馮海暴，尹 剛

(1.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(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，無法解決回淤問題將加大先鋪法施工風(fēng)險(xiǎn)。

沉管隧道工法自1910年開始應(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)在不擾動已鋪碎石的前提下實(shí)現(xiàn)基床面清淤將會加快先鋪法發(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(nèi)外未見任何有關(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，通過調(diào)研可知，研究開發(fā)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(shí)現(xiàn)對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，是具有國家戰(zhàn)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(jié)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)重約8萬t，長×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(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圖1。

在沉管先鋪法施工技術(shù)中，當(dāng)基床面回淤超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時，在規(guī)定時限內(nèi)必須快速清除超標(biāo)回淤物，如無法及時處理則會對工程帶來工期和經(jīng)濟(jì)性風(fēng)險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致無法完成工程的施工，將給整個項(xiàng)目帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研發(fā)實(shí)現(xiàn)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(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,可靠的測控系統(tǒng)和清淤監(jiān)測系統(tǒng),清淤施工不擾動已鋪設(shè)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(shè)定范圍等條件。結(jié)合技術(shù)條件確定研發(fā)思路見圖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)無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，因此清淤的動力系統(tǒng)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(qū)域，但必須保證清淤系統(tǒng)的吸頭不能擾動已經(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。而且碎石基床各個壟面間還因?yàn)樗淼榔露仍虼嬖诟叩筒?，因此需要高精度控制吸頭標(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)將無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。研究采用平臺支撐[1]作為清淤系統(tǒng)提供穩(wěn)定的載體，將清淤管路通過剛性支架傳導(dǎo)至平臺上部，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(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個方格，為了確保清淤時達(dá)到預(yù)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(huán)啟動裝置，不僅使得裝備無法連作業(yè)，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(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)時調(diào)整清淤系統(tǒng)的行走移動速度，并可利用掃測系統(tǒng)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(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

通過清淤系統(tǒng)對基床面沉積的淤泥進(jìn)行擾動，然后在清淤泵的水動力作用下將淤泥漿吸走實(shí)現(xiàn)基床表面的清淤。根據(jù)水動力原理，對于清淤系統(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，對已經(jīng)鋪設(shè)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(guān)鍵參數(shù)，并得出相應(yīng)的關(guān)系，確保在達(dá)到最優(yōu)工效的同時不擾動碎石基床。該關(guān)鍵參數(shù)的確定沒有相應(yīng)的參考資料，需要通過試驗(yàn)確定。水動力根據(jù)不同的邊界條件形成的流場非常復(fù)雜，對于清淤系統(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)算方法比對計(jì)算結(jié)果偏差較大，因此根據(jù)過程施工條件，課題組開展了物模試驗(yàn)，得出碎石的起動速度。文獻(xiàn)[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(yàn)，得出已鋪設(shè)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(shí)現(xiàn)清淤系統(tǒng)吸頭處清淤全部覆蓋且不擾動已鋪設(shè)碎石基床，根據(jù)不同的級配需要重新進(jìn)行試驗(yàn)確定。

圖4 清淤系統(tǒng)吸頭流場示意圖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)和吸頭處的流場情況，可將吸頭設(shè)計(jì)為文獻(xiàn)[1]中的樣式，見圖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(tǒng)、高程測控系統(tǒng)、清淤檢測系統(tǒng)等。

3.2 清淤裝備測試思路

清淤系統(tǒng)安裝完成后，需要進(jìn)行試驗(yàn)，測試其功能和清淤效果，設(shè)備調(diào)試與清淤測試以碎石基床為對象開展。試驗(yàn)前通過測控系統(tǒng)側(cè)掃聲吶結(jié)合人工探摸的方式，精確測得試驗(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)過程中對泥泵功效進(jìn)行調(diào)節(jié)，檢驗(yàn)試驗(yàn)效果。清淤試驗(yàn)之后，通過拋石管聲吶進(jìn)行檢測，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；②清淤區(qū)域掃測；③支撐平臺提升；④清淤施工；⑤高程檢測及驗(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。碎石墊層鋪設(shè)完成后，采用多波束進(jìn)行掃測，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)掃測結(jié)果對異常高點(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，超過標(biāo)準(zhǔn)時進(jìn)行清淤施工；②支撐平臺提升。清淤裝備通過拖運(yùn)的方式進(jìn)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(tǒng)，將施工平臺提升至設(shè)計(jì)高度，此處主要確保平臺清淤施工時避免清淤系統(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)。平臺抬升時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(采用壓力探頭檢測方式)循環(huán)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(jìn)行擾動起浮，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，以免超過碎石的啟動流速擾動已鋪設(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)確定啟動流速。清淤施工循環(huán)進(jìn)行，同時監(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高程檢測及驗(yàn)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(yàn)收方式進(jìn)行復(fù)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(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)思路是以平臺為載體確保清淤系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以吸泥泵為動力系統(tǒng)提供水動力將沉積物從基床表層吸走，為了實(shí)現(xiàn)徹底清除沉積，通過沖淤系統(tǒng)將沉積淤泥進(jìn)行擾動起浮，采用聲吶系統(tǒng)、GPS、人工探摸等方式實(shí)現(xiàn)對清淤效果的驗(yàn)證，關(guān)鍵部分為水動力和吸頭部分的流場情況的研究，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度無法滿足支撐平臺時，將會對清淤裝備的穩(wěn)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(qū)域清淤施工時，需要在樁腿上加裝樁靴以適應(yīng)平臺的穩(wěn)定性，同時確保裝備動載荷載下可以穩(wěn)定施工。

5 結(jié)論及意義

(1)結(jié)合基床面清淤技術(shù)，提出了一種不擾動基床面的平臺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，給出了清淤平臺提升時防“穿刺”的預(yù)控方法；(4)通過研究給出了設(shè)備制造完成后的測試方法和關(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標(biāo)準(zhǔn)對項(xiàng)目造成的經(jīng)濟(jì)、安全和無可預(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)用價值，同時可以推廣應(yīng)用于回淤強(qiáng)度較大的先鋪基床的清淤工程。

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