沉管隧道带垄沟碎石垫层清淤施工方法研究

冯海暴， 尹 刚

0 引言

沉管隧道施工工法首次应用于1910年美国铁路钢壳底特律河隧道工程。目前国内外已经建成的沉管隧道约150座。对于先铺法沉管隧道施工技术，基础多采用带垄沟碎石垫层，尤其对于外海深水先铺法沉管隧道施工，受水下回淤环境的影响，回淤成为了先铺法沉管隧道施工的一项技术难题。

根据国内外清淤技术的调研研究可知，基础清淤多采用接触式和气压控制的方法，例如： 耙吸船工艺[1]，通过离心式泥泵利用负压将挖泥耙头挠松的泥土吸入泥舱内，满舱后起耙，航行至船窝吹填区，该方法主要用于挖泥和基坑的浮泥清除，一般会对带垄沟的碎石垫层产生扰动，否则将无法实现清淤的目的； 覆盖防淤方法[2-4]是通过土工布或钢质盖板对容易回淤的区域进行覆盖，阻止回淤物落入碎石垫层区，该方法施工效率低且在起吊覆盖收纳时容易造成碎石垫层破坏； 基础底部埋设管道的清淤方法[5]是在碎石垫层铺设前预埋带孔眼的清淤管道，当碎石垫层铺设完成后，利用清淤泵提供动力，通过预埋管道将碎石垫层顶部的回淤物进行水体置换，该方法对碎石垫层几乎不产生扰动，但施工操作繁琐且效率低，对于不需要清除回淤的区域仍然需要埋置管道，无法做到灵活清淤； 清除气举法清淤[6]多用于钻孔灌注桩桩孔底部的泥浆清除，是一种典型的接触式清淤方法，在气压的动力下无法彻底清除泥浆，因此无法对碎石垫层面进行清淤；“盖章式”间歇清淤法[7]也是一种接触式清淤方法，将吸头压在碎石垫层顶部，然后开启吸头的清淤泵对碎石垫层进行清淤，该方法不仅对基床产生扰动，而且施工速度极慢。通过对上述文献中的清淤方法进行分析和研究可知，这些方法存在扰动基床、操作繁琐、基床清淤不干净或施工效率低等问题，给工程施工带来了诸多不便。对于港珠澳大桥沉管隧道先铺法碎石基础工程，在强回淤的环境条件下，为保证带垄沟的碎石垫层基础顺利施工，达到快速清淤的目的，急需研制一套新型的清淤设备。通过对国内外清淤方法的研究和分析可知，有效利用清淤动力泵提高动力，利用平台支撑将吸头固定至距离基床设定距离进行行走式连续清淤，可以在保证不扰动碎石基床的情况下实现碎石垫层的快速清淤。研发固定式清淤平台并携带清淤吸头在固定范围内连续清淤的方法和设备，可以有效清除带垄沟碎石垫层的回淤物，有效保障沉管碎石垫层的施工和清淤作业。

1 研究目的

本文研究的课题，是为了研制高精度清淤设备，将其用于清除带垄沟碎石垫层面的超标回淤物、自然回淤或抛石夯平基础缝隙中残留的淤泥被挤出后形成的淤泥堆积以及其他引起基床回淤超过基床带垄沟碎石垫层允许回淤标准的情况，并采用预控措施预防平台失稳。

2 清淤技术

2.1 清淤设备组成

在外海深水风、浪、流的作用下，采用带桩腿的平台式母船作为清淤系统的框架载体，在母船平台上设置清淤框架，采用框架平台刚性导向装置连接清淤吸头，利用框架上的行走小车与大车带动清淤吸头，实现单个船位范围内的连续清淤。该设备可以有效控制吸头与带垄沟碎石垫层面的距离，实现在不扰动碎石垫层的情况下精确清淤。

整个清淤设备由吸泥管、空压机、高压水泵、冲淤头、冲泥进气管和吸泥进气管组成，运泥采用泥驳。在整平船下料管上固定吸泥管，吸泥管的下部固定冲淤头，冲淤头可以通过调节高水压力将垄顶部分的泥浆全部冲刷到垄沟中。为防止碎石堵塞泥泵，采用空压机对吸泥管下部进行打压，使吸泥管下部形成负压，将垄沟内的泥浆抽出，达到清淤的目的。在吸泥作业的同时，通过高压水泵对冲泥管进行打压，达到清除基床垄顶泥浆的目的(冲泥管水平线性冲刷垄顶部分回淤)。清淤设备示意图如图1所示。

(a) 整体示意图

(b) 清淤系统细部示意图

在基床铺设前，首先通过清淤专用设备对边坡和基槽进行整体清淤； 在碎石铺设完成后，对于自然回淤或抛石夯平基础缝隙中残留淤泥被挤出形成的淤泥堆积以及其他引起基床回淤超过基床回淤标准的情况，通过清淤专用设备进行清淤。

在沉管安装前，带垄沟碎石垫层面出现回淤时，采用清淤设备清除水深10～48 m的回淤物，每个船位作业范围(长×宽)可达48 m×25 m。设备主要由大车、小车、清淤系统桁架、升降装置、清淤泥泵、清淤管系、配套软管、绞车及清淤控制系统和测量系统等组成。

2.2 工作原理

该设备具有清淤和冲淤的双重功能。清淤的原理是利用空压机供应压缩空气，压缩空气通过进气管进入吸泥管，与吸泥管中的水混合成气水混合物(相对密度小于1)，使吸泥管的吸头处形成水头差，在水头差和压缩空气气流的作用下，淤泥顺吸泥管排出。吸泥管底部安装孔径为1.5 cm的孔篦，防止石子被吸走。冲淤的原理是利用高压水泵对垄顶淤泥进行压力冲刷，冲刷时喷头为线性水流，可以使淤泥稠度变小，在水压的推力下淤泥移动进入垄沟，实现垄顶的清淤。

2.3 碎石垫层面清淤流场

通过气流产生的动力将泥水混合物置换出碎石垫层区，但不得扰动已铺设的碎石垫层，并需要控制好碎石垫层面清淤吸头处的流速和形成的流场，但采用气流形成的流场不稳定。结合试验研究和分析计算得出，采用同样的结构，利用清淤泵吸除碎石垫层面的泥水混合物更稳定可靠，可通过泥泵满足动力系统的要求，但吸头的位置、流速和型式决定了可清淤的有效范围，因此，清淤吸头型式是影响清淤效果主要的因素。结合现场碎石垫层的尺寸和条件，根据数值模拟计算和物理模型试验结果，对多种清淤吸头进行了优化，最终确定吸头型式为T型[8]。清淤吸头工作原理和型式示意图如图2所示。

(a) 工作原理

(b) 吸头型式

1—主吸口； 2—侧吸口。

图2清淤吸头工作原理和型式示意图
Fig. 2 Working principle and sketch of dredging sucker

2.4 清淤试验研究

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。

根据水动力原理可知，清淤系统吸头距离淤积泥面越近，清淤吸口处的流速越大，对沉积于碎石基床面的淤泥清除效果越明显，但吸头距离基床面太近、吸口流速太大时，铺设好的基床碎石在水动力作用下将会受到扰动或被吸走。因此，需要确定吸头在清淤时与碎石基床面的临界距离和流速等关键参数，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。目前关键参数的确定尚无相应的参考资料，因此需要通过试验确定。

2.4.1 沉管基床面碎石颗粒的起动临界流速试验

该试验主要用来确定在不扰动已铺碎石的情况下已铺设基床面碎石颗粒的起动流速。根据不同的边界条件水动力形成的流场非常复杂，关于清淤系统吸头在碎石基床面产生的水流速度分布情况，通过对现有多种计算方法进行对比，发现这些方法的计算结果偏差较大。因此，根据施工条件开展了物理模型试验，得出了碎石颗粒的起动速度。

针对岛隧工程的实际工况条件，开展了平坡碎石垫层抗冲刷性能试验、1∶20和1∶30斜坡碎石垫层抗冲刷性能试验、碎石垫层V型槽上沿抗冲刷性能试验。以窦国仁学者的起动概率标准[9-10]进行统计，即推移质运动分为以下3种状态： 1)个别起动：相应的起动概率为1.35%～2.27%； 2)少量起动：相应的起动概率为2.27%～15.9%； 3)大量起动：相应的起动概率>15.9%。

通过试验得出，基床碎石清淤时基床面碎石的最大流速不大于流速的限定值。

2.4.2 沉管基床碎石清淤吸头与基床面距离的确定

在清淤过程中，清淤吸头与基床面的距离以及清淤吸头处的流速值在基床面产生的流速值，与吸头处流体的密度有一定的关系，因此需要通过试验进行确定，得出最终的结果。

2.4.3 清淤高精度自动测控系统研究

清淤系统测控数据的精度主要取决于高程控制系统，结合GPS对清淤装置的高程及水平位置进行定位，并对该系统的施工数据进行采集和集中控制,实现数据的相互交换和共享。根据GPS数据对清淤装置的高程及水平位置进行调整，利用清淤装置头部油缸精确、自动调整吸口位置高度，保证清淤效果并确保不破坏碎石垫层。在系统配设前开展系统的高程精度控制测试，清淤系统底部配备强光照明的水下摄像头和多波束扫描成像声呐装置，其可随清淤装置的吸头同步移动，可实时获取水下碎石基床的清淤状况，同时将数据反馈给系统集控室，便于对清淤效果进行评估和判断。清淤检测系统示意图如图3所示。

对于系统的清淤效果需要通过声呐系统连续扫测对比校正后进行系统地判定，并需要通过系统测试试验验证声呐的可靠性等参数。

2.5 关键技术参数

结合试验及相关研究确定了清淤设备的关键技术参数和方式： 1)以平台式整平船作为清淤系统的载体母船； 2)采取“行走式”的连续清淤方式； 3)采用的清淤泵为大型泥泵； 4)在清淤过程中通过高压冲水的方式扰动沉积的淤泥； 5)清淤系统桁架长度为66 m，最大船舶作业水深50 m，清淤作业水深10～50 m，每个船位清淤范围(长×宽)为48 m×25 m，清除淤泥密度≤1.3 kg/m3。

图3 清淤检测系统示意图Fig. 3 Sketch of detection system for dredging

3 清淤工艺及应用效果

3.1 清淤工艺

带垄沟碎石垫层清淤施工流程如图4所示。

图4 带垄沟碎石垫层清淤施工流程图Fig. 4 Flowchart of dredging construction

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，则派遣潜水员进行水下定点探摸。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，则探摸出淤泥范围及淤泥厚度，并根据决策进行清淤。

需要清淤时，整平船进场驻位，进行插桩抬升清淤平台。插桩完成后，采用管定位系统将吸泥管定位至需清淤的垄沟碎石垫层上方，采用压力探头检测方式[11-12]将清淤吸头下降至泥面，循环清淤至吸泥管底部低于垄顶标高时停止。

启动水泵同时对吸泥管和冲泥管供水，开始清除垄沟淤泥和冲刷垄顶淤泥。控制抛石管以规定的速度进行往复清淤，直至排泥管中排出清水为止。利用声纳扫测垄顶和垄沟淤泥清除情况，采用碎石垫层验收方式进行复测，合格后方可撤离清淤设备。

3.2 应用效果

为了验证清淤设备的清淤效果，清淤系统安装完成后，选择在西人工岛侧进行碎石垫层基床清淤试验。试验前通过测控系统侧扫声呐，并与人工探摸相结合[13-14]，精确测得试验碎石垄处的回淤厚度，选取试验碎石基床的第1垄、第3垄和原泥面进行清淤系统试验。根据回淤后的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。

试验后经潜水员潜水探摸对比可知，吸头距离垄面高度满足操控室高度设定值的要求，碎石垄面的沉积淤泥完全被清除干净。根据本次试验结果，调节吸头至距离碎石垄面规定的高度后，泥泵运转负荷达到了额定功率，清淤效果良好。采用单泵清淤时，泥泵最好设定为全功率运行，以提高出口处的排水压力； 采用双泵清淤时，泥泵功率可以适当降低，以保持泥泵的运转转速，保证清淤效果和出水压力。

从潜水探摸、多波束扫测的情况看，垄顶面回淤物基本被清除干净，可见碎石，垄顶高程合格率约为95%。

4 结论及展望

根据国内外清淤技术及方法，通过研究提出了采用清淤平台实现深水条件下带垄沟碎石垫层的高精度清淤。通过物理模型试验、数值模拟计算等方法，在国内外清淤技术的基础上，研制了沉管隧道带垄沟碎石垫层清淤设备，可以有效降低先铺法沉管隧道碎石垫层施工回淤风险。另外，通过试验验证了清淤设备具有带垄沟碎石垫层清淤和冲刷淤泥的双重功能，作业最大水深50 m，每个船位清淤范围(长×宽)可达48 m×25 m。

带垄沟碎石垫层清淤设备的成功研制，拓宽了先铺法沉管隧道的施工应用范围，降低了大型构件在回淤环境条件下的施工影响，其可以推广应用于疏浚工程、清淤工程等，具有广泛的应用前景，可为类似工程提供借鉴。

该技术的成功研发，虽然可以实现碎石基床面的高精度定点定量清淤施工，但是由于该设备采用支撑式平台，施工过程中仍会受到水深的影响，因此具有一定的局限性。建议研究者依托本文继续深入研究清淤设备和技术，在未来的研究中，可以重点考虑不受水深影响的高精度清淤设备与技术，突破水深的限制，为远海超大水深工程建设时的清淤施工项目进行技术指导。

[1] 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[J]. 中国港湾建设, 2016, 36(7): 97.

ZHANG Qi, ZHU Linlin. Quality control for excavation and desilting of foundation trench for immersed tunnel project of Hongkong-Zhuhao-Macao Bridge[J]. China Harbour Engineering, 2016, 36 (7): 97.

[2] 刘德进, 陆连洲, 曲俐俐, 等. 沉管隧道碎石基床覆盖式防淤盖板、防淤系统及施工方法： CN104878779A[P]. 2015-05-28[2017-01-25].

LIU Dejin, LU Lianzhou, QU Lili, et al. Ded cover type anti-silting, anti-silting system and construction method for immersed tunnel：CN104878779A[P]. 2015-05-28[2017-01-25].

[3] 曲俐俐, 冯海暴. 沉管隧道基床刚性框架式土工布覆盖防淤系统及方法：CN104878792A[P]. 2015-09-02[2017-01-25].

QU Lili, FENG Haibao. Anti-silting system and method for rigid frame type geotextile of immersed tunnel：CN104878792A[P]. 2015-09-02[2017-01-25].

[4] 曲俐俐, 冯海暴. 沉管隧道基床胶囊起浮式土工布覆盖防淤系统及方法: CN104878793A[P]. 2015-09-02[2017-01-25].

QU Lili, FENG Haibao. Anti-silting system and method for rigid frame type geotextile of immersed tunnel: CN104878793A[P]. 2015-09-02[2017-01-25].

[5] 刘德进, 冯海暴, 苏长玺, 等. 沉管隧道碎石基床清淤系统: CN205348226U[P]. 2016-01-28[2017-01-25].

LIU Dejin, FENG Haibao, SU Changxi, et al. Dredging system for gravel foundation of immersed tunnel: CN205348226U[P]. 2016-01-28[2017-01-25].

[6] 李永升, 王欣. 桩基工程护筒气举清理法[J]. 港工技术, 2016, 53(3): 67.

LI Yongsheng, WANG Xin. Air-lift method for casing interior cleaning during pile construction[J]. Port Engineering Technology, 2016, 53(3): 67.

[7] 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, 36(1): 68.

WEI Xingjing , ZHAO Ning, XIANG Hong. Special suction head for dredging of deep sea foundation trench[J]. China Harbour Construction, 2016, 36(1): 68.

[8] 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(增刊1): 117.

YIN Gang, MENG Bo, WEI Jie. Research and application of dredging system for crushed stone foundation[J]. Ship Engineering, 2016(S1): 117.

[9] 曹湘波， 郑捷， 向宏, 等. 清淤吸头: CN104863193A[P]. 2015-08-26[2017-01-25].

CAO Xiangbo, ZHENG Jie, XIANG Hong, et al. Dredging sucker: CN104863193A[P]. 2015-08-26[2017-01-25].

[10] 张学俊， 杨瑞亮, 苏长玺, 等. 沉管隧道基床整平过程中定时清淤防淤系统及方法: CN104878780A[P]. 2015-05-28[2017-01-25].

ZHANG Xuejun, YANG Ruiliang, SU Changxi, et al. Time dredging system and methods for immersed tunnel foundation during leveling process: CN104878780A[P]. 2015-05-28[2017-01-25].

[11] 温以华， 杜代军. 一种船载新型射流式扰沙清淤装备: CN201620432U[P]. 2010-11-03[2017-01-25].

WEN Yihua, DU Daijun. A new type of ship jet dredging equipment: CN201620432U[P]. 2010-11-03[2017-01-25].

[12] 徐平, 王秀军, 刘曜宁. 清淤船液压系统设计[J]. 机床与液压, 2016, 44(22): 108.

XU Ping, WANG Xiujun, LIU Yaoning. Design of desilting ship hydraulic system[J]. Machine Tool and Hydraulics, 2016, 44 (22): 108.

[13] 王楠. 射流清淤船关键技术研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2013.

WANG Nan. Research on key technologies for jet dredger[D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong University, 2013.

[14] 王爱玲, 王战胜, 丁长领, 等. 自行式组合清淤船的研制与应用[J]. 人民黄河, 2008, 30(6): 24.

WANG Ailing, WANG Zhansheng, DING Changling, et al. Development and application of self-propelled combination dredger[J]. Yellow River, 2008, 30(6): 24.