外海深水碎石基床精准清淤装备研发及应用

李家林，刘建峰，王明亮，刘兆权

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

海底沉管隧道施工是将多个预制沉管管节逐个沉放到水底碎石基床面上对接而成。港珠澳大桥沉管隧道碎石基床采用先铺法，最大水深达到-48 m，是沉管隧道施工的关键工序之一，基床铺设精度控制在±40 mm以内。图1为基床碎石铺设整平施工示意图。

由于沉管隧道施工过程中，施工海域受多方面因素影响，沉管基床回淤明显，E15管节更因回淤问题历经2次浮运未能实现顺利安装，被迫回坞的困境。随着沉管安装进程的不断推进，回淤问题愈发凸显。

图1 沉管基床碎石铺设施工示意图Fig.1 Construction schematic diagram of laying of immersed pipe gravel bed

1 研发清淤技术装备目的及难点

1.1 目的

通过技术攻关，研发一套具有自主知识产权，能够快速响应，高精度、高效率的清淤设备，并能够在不破坏已铺设的碎石垫层前提下，高效清除深水碎石基床回淤的覆盖层淤泥，以解决碎石基床回淤问题。

1.2 难点

1）没有工程实践先例

搜寻国内外水工市场，在外海、深水、大径流等恶劣条件下实现高精度、高工效的精准清淤作业，还没有类似工程案例；没有成熟的技术装备方案可以借鉴，需要从头设计。

2）装备技术要求高

该装备集成了船舶精准定位、清淤装置行程精准定位、吸口高程精准控制、泥浆泵压力和流量控制、清淤头流场控制、泥浆管内流场控制、清淤塔架升降机构和液压驱动系统、电气系统等设备集成，自动化程度高，信息控制技术高度集成。

大功率泥浆泵清淤系统为液压驱动，深水下液压管路及信号检测电缆密封要求高，且液压管路直径大、系统压力高，电缆和液压管路随塔架同步上下移动行程约60 m，升降难度大。

3）高程控制和检测难度大

为保障清淤施工工效，清淤系统设备吸口要尽可能接近碎石基床表面进行清淤作业，为防护已铺设的碎石基床不被破坏，吸口不能触碰已铺设的碎石基床。

外海深水碎石基床流场复杂、可视性非常差，严重影响对清淤效果的评判，需要借助深水照明设备、多波束测深仪、多波束声呐和深水摄像设备等测控系统获得沉管基床碎石的有关参数，从而保证清淤作业的有效施工[1-2]。

2 清淤技术装备方案

利用自升平台式碎石铺设整平船“津平1”原有的大、小行走台车系统，增加一套可以自动升降和锁紧的三角形清淤塔架，塔架总长65 m，采用液压驱动的齿轮齿条控制其升降。在清淤架头部安装有2台1 250 m3/h泥浆泵，通过定制的橡胶软管与吸头连接，吸头高程可调，并可调节吸口的开闭和高程来清除基床垄顶和垄沟内淤泥。图2为清淤系统示意图。

图2 清淤系统示意图Fig.2 Schematic diagram of desilting system

清淤吸头随着大、小台车“Z”字形沿碎石垄行走，将垄顶及垄沟内的泥浆扰动吸入并经清淤架内钢质管引至海面后，再通过可以收放的橡胶软管排出舷外，后经舷外海面漂浮的排泥管道，实现远离施工水域排放泥浆。主要参数表见表1和表2。

表1 主要设备参数Table 1 The main equipment parameters

表2 主要性能参数Table 2 The main performance parameters

3 关键技术

为了确保清淤装备只能精准清除碎石基床回淤的覆盖层淤泥，而不能破坏已铺设的碎石基床，必须精准控制清淤头吸口处水流速度和流场变化，全面分析清淤工效和流场流速控制等综合因素，因此，采用了国际上行业顶尖品牌的大型液压驱动泥浆泵。图3、图4为DOP250泵和其清淤原理图。

图3DOP250泵Fig.3DOP250 pump

图4 清淤原理图Fig.4 Principle diagram of the desilting

清淤系统头部吸口四周设置了具有20个高压喷水嘴的冲水装置，从而扰动基床碎石垄及垄沟内覆盖层的回淤物，来增强清淤效率。高压冲水装置喷嘴出水的流速、流量必须精确控制，避免破坏碎石基床[3]。

4 清淤装备测控系统

清淤装置控制系统综合应用了倾斜仪、声呐、GPS-RTK，多波束测控仪、电气控制、电液控制等多项测控技术的集成。该清淤装备应用大型泥浆泵流量控制、压力控制、功率控制和高程控制的组合控制方式，高度集成了泥浆泵运行参数、GPS参数及水下影像设备的数据，智能化控制与检测，便于操作管理，将基床碎石表面精准清淤这种高难度作业变成简单操作[4]。

5 工程实践应用

经过工程试验，行走台车速度为1 m/min，可一次性有效清除碎石基床垄顶及垄沟内覆盖层回淤物。当吸头距沉管基床碎石垄顶150 mm，泥浆泵功率运行到85%负荷时，基床覆盖层回淤物一次性清理得最优。当吸头距离垄顶125 mm，泥浆泵功率运行至70%负荷时，就开始有碎石被扰动，有的甚至被吸出排泥管。

受2015年第24号台风“巨爵”影响，E22管节受异常大潮差等综合因素影响，第1号、2号船位北侧回淤严重，往南逐渐减轻，通过分析多波束扫测数据和声呐对回淤比较严重的基床碎石第5条垄及+10 m处纵断面进行检测，确认基床北侧回淤最大达279 mm。碎石基床回淤检测结果见图5。

图5 E22管节碎石基床回淤检测结果（+10 m）Fig.5 Test results of gravel bed back silting（+10 m)

2015年11月2日启动基床清淤施工计划，施工前将清淤装置吸头高程校准后，移动位置到需要清淤的基床碎石垄顶上方一定高度，通过微调清淤头部液压油缸，将吸口精准调节至基床碎石垄顶。然后按照确定的清淤路线，分别沿垄中心偏东450 mm、偏西450 mm及垄沟中心处进行清淤施工作业。清淤后潜水探摸录像可以看到石子，多波束扫测表明回淤物基本已清除，经过判断满足设计要求[5]，可进行沉管安装作业。碎石基床清淤后检测结果见图6。

图6 E22管节碎石基床清淤检测结果Fig.6 Test results of gravel bed desilting

6 结语

2015年11月5日，港珠澳大桥岛隧工程E22沉管管节顺利安装，沉管贯通后，高程测量结果显示首尾端分别偏高36．5 mm和1．3 mm，纵倾0．339%与设计纵倾0．319%基本吻合，碎石垫层铺设保持了一如既往的高精度水平，清淤施工取得了可喜成果，实现了外海深水碎石基床安全、环保和无损清淤施工作业的突破。

本次清淤施工表明，技术攻关研发的深水清淤装备在既不破坏沉管基床的情况下，又能够将基床碎石垄顶超过200 mm的回淤覆盖物有效清除至设计范围内，彻底规避了因回淤带来的工期和成本风险。自升平台式碎石铺设整平船“津平1”通过清淤装置技改，已成为目前世界上唯一一艘具有清淤能力的整平作业船舶，该装备作业安全、环保、节能、高效，完成了我国在水工施工领域的一次创举，具有极高的推广意义和工程应用价值，解决了外海深水施工领域的精准清淤作业难题。