車梁和小車平臺，安裝一套能夠上下升降的桁架，在桁架頭部安裝2臺大功率泥泵，通過調(diào)節(jié)吸口裝置的開閉和高度實現(xiàn)碎石壟頂和壟溝內(nèi)淤泥的清除。由于清淤裝置桁架隨大小車移動，泥泵排出泥水引至海面以上后，通過軟管排至軟管絞車處，再通過此處連接的排泥管線排至1 km以外。軟管絞車將隨桁架位置的移動實現(xiàn)排泥軟管的收、放，保證排泥軟管與桁架排泥管（硬管）的有效連接。

清淤系統(tǒng)通過安裝在桁架下端的DOP250型大型泥泵將淤泥抽吸到船上，經(jīng)過可收放的軟管排至左舷軟管快速接頭處，再經(jīng)過漂浮軟管排至1 km以外。DOP250泵和其清淤原理見圖2。

圖2 清淤系統(tǒng)原理圖Fig.2Dredging system schematic

清淤裝置吸口沿碎石壟方向移動，通過開閉前后的吸口閥板，保持吸口一直朝向碎石壟前方，一次移動能夠清除一條碎石壟上淤泥。清淤裝置設(shè)置有兩個輔吸口，分別位于碎石壟的兩側(cè)壟溝上方，用于清除壟溝內(nèi)淤泥。清淤裝置頭部還設(shè)置有一套沖水系統(tǒng)，將海水至吸口四周的噴水口噴出，能夠擾動碎石壟面及壟溝上的淤泥，增強清淤效果。

根據(jù)GPS數(shù)據(jù)對清淤裝置高程及水平位置進(jìn)行調(diào)整，利用清淤裝置頭部油缸精確、自動的調(diào)整吸口位置高度，保證清淤效果且不破壞碎石墊層。所有清淤系統(tǒng)裝置的信號數(shù)據(jù)、包括GPS信號數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成到桁架頂端電氣箱內(nèi)，通過無線信號傳輸至小車操控室，實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線操控。

清淤配置強光照明的水下攝像頭和多波束掃描成像聲納裝置，隨桁架一起移動，實時獲取水下碎石基床清淤狀況，同時將數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)集控室，便于了解清淤情況。

5.2 清淤試驗情況

整平船于西人工島北側(cè)進(jìn)行設(shè)備調(diào)試和清淤系統(tǒng)試驗。試驗之前經(jīng)過聲納掃測和潛水員探摸，了解試驗段碎石壟和原泥面的標(biāo)高，并對碎石壟上淤泥的淤積情況進(jìn)行了統(tǒng)計。根據(jù)聲納掃測數(shù)據(jù)和潛水員探摸情況，確定了清淤系統(tǒng)吸頭設(shè)定標(biāo)高，然后在試驗過程中對泥泵功效進(jìn)行調(diào)節(jié)，檢驗試驗效果。清淤試驗之后，先通過拋石管聲納進(jìn)行檢測，然后利用潛水員水下探摸確認(rèn)清淤效果。

根據(jù)本次試驗結(jié)果，吸頭調(diào)節(jié)至距離碎石壟面15 cm左右，泥泵運轉(zhuǎn)負(fù)荷達(dá)到85%以上時清淤效果最好。當(dāng)吸頭調(diào)節(jié)至距離壟面12~13 cm時，泥泵運轉(zhuǎn)負(fù)荷達(dá)到70%即碎石壟上小塊碎石開始啟動，被吸出排泥管。大車速度保持1 m/min即可一次行走清除碎石壟上淤泥。

5.3 E22清淤情況

受1524號臺風(fēng)影響，第一、二船位施工完成后暫停整平作業(yè)，按照泥沙攻關(guān)組要求，進(jìn)行日?；赜俦O(jiān)測、潛水?dāng)_動和高壓空氣水下擾動，但擔(dān)心已鋪基床出現(xiàn)回淤。10月29日第一、二船位回淤突然加劇，此時初步計劃通過加強擾動進(jìn)行減淤，至10月31日整個回淤進(jìn)一步加劇，經(jīng)多次討論決定進(jìn)行清淤施工。

清淤共經(jīng)歷三個階段，11月2日開始清淤至11月4日清淤完成。清淤完成后第一時間安排多波束掃測，通過11月4日與1日的數(shù)據(jù)比對，第一、二船位清淤效果明顯，平均清淤厚度為7 cm，由于北側(cè)回淤比南側(cè)嚴(yán)重，北側(cè)清淤深度較南側(cè)大，最大清淤厚度為24 cm。多波束掃測結(jié)果顯示E22碎石墊層表層回淤物基本清理干凈、碎石墊層高程、縱坡等數(shù)據(jù)在設(shè)計要求范圍內(nèi)[6]。

6 結(jié)語

經(jīng)過近1 a的研發(fā)，回淤監(jiān)測及防淤清淤成套技術(shù)已成功應(yīng)用在E16—E29沉管安裝中?；?/p>

淤監(jiān)測方法通過多種方式的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以相互比對，較為準(zhǔn)確地給出基槽和邊坡的回淤強度和邊坡穩(wěn)定等數(shù)據(jù)；現(xiàn)場使用各種防淤措施后，基床上的回淤強度和回淤量有所減少，有效保障回淤厚度在設(shè)計要求范圍之內(nèi)。針對小范圍的突淤研發(fā)的整平船清淤系統(tǒng)在E22成功得到應(yīng)用，說明此清淤系統(tǒng)在后鋪法碎石墊層上的清淤嘗試是可行的。

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Technology of siltation monitoring,minimizing and dredging in immersed tunnel of open seas

SONG Lai-zhong
（No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China）

The Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel occurred abnormal siltation after laying the foundation of E15 gravel cushion.In order to find out the siltation intensity and reasons of foundation trench,we carried out a series of studies in siltation monitoring,including multi-beam bathymetry,monitoring of siltation box and sediment concentration.In order to reduce siltation,we carried out the research on coverage of silt prevention,and developed silt prevention measures of cut silt dam and disturbance according to the scene of the flow field and the direction of the base.In order to remove the abnormal siltation of the gravel bed,we increased the dredging equipment in the leveling ship,and carried out the dredging construction in E22,the effect meets to the design requirements.Based on construction of the subsequent pipe section,the siltation monitoring and minimizing method is feasible and effective.

siltation monitoring;siltation minimizing;dredging;leveling ship transformation;immersed tunnel

U652.2

A

2095-7874（2017）08-0038-04

10.7640/zggwjs201708009

2017-04-08

宋來中（1967—），男，山東聊城人，碩士，高級工程師，主要從事港口與航道工程、鐵路工程、工民建工程等大中型項目的施工組織設(shè)計及管理工作。E-mail：hehuofeng@sohu.com