港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道基槽开挖及清淤施工的质量控制

张 琦，朱淋淋

港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道基槽开挖及清淤施工的质量控制

张 琦，朱淋淋

（中交广州航道局有限公司，广东广州510221）

港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道基槽设计断面复杂，开挖精度要求高，施工难度较常规疏浚工程大大增加，而且验评标准高于行业标准。在施工的各个阶段，采用了先进的RTK-GPS技术，显著提高了施工精度，同时通过科学的施工组织安排，精细化制作施工导航文件，有效提升了施工质量，满足了本工程高标准的设计要求。

基槽施工；精挖；清淤；RTK-GPS；抓斗式挖泥船；耙吸式挖泥船

1 工程概况

港珠澳大桥岛隧工程是目前世界上综合施工难度最大的沉管隧道工程，其隧道基槽开挖具有不同于常规疏浚工程的施工难度。沉管隧道基槽设计复杂，纵向底部呈W形，槽底标高从-15~ -46 m不等，设置了0%~3%的缓坡组合，横断面设置了多级边坡，坡比为1∶2、1∶2.5、1∶5，施工难度大大增加，而且隧道基槽开挖精度要求高，验评标准[1]远高于JTS 257—2008《水运工程质量检验标准》[2]中各类挖泥船开挖的平均超深、超宽的控制标准。基槽开挖验评标准如表1所示。

同时，作为在块石层施工以及碎石垫层铺设之前的必要工序，隧道基槽槽底清淤也有相应的技术要求。对于基槽槽底泥水密度不满足标准的淤泥层，必须予以清除，基槽清淤相关标准如表2所示。

表1 基槽开挖验评标准Table1 Standard ofaccep tance and assessmen t for trench excavation

表2 基槽清淤标准Table2 Cretiria for trench desilting

此外，从E15管节以后，基槽边坡上淤积物的清除也成为碎石垫层铺设前的必要工序。

综上，无论沉管隧道基槽的开挖施工及清淤施工，都需要通过有效的质量控制手段才能控制基槽施工精度，以满足本工程高标准的验评要求。

2 沉管隧道基槽开挖及清淤的质量控制

沉管隧道基槽疏浚施工可分为粗挖、精挖及清淤3个施工阶段，其中粗挖阶段是指由原泥面至离设计底标高约2~3 m间泥层的开挖作业；精挖阶段是指粗挖完成后至设计底标高间泥层的开挖作业；清淤阶段主要指精挖结束后的块石层铺设、块石层夯平后的碎石垫层铺设等工序前对基槽槽底以及边坡上淤积物的清除作业。

2.1 基槽粗挖施工的质量控制

根据施工组织安排，对于基槽的疏浚施工首先由粗挖开始。对于粗挖施工，由于开挖深度距离设计深度还有一定的泥层厚度，因而对粗挖层的施工安排，主要考虑在保证一定的开挖精度前提下最大程度发挥船舶的施工效率。根据原泥面的水深情况、开挖泥层的土质分布以及施工现场的通航状况，安排耙吸式挖泥船进行表层淤泥质土的开挖作业，安排抓斗式挖泥船进行下层黏土以及粉质黏土的开挖作业。

2.1.1 耙吸式挖泥船粗挖施工的测量控制

耙吸式挖泥船采用RTK-GPS进行平面定位，接收HZMB-CORS播发的网络或者无线电差分信号，经系统测试，平面精度达到±2 cm，高程精度达到±3 cm。根据RTK-GPS平面定位信息以及动力跟踪功能，预先设定各层开挖线，并充分结合船舶智能化系统，根据风、流等外力因素自动控制各种动力设备，确保耙头始终沿设定开挖线施工，保证施工的平面精度。挖深控制则是利用耙管自动控制系统，结合RTK-GPS高程信息，实现控制波浪补偿器的动作，使耙头处于安全角度范围及期望疏浚深度，保证施工的垂直精度。

对于表层大范围大厚度淤泥质土的开挖，耙吸船的施工效率相比抓斗船更高，但在发挥船舶施工效率的同时，亦要控制开挖的精度与质量，应采用分层开挖的施工工艺，防止耙吸船开挖过深破坏精挖层并减少施工产生的垄沟。根据土质情况以及耙吸船的施工能力，将分层的厚度设为2m，并按此制作施工文件。耙吸船疏浚控制系统安装施工文件后，需严格按照施工文件的范围以及挖深进行开挖作业，基本完成该层的开挖作业后，再转入下一层的开挖施工。

2.1.2 抓斗式挖泥船粗挖施工的质量控制

根据现场的施工安排，岛隧工程在隧道基槽粗挖阶段投入了多组抓斗式挖泥船组，按照其定位方式可以分为普通抓斗式挖泥船以及具备定深平挖功能的抓斗式挖泥船。

不同于普通抓斗式挖泥船的定位方式，我国第一艘具备定深平挖功能的抓斗式挖泥船“金雄”号，通过在抓斗扒杆顶部安装RTK-GPS，接收HZMB-CORS播发的网络或者无线电差分信号，解算得到高精度的GPS平面以及高程信息，结合抓斗钢索上的角度传感器，通过计算机处理后实时显示抓斗的平面位置以及归算至基准面的深度，控制抓斗下放位置及深度，实现定点定深挖泥[3]。

根据投入的抓斗船特点，可将开挖区域划分为“非成型区”以及“边坡成型区”（图1），其中“非成型区”可以由开挖精度稍差的普通抓斗船进行施工，而“边坡成型区”则需由“金雄”号抓斗船进行施工，避免超宽超深过多破坏精挖层。

图1 抓斗船“边坡成型区”和“非成型区”施工断面示意图Fig.1 Schematic diagraMof′slope-shaping area′and′no slope-shaping area′for dredging by grab dredger

2.2 基槽精挖施工的质量控制

沉管隧道基槽粗挖施工后，槽底精挖层及边坡成型区遗留的浅点将由“金雄”号抓斗船来完成。

对于槽底精挖层的开挖作业，需根据槽底的设计底标高以及对应的轴线向坡比，结合抓斗的斗长（9.7m）、斗宽（3.2m）以及基槽开挖的精度要求，综合抓斗船分条开挖的因素，确定合适的分条宽度，使开挖精度得到保障并且最大限度发挥抓斗船的施工效率。由于基槽的轴线向坡比在0%~ 3%范围内变化，故在轴线向坡比小于1.5%的管节段，分条宽度设置为20m，将该条带的开挖标高设为该条带的平均值，则该条带开挖后理论最大的偏差值<0.15m；在轴线向坡比小于3%的管节段，分条宽度设置为10 m，则该条带开挖后理论最大的偏差值<0.15m，误差处于可控范围。

对于边坡的精挖施工，根据抓斗船的施工特点，采用阶梯式开挖即开挖成台阶断面，考虑到开挖土质较松散容易坍塌，故采用“超挖补欠”的方式进行施工。

根据基槽槽底的设计底标高以及纵向边坡坡比，结合抓斗的斗长、斗宽以及边坡超宽值的验评要求，确定合适的台阶高差。边坡典型开挖试验表明，边坡台阶高差宜设置为2 m。当边坡开挖台阶高差为2 m时，在坡比为1∶2以及1∶2.5的区域，台阶式开挖后即使不发生自然塌方，也能满足边坡的超宽要求；在坡比为1∶5的区域，每个台阶开挖后的理论最大超宽值为5 m，超出超宽允许值2m，但边坡典型开挖试验表明，1∶5边坡区域开挖后经过自然塌方，每个台阶最大超宽值均小于3m，且与设计边坡线拟合较好。

根据基槽槽底分条宽度以及边坡台阶开挖的高差，制作“金雄”号抓斗船的施工文件，将每个条带、每个台阶的开挖标高标注在施工文件之中，抓斗船挖泥手严格按照标高进行开挖。根据施工现场多波束检测，精挖作业后基槽的槽底标高、开挖平整度以及边坡的超宽值均满足隧道基槽开挖验评标准，典型的横断面图如图2所示。

2.3 基槽清淤施工的质量控制

基槽清淤作业包含粗挖施工阶段的清淤、粗挖后精挖施工前的清淤、块石抛填前的清淤及碎石垫层铺设前的清淤[4]，现以相对复杂且典型的碎石垫层铺设前清淤为例阐述清淤施工质量控制。

碎石垫层铺设前的基槽清淤主要分为基槽边坡清淤及槽底清淤，其中基槽边坡清淤由耙吸式挖泥船进行，而槽底的清淤则是由耙吸式挖泥船以及专用清淤船“捷龙”号进行，其中靠近前一已安放沉管钢封门30m范围区域因耙吸船施工安全风险过大而选择由“捷龙”号清淤船进行，其余部分由耙吸船进行。

2.3.1 耙吸船基槽清淤的质量控制

对于耙吸船的清淤施工，首先要确定清淤的标高，基槽槽底清淤标高即为块石抛石夯平后的标高，由于块石层夯平后的标高与设计标高会存在一定的差值，因此需要根据块石层夯平后的实测水深数据，分块统计其平均水深作为耙吸船下耙的标高；而边坡区域的标高则需根据现有的、精挖后最深的以及设计水深断面，结合边坡的淤积情况综合考虑，通常选择将设计断面降低一定的深度，以保证边坡台阶上的淤积物能够被清除。

确定清淤标高后，结合现有的以及最深的水深数据，制作冲淤色块图分析其回淤分布及回淤厚度，明确重点清淤区域，按照槽底淤积物全部清除以及边坡淤积物定点清淤的原则，制作耙吸船施工导航文件。

考虑到耙吸船边坡清淤过程中可能会有淤积物受扰动从边坡滑落至槽底，因此在施工先后顺序上应安排首先对边坡进行清淤作业，而后进行槽底的清淤作业。

2.3.2 清淤船基槽清淤的质量控制

专用清淤船“捷龙”号亦采用RTK-GPS进行平面定位，接收HZMB-CORS播发的网络或无线电差分信号，在疏浚监控系统中实时显示船舶以及吸头的平面位置，通过RTK-GPS获得的高程信息，并结合深度控制系统，实时显示并控制吸头下放的深度。

对钢封门前30m范围的槽底清淤，清淤标高亦按照块石层的标高。清淤船吸头为直径1.6 m的圆盘，经试验其有效清淤范围为2.5m×2.5 m，考虑施工背景图的简洁，将施工网格设为5m×5m，结合现有的及块石层夯平后的实测水深数据，制作清淤船的施工文件。清淤施工采用“盖章”式工艺，“盖章”的点间距为2.5 m×2.5 m，即在1个施工网格内“盖”4个“章”。清淤过程中，利用清淤监控系统的泥浆密度显示进行施工监控，当清淤点的泥浆浓度达到设计要求后，移至下一个清淤点。施工完成后，根据多波束检测结果以及人工探摸成果，决定是否需要补清淤。

2.3.3 清淤施工效果检测

清淤施工效果检测通常采用多波束水深测量以及人工探摸两种手段相互结合参考。利用多波束水深测量数据制作清淤前后的回淤物分布以及厚度色块图、横断面比对图，并结合人工探摸成果，综合判断清淤施工是否达到设计要求。E23管节清淤前后回淤物分布以及厚度比对图如图3所示。

图3 E23管节基槽清淤前后回淤物分布以及厚度比对图Fig.3 CoMparison of distribution and thicknessof siltation in foundation trench at tunnelsection E23 before and after desilting

3 结语

在港珠澳大桥岛隧工程隧道基槽施工过程中，无论是粗挖、精挖还是清淤施工，通过上述的质量控制手段，有效控制了施工的精度以及质量，取得了良好的施工效果，保证了各施工工序的正常衔接，为实现工期目标提供了有力的保障。

[1]中交公路规划设计院有限公司.港珠澳大桥主体工程岛隧工程施工图设计[R].2011.

CCCCHighway ConsultantsCo.,Ltd.Construction drawingof island and tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2011.

[2]JTS 257—2008，水运工程质量检验标准[S].

JTS 257—2008，Standard forquality inspection of port and waterway engineering construction[S].

[3]林镇定.抓斗式挖泥船外海深基槽精确挖泥施工工艺研究[D].广州:华南理工大学，2015.

LIN Zhen-ding.Research on construction technology of deep foundation trench precise dredging by grab dredger in open seas[D]. Guangzhou:South ChinaUniversity of Technology,2015.

[4]郑伟.港珠澳大桥沉管隧道深基槽回淤监测与分析[J].中国港湾建设，2015，35（11）:25-28，55.

ZHENGWei.Back siltingmonitoring and analysisof deep foundation trench in the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnelproject[J].ChinaHarbourEngineering,2015,35(11):25-28,55.

Quality control for excavation and desilting of foundation trench for immersed tunnel for island and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

ZHANGQi,ZHU Lin-lin
（CCCCGuangzhou Dredging Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510221,China）

In Island&Tunnel Project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,the design cross section of the foundation trench for immersed tunnel sectionswas complex,and the requirement for dredging accuracywashigh aswell,therefore,the difficulty for dredging was greatly increased compared to regular dredging project and the standard for acceptance and assessment is higher than the professional standardsaswell.Atall stagesof the construction，the advanced RTK-GPS technologywas used, which significantly improved the accuracy of construction.In the meantime,through scientific construction organization and refinement of dredging guidance and navigation documents,the quality of works was significantly improved and the design requirements for high standard ofworkswasmet.

foundation trench construction;accurate dredging;desilting;RTK-GPS;grab dredger;trailing suction hopper dredger(TSHD)

U615.4

B

2095-7874（2016）07-0097-04

10.7640/zggw js201607028

2016-05-23

张琦（1986—），男，江苏南通人，助理工程师，从事水深测量工作，测绘工程专业。

E-mail:304391162@qq.com