捷龙轮清淤工艺研究

◎ 张鹏 刘志平 中交广州航道局有限公司

1.引言

深圳至中山跨江通道项目位于珠江口海域的核心区，北距虎门大桥约30km，南距港珠澳大桥约38km，施工区气候多变，海况复杂，周边水域存在多个采砂坑。沉管隧道基槽原始水深在-3.5～-17.6m（85高程，下同），最大开挖深度达-37.78m，开挖泥层厚度最大达30m以上，浅滩深槽现象明显且平面分布上几乎垂直于水流；开挖完成后与基础处理工序时间跨度大，基槽容易产生淤积。隧道基础施工工序繁多，涉及基槽开挖、抛石夯平、碎石垫层铺设等工序，如回淤物厚度超标，将严重影响施工质量，必须严格控制。

2.概况

深中通道隧道总长6845m（含暗埋段、敞开段），海中沉管段长5035m，基槽底宽50～59.46m，底标高-12.46～-37.78m，基槽开挖进行局部特殊处理，对纵向局部小范围分布淤泥质土、粘土（含粉质粘土及夹砂层）、砂层及全风化岩层，根据横向分级、纵向分段的原则，并满足开挖一致性条件，采用与相邻断面土层相协调的坡率进行开挖设计。横向坡率采用1:0.75、1:3、1:5、1:7，基槽纵向底部呈W型，设置了多个缓坡组合，坡率2.960%～ -1.820%。

深中通道沉管隧道共32节沉管，标准管节长165m，非标管节长123.8m，具有建设规模大，沉管埋深大，基础处理方式复杂等特点。

3.清淤施工方法

基槽开挖后，为满足基础施工需要同时避免基槽边坡回淤物的滑塌，需要对槽内回淤进行清除。清淤施工采用耙吸船进行边坡清淤，专用清淤船“捷龙轮”进行基槽底清淤。

深中通道基槽回淤强度高（洪季淤强约2.0cm/d）约为港珠澳大桥岛隧工程项目的2倍。回淤强度增加必将造成清淤工程量增加，而管节施工时间紧凑，各工序施工期短且相对固定，容错率极低。边坡清淤可通过增加耙吸船数量及交叉施工控制；槽底清淤施工仅能采用捷龙轮进行，依据港珠澳大桥施工经验，需要进行7天施工时间才能达到较好的清淤效果，捷龙轮清淤质量及工效直接影响沉管安放节点。

4.设备改造

基槽槽底清淤主要是清除沉管基槽及夯平块石面的超标回淤物，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回淤超过质量检验标准的情况。捷龙轮定点盖章式清淤可较好的完成清淤；但结合本项目自然回淤强度、清淤质量要求及最大清淤深度等实际，需要对捷龙轮进行设备改造以实现高精度快速清淤。

（1）船舶整体改造。捷龙轮本次改造的主要内容为拆除现有80米桁架结构桥梁以及桥梁上设备和附属件，对箱型桥梁进行加长至60m并新设计制造清淤吸头，以满足挖深-40米产能要求并增加泥泵功率提高清淤工效。

（2）清淤系统改造及可视化。清淤系统主要从泥泵功率、传动方式、高压冲水、排泥管径进行改造，增加了泥泵清水排量。

泥泵功率由400KW改为1974KW，柴油机功率由876KW增加到1752KW；传动方式由电机带动泥泵改为由柴油机直接驱动泥泵，减少了功率损耗。泥泵清水排量由2000m/h增加到7000m/h，提高了吸淤能力，对于厚度0.5米以下回淤物，施工时间从5分钟缩短为2分钟，同时可实现离泥面0.3米即可吸清，减少了吸盘触底造成损坏的风险。

高压冲水泵功率由75KW增加到876KW，清水排量由60m/h增加到1100m/h，冲水压力由固定10bar改为0-20bar自由调节，喷头数量由8个增加到12个，喷头可以根据施工情况（泥层厚度、板结情况等）调节出水数量。

排泥管直径由400mm更换为700mm，排泥管材料从塑料管更换内层铸石耐磨管，可有效减少排泥管的磨损也提高了泥浆输送效率和容量。

施工监控系统通过采集船舶吃水、桥架角度、吸头油缸行程及其它仪表数据；通过以太网的方式发送给计算机，实现清淤施工过程可视、可控与动态操作。

5.典型施工

深中通道隧道基槽清淤标准高：块石抛填前1.26g/cm的回淤厚度小于30cm，碎石铺设前1.26g/cm的回淤厚度小于10cm；为确保捷龙轮清淤效果满足质量要求，特进行典型施工。

（1）区域选取。典型施工区选取应符合以下几个特点：①范围大于50＊50m且距离精挖完成后2至3个月；②回淤物厚度超过0.5m；③现场音叉密度测试回淤物密度大于1.26g/cm，回淤物流动性差。

（2）施工控制。船舶按同一方位、5＊5m施工间距进行施工，采用船舶自有密度计控制吸淤时间，测试浑水密度小于1.02g/cm后移位。

（3）测量检验。典型施工完成后，采用多波束测深系统进行清淤效果检验。

（4）统计分析。对多波束扫测结果进行分析，捷龙轮吸淤后形成半径0.9m的圆性底槽，正前方受高压冲水的影响，宽度扩大至1.5m；受吸头流场影响周边坍塌形成边坡，非高压冲水侧坡比为1:3，高压冲水侧坡比为1:5。

图1 捷龙清淤典型施工效果图

表1 单次清淤效果评价表

依据0.5m回淤物清淤实测数据进行拟合分析，单点清淤形状如图2所示，底槽长2.3m，宽1.8m，清淤范围4.75m＊6.35m。

图2 单点吸淤效果平面、断面图

6.施工参数研究

为确保清淤施工工效，槽底回淤厚度大于1m以上的区域采用耙吸式挖泥船进行清淤，厚度小于1m及特殊区域采用捷龙轮进行清淤。捷龙轮通常采用垂直基槽顶流“六锚定位”布锚、“定点盖章”式清淤施工工艺。清淤时利用泥浆密度显示和水深测量装置进行清淤施工监测；当清淤点浓度和水深达到设计要求后，通过收放锚缆移动船舶至下一个清淤点，清淤整体施工顺序呈“S”形布置。

为确保捷龙清淤质量符合深中通道专用验评标准要求，采用列举法开展了清淤施工参数研究。

捷龙单次吸淤满足块石抛填前碎石铺设前清淤质量要求的最大施工间距为（横移＊船艏）3.5m＊4.5m，2.0m＊3.0m。

表2 分次清淤效果评价表

捷龙采用两次吸淤满足块石抛填前碎石铺设前清淤要求的最大施工间距为（横移＊船艏）7.0m＊9.0m，4.5m＊6.0m。

通过研究发现单次与分次清淤总清淤点数基本一致，但从质量控制及工效分析方面均存在优缺点，主要表现如下：

（1）单次清淤：优点是能减少吸淤头横移及船舶绞锚时间，缺点是施工间距小，施工时扰动较大，清淤完成区域因扰动及自然回淤原因，重复施工的风险较高。

（2）分次清淤：优点是施工间距大、清淤时扰动较小，完成清淤的区域重复施工风险小且分次施工对于骤淤现象有一定规避作用；缺点是增加了吸淤头横移及船舶绞锚时间。

捷龙轮“定点盖章式”清淤是通过吸淤头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。水动力根据不同边界条件形成的流场非常复杂，捷龙轮施工间距应综合考虑以下几个因素：

（1）清淤吸头在基床面产生的清淤效果可能不完全相同；

（2）清淤完成至下道工序施工完成，时间跨度大、自然回淤强度高；

（3）捷龙吸淤头施工定位存在偏差，吸淤点位布设应重叠0.5～1.0m；

（4）质量控制应坚持从严原则，清淤后遗留物厚度按0cm控制。

捷龙轮定点盖章式清淤宜采用多次、全覆盖的方式，施工间距推荐3m（横向）＊4m（竖向）；也可根据现场实际情况调整施工参数。

7.清淤施工流程及操作要点

（1）清淤施工流程：①清淤区域扫测，② 船舶进场，③清淤施工，④检测验收。

（2）工艺操作要点：①清淤区域扫测。清淤施工前，进行多波束水深检测；扫测结果与基槽精挖、块石振密后标高进行对比，确定回淤物厚度。②船舶就位。捷龙轮通过“拖带”方式进入隧址区，利用GPS精确定位后进行抛锚就位，确保清淤施工时船舶及清淤系统的稳定性。③清淤施工。依据清淤前扫测回淤物厚度进行施工文件制作；利用施工导航系统，将吸淤头定位至需要清淤的区域，下放桥梁架使吸头紧贴泥面，循环清淤至无回淤物排出。施工过程中，清淤操作手严格按挖泥轨迹显示系统所显示信息严控作业范围及深度，加密过程检测频率，以防止漏清、欠清。④检测验收。清淤施工后检测主要是通过多波束水深检测、音叉密度仪密度检测、人工探摸与取样等途径，分析和控制施工质量；符合验收标准后进行清淤验收。

8.结论及意义

（1）通过对捷龙轮进行设备改造，提高了施工功效，满足了深中通道项目基槽最大清淤深度40m的要求。

（2）通过开展捷龙轮清淤典型施工，确定了新式吸淤头清淤效果模型；

（3）通过开展工艺研究给出了清淤关键施工参数及控制要点；对比了定点盖章式清淤多种施工方法，并分析各方法的优缺点。

开展捷龙轮工艺研究应用意义重大，为指导捷龙轮清淤施工提供了理论依据；对提高清淤施工效率，确保清淤质量给出了方向；同时也降低了本项目因基床回淤物超标对项目造成的经济、安全和无可预知的风险；使技术质量风险更好控制；工期更有保障。