沉管隧道先铺碎石基床清淤系统设计思路

冯海暴，尹 刚

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.天津大学 建筑工程学院，天津 300072；3.中交一航局第二工程有限公司，青岛 266071；4.上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

沉管隧道施工中基础处理分为先铺法和后填法两大类。沉管后填法在施工中存在管节上浮的安全风险、工后差异沉降大、工序复杂施工工期控制难等问题，通常用于规模小、水深浅、自然环境好的沉管隧道工程。沉管先铺法在工后沉降小、施工效率高等方面具有众多的优点，影响先铺法主要因素是回淤环境，无法解决回淤问题将加大先铺法施工风险。

沉管隧道工法自1910年开始应用至今全世界范围内建成仅为150多座，而已建成规模较大的沉管隧道仅有2座且都采用了先铺法。受制于回淤环境条件的难题影响，具有众多优越性的沉管先铺法至今无法得到广泛推广应用和进步发展，在世界上第一条采用先铺法施工的大型沉管隧道是2000年建成的厄勒海峡隧道(3 510 m)，第二条沉管隧道为2013年建成的韩国釜山巨济隧道(3 240 m)，工程海域都不属于回淤环境，因此实现在不扰动已铺碎石的前提下实现基床面清淤将会加快先铺法发展。经调研，现有的水下清淤技术和装备见表1。

表1 清淤装备及方法汇总表Tab.1 Summary table of silt dredging equipment and method

在国内外未见任何有关常规条件下沉管隧道碎石基床面高精度清淤装备和技术的相关研究，通过调研可知，研究开发适用于外海深水条件下，在确保不扰动沉管碎石基床的情况下，实现对基床面高精度快速清除超标回淤物的装备和技术，难度将非常大。

1 工程概况

图1 工程纵断面图Fig.1 Engineering profile drawing

图2 技术路线Fig.2 Technical routes

港珠澳大桥是我国继三峡工程、青藏铁路、南水北调、西气东输、京沪高铁之后又一重大基础设施项目，是具有国家战略意义的世界级超大型跨海通道。其中沉管隧道(含暗埋段)全长5 990 m，每节标准管节重约8万t，长×宽×高=180 m×37.95 m×11.4 m，设计多种纵坡-3.029%～+2.996%，水深8～50 m，是世界上总长度和断面尺寸最大、埋深最大的六线行车沉管隧道的代表性工程，也是世界上第一条外海回淤环境条件下采用先铺法施工综合难度最大的沉管隧道工程，沉管隧道工程纵断面示意图见图1。

在沉管先铺法施工技术中，当基床面回淤超过规定标准时，在规定时限内必须快速清除超标回淤物，如无法及时处理则会对工程带来工期和经济性风险，甚至导致无法完成工程的施工，将给整个项目带来极大的风险。因此，研发实现在不扰动先铺基床碎石的情况下高精度快速清除基床面回淤物，将会突破一定回淤环境影响因素的限制。

2 清淤技术研究思路

2.1 总体方案

该技术主要用于清除沉管碎石基床面的超标回淤物，主要为自然回淤或抛石夯平基础缝隙中残留淤泥被挤出形成淤积堆积；以及其他情况引起的基床回淤超过基床回淤标准的情况。结合现有的清淤方法，在外海深水条件下风、浪、流作用下，实现在不扰动已铺设碎石基床面的条件下实现水下高精度快速清淤，装备需要满足母船载体必须在风浪流条件下能够稳定,可靠的测控系统和清淤监测系统,清淤施工不扰动已铺设的碎石基床,保持清淤吸口处流场能够全部均匀覆盖清淤设定范围等条件。结合技术条件确定研发思路见图2。

2.2 清淤系统的载体研究思路

图3 清淤系统方案图Fig.3 Schema diagram of dredging system

在系统研发的前期，针对工程试验段基床回淤采用了气举法清淤的方式进行试验，虽然可以清除一部分基床面的回淤，但从实施效果发现无法实现预期的效果，因此清淤的动力系统需采用清淤泵提供的水动力方式。将碎石基床面回淤沉积物冲刷扰动后吸除至指定区域，但必须保证清淤系统的吸头不能扰动已经铺设好的碎石基床。为保障清淤效率和保护已有的碎石基床，清淤吸头需要尽量贴近碎石基床，但是不能与碎石基床直接接触，以免损坏铺设整平好的碎石基床。而且碎石基床各个垄面间还因为隧道坡度原因存在高低差，因此需要高精度控制吸头标高。

在风浪流条件的影响下，要实现清淤系统的稳定性，必须要有稳定的载体，如在漂浮式母船上安装清淤系统将无法实现系统的稳定性。研究采用平台支撑[1]作为清淤系统提供稳定的载体，将清淤管路通过刚性支架传导至平台上部，将清除的淤泥排至指定区域或排放至泥驳上便于运输，在外海风、浪、流作用下可实现清淤系统吸头部分与基床面保持稳定的距离。清淤系统设计思路见图3。

2.3 清淤行走方式选择

对于水下基床清淤方式，分别对“盖章式”清淤方式和“行走式”连续清淤方式进行了分析研究。

(1)“盖章式”清淤方式。“盖章式”清淤方式即将需要清淤的区域根据吸头的大小分割成N个方格，为了确保清淤时达到预期的效果，通过间歇式“盖章”清淤，该方式清淤时需要将吸头停滞，需要循环启动装置，不仅使得装备无法连作业，且会降低装备的施工效率，因此该方式通过研究分析，不作为该系统的清淤方式的选择。

(2)“行走式”连续清淤方式。为了避免系统的间歇性清淤操作，通过分析采用“行走式”连续清淤的方式实现装备的清淤，根据不同的回淤厚度和密度等情况，实时调整清淤系统的行走移动速度，并可利用扫测系统检测碎石基床顶部回淤物的清除效果。

通过综合分析，采用行走式连续清淤的方式可以有效提高清淤的工效。

2.4 清淤流速研究

通过清淤系统对基床面沉积的淤泥进行扰动，然后在清淤泵的水动力作用下将淤泥浆吸走实现基床表面的清淤。根据水动力原理，对于清淤系统吸头距离淤积泥面越近，清淤吸口处的流速越大，对于沉积于碎石基床面的淤泥清除的效果越明显，但当吸头距离基床面距离太小、吸口流速太大时，对已经铺设好的基床碎石在水动力作用下将会被扰动或吸走，因此需要通过研究确定吸头在清淤时距离碎石基床面的临界距离和流速等关键参数，并得出相应的关系，确保在达到最优工效的同时不扰动碎石基床。该关键参数的确定没有相应的参考资料，需要通过试验确定。水动力根据不同的边界条件形成的流场非常复杂，对于清淤系统吸头在碎石基床面产生的水流速度分布情况，根据现有的多种计算方法比对计算结果偏差较大，因此根据过程施工条件，课题组开展了物模试验，得出碎石的起动速度。文献[2-3]中针对港珠澳大桥沉管隧道工程开展了三种类型物模试验，得出已铺设基床面碎石颗粒的起动临界流速值为1.1 m/s，控制启动流速清淤吸头处流速不大于1.1 m/s时，可实现清淤系统吸头处清淤全部覆盖且不扰动已铺设碎石基床，根据不同的级配需要重新进行试验确定。

图4 清淤系统吸头流场示意图Fig．4Sketchofsuctionflowfieldofdredgingsystem图5 清淤设备吸头示意图Fig．5Sketchofdredgingsystemsuction

根据试验结果的数据和吸头处的流场情况，可将吸头设计为文献[1]中的样式，见图5。

3 清淤系统及方法设计思路

3.1 设计关键参数

通过分析研究，得出了清淤系统及方法设计的关键技术和参数如下：

(1)母船载体：以支撑平台作为清淤系统的载体母船；(2)清淤方式：“行走式”连续清淤；(3)扰动方式：在清淤过程中通过高压冲水的方式扰动沉积的淤泥；(4)碎石启动流速：≤1.1 m/s；同时为清淤装备配备控制系统、高程测控系统、清淤检测系统等。

3.2 清淤装备测试思路

清淤系统安装完成后，需要进行试验，测试其功能和清淤效果，设备调试与清淤测试以碎石基床为对象开展。试验前通过测控系统侧扫声呐结合人工探摸的方式，精确测得试验碎石垄处的回淤厚度，根据回淤后高程在系统内设定清淤吸头的初始高度，然后在试验过程中对泥泵功效进行调节，检验试验效果。清淤试验之后，通过抛石管声呐进行检测，然后利用潜水员水下探摸确认清淤效果。

3.3 清淤施工流程及控制点

(1)清淤试验施工流程：①装备进场；②清淤区域扫测；③支撑平台提升；④清淤施工；⑤高程检测及验收。

图6 操作流程图Fig.6 Operating flowchart

(2)工艺操作要点：①清淤区域扫测。碎石垫层铺设完成后，采用多波束进行扫测，如发现异常高点，采用潜水员进行水下探摸确认。根据扫测结果对异常高点处进行定点探摸，探摸确认为异物的，将异物清理出碎石垫层区域；探摸确认为淤泥的，探摸回淤范围及回淤厚度，超过标准时进行清淤施工；②支撑平台提升。清淤装备通过拖运的方式进入隧址处，利用GPS精确定位后开始桩腿的入泥插桩，然后启动平台抬升系统，将施工平台提升至设计高度，此处主要确保平台清淤施工时避免清淤系统受浪流的作用影响清淤系统的稳定性。该工序施工时要尤其注意桩腿的“穿刺”风险，需要严格按照以下操作流程施工(图6)。平台抬升时首先判断整平船工作区地基中是否存在薄硬层，若存在薄硬层，则计算薄硬层的极限承载应力值，并顺次执行步骤图6中的S2-S10；若不存在薄硬层，则顺次执行步骤S2、S3、S4、S7、S8、S9、S10，最终平台压载应为正常工作载荷应力值的1～1.5倍；③清淤施工。采用定位系统将吸泥管定位至需清淤垄沟上方，下降抛石管紧贴泥面(采用压力探头检测方式)循环清淤至吸泥管底部低于垄顶要求后停止。启动清淤泵和冲淤水泵分别对吸泥管和冲泥管同时供水，吸泥管主要功能为清除垄沟淤泥，沉积在碎石基床面的淤泥采用射流式扰沙清淤装备[4]进行扰动起浮，冲淤管还要冲刷垄沟内淤泥，冲淤和吸淤联合作用，吸口和冲淤口处的流速控制在1.1 m/s，以免超过碎石的启动流速扰动已铺设好的碎石基床，该流速值需要根据不同粒径的石子进行物模试验确定启动流速。清淤施工循环进行，同时监控排泥管的流体状态，直至排泥管中排出清水为止，即判定为该处的淤泥被清除干净；④高程检测及验收。此时启动声纳扫测垄顶和垄沟淤泥清除情况，采用整平验收方式进行复测，合格后方可撤离清淤装备。淤泥清除完成后，通过单波束声呐、潜水探摸等方式验收，确认清淤成果。

4 系统的限制条件

该系统的设计思路是以平台为载体确保清淤系统的稳定性，以吸泥泵为动力系统提供水动力将沉积物从基床表层吸走，为了实现彻底清除沉积，通过冲淤系统将沉积淤泥进行扰动起浮，采用声呐系统、GPS、人工探摸等方式实现对清淤效果的验证，关键部分为水动力和吸头部分的流场情况的研究，实现均匀覆盖吸头范围内的淤泥清除，同时可以快速连续行走式清淤是本文的难点。根据文献[1]的描述该类似平台式清淤系统的设计思路已经成功设计完成并应用，达到了预期的效果。

但该系统也受制于水深的影响，如果水深太大的情况下桩腿的长度无法满足支撑平台时，将会对清淤装备的稳定性造成一定的影响，同时桩腿的抬升也会受制于空间高度，因此水深和空间高度将会限制装备的通用性。

在裸露岩石区域清淤施工时，需要在桩腿上加装桩靴以适应平台的稳定性，同时确保装备动载荷载下可以稳定施工。

5 结论及意义

(1)结合基床面清淤技术，提出了一种不扰动基床面的平台式清淤方法和装备的设计思路，并给出了需要重点研究的关键参数；(2)提出了实现清除基床面回淤物的冲淤和吸淤相结合的方式，研究得出为实现高效施工需采用行走式连续清淤施工的方法；(3)提出了影响基床面清淤施工精度的关键因素，给出了清淤平台提升时防“穿刺”的预控方法；(4)通过研究给出了设备制造完成后的测试方法和关键参数，并提出了系统使用的限制性条件，为装备设计提供了一种新的思路。

该装备和技术的研发成功和应用意义重大，可有效降低了大型沉管隧道因基床回淤物超过标准对项目造成的经济、安全和无可预知的风险，使得回淤环境条件下先铺法沉管隧道施工技术质量风险更好控制，工期更可控，具有很高的推广应用价值，同时可以推广应用于回淤强度较大的先铺基床的清淤工程。

[1]尹刚,孟博,魏杰.碎石基床清淤系统设备研究与应用[J].船舶工程,2016(S1):117-120.

YIN G, MENG B, WEI J. Research and Application of Equipments of Rubble Mattress Dredging System[J]. Ship Engineering, 2016(S1):117-120.

[2]韦杏静,赵宁,向宏.深海基槽清淤专用吸头[J].中国港湾建设,2016(1):68-72.

WEI X J, ZHAO N, XIANG H. Special suction head dredging of sea foundation trench [J]. China Harbor Construction, 2016(1):68-72.

[3]林鸣，林巍，刘晓东.日本交通沉管隧道的发展与经验[J].水道港口,2017(1)：1-7.

LIN M, LIN W, LIU X D. Development and experience of immersed tunnel in Japan[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2017(1)：1-7.

[4]林鸣，梁桁，林巍.沉管密闭腔抬升方法的构想与实践[J].水道港口,2017(3)：217-222.

LIN M, LIANG H, LIN W. Conception and practice of the seal chamber lifting method of immersed tunnel[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2017(3)：217-222.