李琦，覃明勇，李開(kāi)俊，艾嬋，劉霜霜

[1.武漢碧水集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430015；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）,湖北 武漢 430015；3.武漢長(zhǎng)江環(huán)境工程有限公司，湖北 武漢 430015；4.武漢城市建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430015]

0 引言

城市人口不斷集聚，形成了城市高密度建成區(qū)，原有河道空間不斷被侵占擠壓，居民生活污水未經(jīng)處理直排入河，河道逐漸演變?yōu)楹诔羲w，為不影響居民出行和生活水平，在黑臭河道上方鋪設(shè)水泥板，原有的河道形成了城市高密度建成區(qū)排水暗涵[1]。城市高密度建成區(qū)排水暗涵長(zhǎng)期處于黑暗、封閉空間，極易產(chǎn)生厭氧發(fā)臭和水質(zhì)惡化問(wèn)題，加之泥沙、建筑及生活垃圾匯入，排水暗涵往往淤積嚴(yán)重，此外，暗涵多為合流制排水體制，雨季時(shí)沿線道路及周邊地區(qū)大量灰塵等隨雨水進(jìn)入暗涵，更進(jìn)一步加劇了城市排水暗涵淤堵情況，如若不及時(shí)進(jìn)行清理，不僅存在生活污水外溢風(fēng)險(xiǎn)，更極易造成城市大范圍“人造內(nèi)澇”，綜上所述，城市排水暗涵周期性清淤勢(shì)在必行[2]。

張述清[3]通過(guò)對(duì)現(xiàn)有清淤方法進(jìn)行分析比較，提出了水平定向高壓旋噴清淤的新型施工方法；陳勇[4]總結(jié)不同暗渠清淤方式方法，為今后類似工程提供經(jīng)驗(yàn)，為暗渠清淤施工規(guī)范編制提供支撐；胡茂鋒[5]通過(guò)剖析了預(yù)制裝配法開(kāi)設(shè)施工通道、分倉(cāng)導(dǎo)流、快拆封堵及清淤等重點(diǎn)工序施工要點(diǎn)實(shí)現(xiàn)低影響高效清淤的需求。但是現(xiàn)有城市排水暗涵新建時(shí)預(yù)留了600～800mm 內(nèi)徑檢查井通道，未預(yù)留大型機(jī)械進(jìn)出通道，無(wú)法采用機(jī)械化清淤方式；且暗涵處于城市高密度建成區(qū)，采用傳統(tǒng)現(xiàn)澆新建維護(hù)通道，將對(duì)周邊交通造成嚴(yán)重不利影響。因此現(xiàn)有城市暗涵清淤方式多采用人工下井清淤作業(yè)方式，該作業(yè)屬于有限空間危險(xiǎn)作業(yè)，不僅工效低下，且極易造成缺氧、中毒等現(xiàn)象[5-7]。因此，研究開(kāi)發(fā)出安全高效的城市排水暗涵清淤施工技術(shù)，具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

1.1 基本信息

黃孝河暗涵屬于武漢市漢口區(qū)主干排水通道，建成于1984年，起于青年路，經(jīng)黃孝河西路、建設(shè)大道及黃孝河路，終止于黃孝河明渠起端，主要結(jié)構(gòu)形式為“鋼筋混凝土底板+磚砌墻體+預(yù)制鋼筋混凝土頂板”，結(jié)構(gòu)尺寸從起端的單孔B×H=3.0m×3.0m，沿程逐步變化為五孔2-B×H+3-B×H=2-5.2m×3.0m+3-5.8m×3.0m。匯水面積65km2，承擔(dān)著武漢市江岸區(qū)的雨污水外排功能。

經(jīng)前期檢測(cè)，暗涵內(nèi)普遍淤積深度在80～120cm，淤積深度總體呈現(xiàn)出上游向下游遞增趨勢(shì)，晴天流量在360 000～420 000m2/d，雨季按照匯水區(qū)域五十年一遇降雨產(chǎn)匯流明確過(guò)流能力，水位處于高水位狀態(tài)，平均深度為2.2m，檢查井內(nèi)徑為650mm，間距在40～60m，局部存在520m 長(zhǎng)距離無(wú)檢查井。周邊建筑林立，大型超市、商場(chǎng)、行政機(jī)構(gòu)、醫(yī)院、學(xué)校集中，人口密度高達(dá)10 000 人/km2以上，屬于典型的高密度建成區(qū)，此外，暗涵正上方道路為城市主干道路，流量約3 045～1 206pcu/h，無(wú)明顯潮汐現(xiàn)象，高峰期整體飽和度為0.87。

1.2 施工重難點(diǎn)

1.2.1 有限空間作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高

排水暗涵常年輸送生活污水，好氧厭氧環(huán)境頻繁交替，與外界環(huán)境長(zhǎng)年累月基本隔絕，內(nèi)部積聚了大量硫化氫、一氧化碳、甲烷等危險(xiǎn)性氣體。人工下井清淤作業(yè)屬典型有限空間作業(yè)，極易出現(xiàn)中毒、窒息、爆炸等傷亡事故等事故?，F(xiàn)階段清淤前多采用機(jī)械通風(fēng)，降低暗涵內(nèi)危險(xiǎn)性氣體濃度，然而清淤過(guò)程中，擾動(dòng)淤泥時(shí)潛藏在淤泥內(nèi)的氣體會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速釋放，周邊清淤人員無(wú)法及時(shí)反應(yīng)，將帶來(lái)較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2 長(zhǎng)期大規(guī)模占道社會(huì)影響大

暗涵清淤需對(duì)進(jìn)出口附近進(jìn)行打圍以便形成人材機(jī)進(jìn)出和淤泥外運(yùn)通道，而主干排水暗涵進(jìn)出口往往位于城市主干道路中央，長(zhǎng)期占道打圍，需對(duì)主干道路進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間封閉，引發(fā)加劇高密度建成區(qū)城市交通擁堵、給市民出行交通帶來(lái)嚴(yán)重困難、清淤社會(huì)綜合成本高昂等相關(guān)綜合問(wèn)題。

1.2.3 封堵斷流城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)高

排水暗涵清淤時(shí)，人工下井作業(yè)，需臨時(shí)封堵暗涵以便后續(xù)清淤作業(yè)，排水暗涵作為城市行污主管及排洪通道，單日流量高達(dá)數(shù)萬(wàn)噸乃至數(shù)十萬(wàn)噸，導(dǎo)流費(fèi)用高昂。如遇突發(fā)降雨，封堵拆除不及時(shí)，堵塞行洪通道，極易造成“人為城市內(nèi)澇”，危及城市居民人身安全及財(cái)產(chǎn)安全。

2 低影響安全清淤關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)城市高密度建成區(qū)暗涵清淤中存在的交通占道影響大、施工進(jìn)出通道受限、暗涵封堵導(dǎo)流難度高及內(nèi)部作業(yè)環(huán)境惡劣等暗涵治理共性問(wèn)題，因地制宜制定了整套適用于城市高密度建成區(qū)主干排水暗涵低影響安全清淤技術(shù)。

2.1 施工工序

結(jié)合暗涵尺寸、檢查井間距、淤泥厚度及暗涵水位等，清淤施工工序如圖1 所示。

圖1 施工工序圖

2.2 關(guān)鍵施工要點(diǎn)

2.2.1 施工準(zhǔn)備階段

現(xiàn)場(chǎng)勘察工作。應(yīng)根據(jù)暗涵探測(cè)報(bào)告進(jìn)一步踏勘現(xiàn)場(chǎng)，查看測(cè)區(qū)的地物、地貌、交通和地下管線走向分布情況，明確是否具備開(kāi)挖及吊裝條件；之后，打開(kāi)檢查井通過(guò)管道潛望鏡、全地形機(jī)器人、自動(dòng)力機(jī)器人等探測(cè)儀器檢查井內(nèi)的暗涵結(jié)構(gòu)形式、水位、淤泥厚度等情況，做好詳細(xì)踏勘記錄。

管線調(diào)查與遷改。協(xié)調(diào)調(diào)查新開(kāi)施工便道處地下管線的分布，并盡可能避開(kāi)原有管線。對(duì)于無(wú)法避開(kāi)的管線部位，制定管線遷改保護(hù)方案并經(jīng)歸屬單位批準(zhǔn)后實(shí)施。

施工相關(guān)手續(xù)辦理。涉及與交警部門(mén)溝通，確定道路占道及交通導(dǎo)行方案，并辦理相關(guān)施工許可手續(xù)；后期進(jìn)場(chǎng)施工時(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)圍擋封閉及安全防護(hù)，按照批準(zhǔn)的交通導(dǎo)行方案設(shè)置導(dǎo)行標(biāo)識(shí)及警示標(biāo)志；同時(shí)與城管部門(mén)進(jìn)行溝通，辦理道路挖掘許可手續(xù)。

流域相關(guān)單位報(bào)備工作。施工前向泵站、污水處理廠等排水設(shè)施單元的管理人員進(jìn)行報(bào)備，協(xié)調(diào)泵站、閘門(mén)、水廠在施工期間的聯(lián)合調(diào)度，減少由于清淤施工給城市排水系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)的不利影響。

局部探挖。正式開(kāi)挖前，需對(duì)擬開(kāi)設(shè)施工便道的區(qū)域進(jìn)行局部探挖，確定開(kāi)挖范圍內(nèi)管線分布情況，同時(shí)精確測(cè)量暗涵頂部覆土深度，以便后續(xù)預(yù)制構(gòu)件制作。

2.2.2 通道開(kāi)設(shè)階段

通道選型。對(duì)于所需斷面較小，整體吊裝噸數(shù)小于20t 的可采用整體式預(yù)制砼井筒結(jié)構(gòu)；對(duì)于所需斷面較大，吊裝總噸數(shù)大于20t 的施工便道結(jié)構(gòu)，采用分體式預(yù)制砼井筒結(jié)構(gòu)。

裝配流水。為方便人材機(jī)進(jìn)出及淤泥外運(yùn)，每隔 400～600 m 開(kāi)設(shè)一處施工便道，為降低對(duì)交通及周邊居民影響，施工便道開(kāi)設(shè)優(yōu)選夜間進(jìn)行，其中，集中在20:00～22:00 完成道路破除，22:00～次日6:00，完成開(kāi)挖、吊裝及道路回填工作。

2.2.3 機(jī)器人清淤階段

清淤機(jī)器人清淤主要包括聲吶掃描淤積及垃圾情況、機(jī)器人選型、開(kāi)孔、清理井室、機(jī)器人吊裝入位、清淤作業(yè)。

（1）聲吶掃描淤積及垃圾情況。用溯源檢測(cè)機(jī)器人攜帶的聲納進(jìn)行全線檢測(cè)，確定泥層厚度及是否含有大型垃圾。

（2）機(jī)器人選型。清淤系統(tǒng)由水下清淤機(jī)器人泵站、電纜收排絞車(chē)、系統(tǒng)控制中樞、泥水分離裝置組成。

水下機(jī)器人。用于水下清淤。選型核心參數(shù)應(yīng)關(guān)注清淤距離限制和清淤對(duì)象情況，清淤流量一般在60～180m2/h 之間，清淤濃度控制在5%～15%。泵送式清淤機(jī)器人在不加接力泵的情況下，多數(shù)是在200m 以內(nèi)，距離越長(zhǎng)，則優(yōu)先選擇揚(yáng)程越大的清淤機(jī)器人。若暗涵內(nèi)以建筑垃圾為主，則優(yōu)先選用鏟運(yùn)式機(jī)器人?？紤]暗涵淤積現(xiàn)狀，選用橡膠履帶，水下行進(jìn)速度為3～12m/min。

電纜收排絞車(chē)。用于強(qiáng)弱電集成電纜排纜。壓斷力應(yīng)大于5t，具備自動(dòng)排纜、正反轉(zhuǎn)、急停、調(diào)速及降溫等功能。

系統(tǒng)控制中樞。用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與清淤。采用有線遙控方式，嵌入式軟件設(shè)計(jì)，搭配聲吶及視頻圖像識(shí)別終端，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遠(yuǎn)程操作。

泥水分離裝置?？傮w積為30～60m3，通過(guò)“自然沉淀+混合絮凝”初沉工藝，污泥含水率可下降為50%～70%，后經(jīng)密封罐車(chē)運(yùn)輸至后湖脫水廠進(jìn)一步脫水至40%。

（3）施工便道開(kāi)設(shè)。開(kāi)孔詳見(jiàn)5.2.3 節(jié)所述。

（4）清理井室。用5m3抓斗車(chē)或強(qiáng)力吸污車(chē)對(duì)吊物孔底部進(jìn)行清理，清理出工作面，清理面長(zhǎng)×寬不小于3m×3m。

（5）清淤機(jī)器人清淤

設(shè)備檢查。機(jī)器人進(jìn)入工位后，調(diào)整好機(jī)器人位置，接通線纜，檢查線路，各配套設(shè)備是否正常。

行走軌跡確定。啟動(dòng)清淤機(jī)器人，啟動(dòng)泥水分離器開(kāi)始清淤作業(yè)。清淤機(jī)器人作業(yè)寬度為 1.4m，通過(guò)操作臺(tái)利用自帶的超聲波測(cè)距雷達(dá)檢測(cè)機(jī)器人本身與箱涵側(cè)墻的距離確定行走軌跡。

清淤循環(huán)。清淤機(jī)器人利用前端同軸反向清淤絞龍完成淤泥打散后通過(guò)高性能渣漿泵吸入浮體輸泥管，輸泥管將淤泥輸送至岸上的泥水分離器，泥水分離器處理后完成上清液回流，底部淤泥通過(guò)密封罐車(chē)運(yùn)輸至脫水廠脫水至40%以下，之后按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行資源化處置。

高效清淤。清淤時(shí)操作手位于中控室無(wú)法知曉清淤狀態(tài)，因?yàn)樵跈C(jī)器人尾端設(shè)計(jì)了濃度計(jì)，構(gòu)建了“泥漿—濃度”耦合自適應(yīng)高效清淤模型，維持清淤時(shí)輸送泥漿濃度處于經(jīng)濟(jì)濃度之上。

故障排查。清淤過(guò)程中遇到前進(jìn)受阻或者前進(jìn)完全失效，首先檢查液壓系統(tǒng)壓力是否正常，確定系統(tǒng)壓力正常后，再依次檢查是設(shè)備機(jī)械故障或者現(xiàn)場(chǎng)障礙物因素。

放置浮體接力泵。當(dāng)清淤距離超過(guò)機(jī)器人有效清淤距離（多為200m，與揚(yáng)程、管道及輸送介質(zhì)相關(guān)），可以放置浮體式接力泵，加長(zhǎng)泵送距離，方便后續(xù)超長(zhǎng)距離清淤。

機(jī)器人返回。機(jī)器人清淤前進(jìn)距離達(dá)到管線長(zhǎng)度極限時(shí)，機(jī)器人需要原路退回，退回之前，機(jī)器人在地面控制臺(tái)的控制下，取泥螺旋和渣漿泵不停轉(zhuǎn)，機(jī)身后退 0.1～0.5m，然后原地空轉(zhuǎn)1～2min，以便讓泥管中的淤泥排空，防止污泥在管中沉積。

重復(fù)循環(huán)。清淤機(jī)器人退回到原位后，調(diào)整超聲波測(cè)距雷達(dá)的距離參數(shù)，將設(shè)定距離增加1.4m，開(kāi)始相鄰區(qū)域的清淤作業(yè)。

（6）清淤過(guò)程中，泥水分離站產(chǎn)生的污水直接從檢查井排到管網(wǎng)中，產(chǎn)生的固態(tài)污泥通過(guò)專用車(chē)輛運(yùn)輸?shù)街付ǖ奈勰嗵幚韱挝?，進(jìn)行下一步處理。

（7）清淤驗(yàn)收。再次用全地形機(jī)器人攜帶的聲納進(jìn)行全線檢測(cè)，確定清淤后的箱涵內(nèi)淤泥層厚度是否達(dá)到驗(yàn)收要求。

2.3 其他技術(shù)要點(diǎn)

2.3.1 通風(fēng)

將原檢查井鋼蓋板更換為格柵井蓋，格柵式井蓋通風(fēng)率不得低于75%，以免影響通風(fēng)效果。同時(shí)將風(fēng)機(jī)安裝在檢查井井筒內(nèi)，可有效減少因通風(fēng)造成的路面交通打圍，進(jìn)一步降低影響，風(fēng)機(jī)用電采用防水電纜。在風(fēng)機(jī)底部設(shè)置三向?qū)Я髌鳎捎行p少風(fēng)阻，提高通風(fēng)。

2.3.2 污泥處理

現(xiàn)場(chǎng)污泥采用密閉式罐車(chē)外運(yùn)至臨時(shí)性淤泥脫水廠做減量化處理，淤泥在脫水廠經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)池，將淤泥抽排到均化池并加入固化劑后，輸送到板框壓濾機(jī)內(nèi)脫水處理。污泥脫水后含水率達(dá)到40%，脫水污水回流沉淀池經(jīng)過(guò)多級(jí)沉淀溢流至市政污水管網(wǎng)系統(tǒng)。密封渣土車(chē)將脫水泥餅運(yùn)送到指定消納場(chǎng)地消納處理。

2.3.3 清淤驗(yàn)收

清淤機(jī)器人清淤驗(yàn)收采用聲吶水下機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)，剩余淤泥深度不得超過(guò)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)無(wú)要求時(shí)，剩余淤泥厚度不得超過(guò)1/8 箱涵凈高且不得超過(guò)0.2m。

3 應(yīng)用情況

工程難點(diǎn)區(qū)域主要集中在黃孝河暗涵末端，該區(qū)域常年高水位，存在穿越鐵路長(zhǎng)距離無(wú)法開(kāi)設(shè)吊物孔等情況，有鑒于此，2022 年6 月，該工程項(xiàng)目指揮部完成本研究成果在該區(qū)域的應(yīng)用，成功打通末端堵點(diǎn)問(wèn)題，完成清淤方量20 000m3，解決了傳統(tǒng)泵吸式清淤機(jī)器人和人工清淤難以解決的行業(yè)痛點(diǎn)問(wèn)題，取得了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和工程示范作用。

通過(guò)該技術(shù)清淤方量為12 000m3，涉及產(chǎn)值379 萬(wàn)元，相較于同類泵吸式機(jī)器人，清淤泥漿平均濃度從5%大幅躍升至10%以上，綜合工效提高將近100%，開(kāi)孔間距從400m 一處提高到800m 一處，開(kāi)孔措施費(fèi)成倍壓降，綜合成本累計(jì)下降30%以上。

同時(shí)，大幅降低了甲烷、硫化氫等易燃易爆或有毒氣體、暴雨倒灌、機(jī)械傷害等因素對(duì)作業(yè)人員的安全威脅，改善勞動(dòng)人員的工作環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，大大減少突發(fā)性安全事故的發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；此外，快速實(shí)現(xiàn)水環(huán)境黑臭水體的內(nèi)源污染，改善人居環(huán)境，提高居民生活質(zhì)量，保障人民身心健康，促進(jìn)勞動(dòng)就業(yè)；最后，通過(guò)清淤恢復(fù)暗涵的正常排水功能，保障排水通暢，大大減少了城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，社會(huì)效益顯著。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)人工清淤存在的安全風(fēng)險(xiǎn)高、社會(huì)影響廣及內(nèi)澇隱患大等清淤難點(diǎn)，以黃孝河機(jī)場(chǎng)河流域綜合治理一期項(xiàng)目為研究對(duì)象，剖析了高密度建成區(qū)主干排水暗涵清淤存在的重難點(diǎn)，提出了“裝配式預(yù)制通道快速開(kāi)設(shè)+泵吸式清淤機(jī)器人智能清淤”為核心的城市主干排水暗涵低影響安全清淤技術(shù)體系，研究了其技術(shù)操作要點(diǎn)，有效地解決了現(xiàn)有暗涵清淤技術(shù)存在的共性難點(diǎn)，取得了顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。