沉管隧道碎石基床清淤試驗研究

沉管隧道碎石基床清淤試驗研究中交一航局第二工程有限公司技術(shù)研發(fā)中心試驗檢測中心讓世界更暢通Contents二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)五主要成果及創(chuàng)新點一引言目錄四兩種清淤系統(tǒng)匯總分析

近年來，隨著城際交通的快速發(fā)展，跨海、跨江等工程也隨之增多，水下隧道的施工技術(shù)也得到迅速發(fā)展，其中沉管法是水下隧道主要的修建方法之一。在采用先鋪法進(jìn)行沉管隧道施工時，碎石基床回淤、清淤問題是當(dāng)前亟待解決的技術(shù)難題。

在回淤問題無法避免的情況下，研發(fā)一套高精度、快速清淤系統(tǒng)，不僅是工程的迫切需求，同時對推廣先鋪法沉管隧道施工也具有重要意義。一引言一引言研發(fā)技術(shù)路線清淤裝備及工藝國內(nèi)外調(diào)研“蓋章式”間歇清淤氣舉法清淤連續(xù)“行走式”漂浮清淤耙吸船連續(xù)清淤適用條件、對基床影響情況新型清淤裝備及工藝研究預(yù)埋管道法清淤理論分析試驗研究柔性吸頭耙吸式清淤Contents目錄二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)四振動夯平工藝與裝備應(yīng)用一引言三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)五主要成果及創(chuàng)新點四兩種清淤系統(tǒng)匯總分析二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)《基礎(chǔ)總體施工組織設(shè)計》（按港珠澳大橋沉管隧道基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)）；《沉管隧道基礎(chǔ)施工圖設(shè)計》；《GB/T14685-2011建筑用卵石和碎石》；其他現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程等。2.1試驗依據(jù)2.2清淤標(biāo)準(zhǔn)（1）按照《港珠澳主體工程隧道施工及質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》要求，碎石整平后、沉管沉放前的回淤要求為：密度＞1.26g/cm3的回淤沉積物不超過4cm或密度＞1.15g/cm3的回淤沉積物厚度不超過8cm。（2）在（1）基礎(chǔ)上盡可能將碎石層上淤泥全部清除，同時將清淤過程對基床的擾動降至最低。二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)

2.3清淤系統(tǒng)設(shè)計清淤系統(tǒng)清淤管二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)碎石級配2.4準(zhǔn)備試驗篩孔直徑（mm）篩上碎石質(zhì)量（g）百分比（%）6300.05600.0454483.337.5214015.931.5335825.026.5467034.719260419.402201.6合計13440100碎石物理參數(shù)堆積密度ρL（kg/m3）表觀密度ρ（kg/m3）空隙率νL（%）1458261844.3二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)2.5試驗步驟管道鋪設(shè)碎石篩洗觀察筒攝像頭觀察筒放置碎石基床鋪設(shè)二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)2.5試驗步驟碎石清洗泥漿攪拌注入泥漿注入海水二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)2.6試驗成果分析

清淤試驗共進(jìn)行了7個階段幾十次試驗，對清淤變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，從中提取11次典型的試驗進(jìn)行試驗結(jié)果分析。通過11次試驗分別對比不同清淤管直徑D，孔眼直徑d，孔眼布置間距l(xiāng)，開孔角度θ、清淤管間距h等參數(shù)，對清淤效果的影響。二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)2.6試驗成果分析2.6.1清淤管尺寸序號清淤管直徑（mm）孔眼直徑（mm）孔眼布置每排眼間距（mm）每排孔眼夾角淤泥密度（g/cm3）試驗1110105排/每排2孔眼1000上部呈120°1.15試驗2110105排/每排2孔眼1000上部呈120°1.26試驗3110101排/2孔眼清淤管中間上部呈120°1.26試驗460105排/每排2孔眼1000上部呈120°1.26試驗5110101排/2孔眼清淤管中間上部呈120°1.26試驗6110202排/每排2孔眼1000上部呈120°1.26試驗7110202排/每排2孔眼1000水平呈180°1.26試驗8110105排/每排2孔眼1000水平呈180°1.26試驗9110109排/每排2孔眼500水平呈180°1.26試驗10110205排/每排2孔眼1000水平呈180°1.26試驗111102010排/每排2孔眼

（2根清淤管）1000水平呈180°1.26二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)清淤過程中泥面下降情況2.6試驗成果分析2.6.2清淤過程中泥面下降情況2.6.3清淤完成后淤泥狀態(tài)完成清淤后，將海水面降至泥面以上5cm和將海水面降至泥面以下，可觀察到碎石基床上淤泥狀態(tài)、清淤影響范圍等，有如下3種典型清淤效果：二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)碎石顯露：表示清淤效果好，淤泥被清除干凈。2.6試驗成果分析2.6.3清淤完成后淤泥狀態(tài)有明顯網(wǎng)篩眼：表示孔眼多、分布面廣，基床表面殘留一定厚度淤泥，但滿足清淤標(biāo)準(zhǔn)要求。二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)無明顯網(wǎng)篩眼：表示孔眼少，基床表面淤泥殘留厚度較大，但滿足清淤標(biāo)準(zhǔn)要求。2.6試驗成果分析2.6.3清淤完成后淤泥狀態(tài)二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)序

號孔眼總橫截面積（cm2）平均流量（m3/h）孔眼平均流速（m/s）清淤管橫截面積（cm2）清淤管內(nèi)流速（m/s）清淤速率（cm/min）碎石層表層淤泥殘留厚度（cm）清淤效果描述試驗17.8511.44.094.990.331.280碎石顯露試驗27.8511.49.094.990.260.402有明顯網(wǎng)篩眼試驗31.574.98.794.990.140.344無明顯網(wǎng)篩眼試驗47.856.42.328.260.630.172有明顯網(wǎng)篩眼試驗51.571.52.794.990.040.252無明顯網(wǎng)篩眼試驗612.565.71.394.990.170.213無明顯網(wǎng)篩眼試驗712.566.91.594.990.200.183有明顯網(wǎng)篩眼試驗87.859.63.494.990.280.352有明顯網(wǎng)篩眼試驗914.1315.83.194.990.460.623無明顯網(wǎng)篩眼

試驗1031.4前期252.294.990.730.534無明顯網(wǎng)篩眼后期211.90.61試驗1162.7前期281.294.990.820.614無明顯網(wǎng)篩眼后期210.90.612.6試驗成果分析2.6.4清淤參數(shù)二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)2.6試驗成果分析2.6.5清淤機理清淤開始時，清淤管附近逐漸形成清淤通道，并向上發(fā)展，隨著淤泥沿著清淤通道被抽出，碎石壟上部泥面逐漸下降。清淤通道向上發(fā)展至碎石壟頂層，泥漿繼續(xù)被抽出，泥面繼續(xù)下降。二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)2.6試驗成果分析2.6.5清淤機理當(dāng)泥面下降至距離碎石壟頂層0~4cm（因試驗條件不同而不同）時，由于由于淤泥與碎石之間作用力的存在，使得淤泥附著于碎石上，上部海水與清淤通道貫通，繼續(xù)清淤則主要將上部海水抽出，而泥漿面不再下降，從而使得抽出的泥漿逐漸變清，密度降低，最終抽出為清水。2.6.6淤泥密度對清淤效果的影響試驗1碎石層頂部淤泥平均密度為1.15g/cm3，試驗完成后，淤泥面可降至碎石層以下，且碎石裸露明顯，清淤效果好。而其他試驗碎石層頂部淤泥平均密度為1.26g/cm3，試驗完成后，碎石基床表層或多或少都有淤泥淤積現(xiàn)象，淤泥殘留厚度在1~4cm之間不等。當(dāng)淤泥密度≤1.15g/cm3時，通過本清淤系統(tǒng)，可非常好的完成清淤工作。二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)2.6試驗成果分析2.6.7清淤管直徑對清淤效果的影響2.6.8孔眼間距對清淤效果的影響試驗2孔眼間距1000mm，即5排孔眼、每排2孔眼，試驗3孔眼布置于清淤管中間，即1排孔眼、2孔眼。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，試驗3孔眼數(shù)量少，導(dǎo)致清淤時清淤管內(nèi)所能達(dá)到的最大流量小，清淤速率明顯相差較小，但清淤完成后，清淤通道主要集中在清淤管附近，碎石層頂面無明顯網(wǎng)篩眼，且離清淤管較近處殘留淤泥厚度為2cm左右，而較遠(yuǎn)處碎石壟上，淤泥厚度可達(dá)4cm，而多排眼清淤管效果較好，清淤通道可延伸至周邊碎石壟。通過試驗2和試驗4對比分析，兩種清淤管直徑（Φ110mm和Φ60mm）完成清淤，所能達(dá)到的清淤效果基本相同，碎石層頂部均存在2mm后的殘留淤泥，且均有大量孔眼存在。但直徑越小，清淤時清淤管內(nèi)所能達(dá)到的最大流量越小，清淤速率明顯降低，故采用大直徑清淤管清淤效率較高。二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)2.6試驗成果分析2.6.9清淤管內(nèi)流量、孔眼直徑對清淤效果的影響相同條件下，清淤管的流量越大，清淤管孔眼處流速越大。試驗2中流量為試驗3的3.3倍，試驗2中流速達(dá)到了8.7m/s，而試驗3中流速僅為2.7m/s，在較大流速作用下，清淤通道快速形成，雖清淤速率提高了，但淤泥殘留厚度增大，清淤效果差。試驗8試驗中孔眼直徑為10mm，試驗10中孔眼直徑為20mm，孔眼直徑影響著流量及孔眼處流速的大小，試驗8中清淤管流量為9.6m3/h、孔眼處流速為3.4m/s，而試驗10分別為23m3/h、2.2m/s，由試驗結(jié)果可知，試驗10清淤效果較差，碎石層頂面無明顯網(wǎng)篩眼，且淤泥殘留厚度達(dá)到4cm，結(jié)合試驗2、試驗5結(jié)果分析，當(dāng)孔眼直徑為10mm、流速在2.7~3.4m/s范圍內(nèi)，清淤效果最好。二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)2.6試驗成果分析2.6.10孔眼開孔角度對清淤效果的影響通過試驗6和試驗7對比分析，當(dāng)開孔角度為180°時，清淤影響范圍較開孔角度為120°時大，當(dāng)開孔角度為120°時，網(wǎng)篩眼主要集中在清淤管上部碎石壟，而當(dāng)開孔角度為180°時，網(wǎng)篩眼不僅集中在清淤管上部碎石壟1.8m寬度范圍內(nèi)，相鄰碎石壟上也有大量網(wǎng)篩眼。開孔角度為120°時形成的清淤通道開孔角度為180°時形成的清淤通道二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)2.7小結(jié)本方案，將清淤管埋設(shè)于碎石層底部，故清淤時不會對碎石層產(chǎn)生擾動。密度≤1.15g/cm3的淤泥可完全清除干凈。清淤管直徑采用Φ110mm、孔眼直徑采用10mm、孔眼間距按照1000mm間距布置、孔眼開孔角度為180°、流速控制在2.7~3.4m/s范圍內(nèi)時，所達(dá)到的清淤效果最好。雖然利用本系統(tǒng)清淤，未能將密度為1.26g/cm3的淤泥完全清除干凈，但殘留淤泥厚度已滿足沉管安放要求。Contents目錄三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)四振動夯平工藝與裝備應(yīng)用一引言二預(yù)埋管道法清淤系統(tǒng)五主要成果及創(chuàng)新點四兩種清淤系統(tǒng)匯總分析三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)《基礎(chǔ)總體施工組織設(shè)計》（按港珠澳大橋沉管隧道基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)）；《沉管隧道基礎(chǔ)施工圖設(shè)計》；《GB/T14685-2011建筑用卵石和碎石》；其他現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)行業(yè)技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程等。3.1試驗依據(jù)3.2清淤標(biāo)準(zhǔn)（1）按照《港珠澳主體工程隧道施工及質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》要求，碎石整平后、沉管沉放前的回淤要求為：密度＞1.26g/cm3的回淤沉積物不超過4cm或密度＞1.15g/cm3的回淤沉積物厚度不超過8cm。（2）在（1）基礎(chǔ)上盡可能將碎石層上淤泥全部清除，同時將清淤過程對基床的擾動降至最低。三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)通過物理模型試驗驗證“柔性軟管吸頭”水下清淤裝置設(shè)計方案的可行性，為進(jìn)一步清淤船的設(shè)計研發(fā)提供依據(jù)。3.3試驗?zāi)康?.4清淤系統(tǒng)設(shè)計三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.4清淤系統(tǒng)設(shè)計1、底部軟管直徑等根據(jù)泵的特性進(jìn)行理論分析確定；2、底部軟管長度根據(jù)試驗確定；3、底部水平管距碎石基床高度根據(jù)試驗確定。三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.4清淤系統(tǒng)設(shè)計船舶搖蕩以及清淤裝置行走時吸頭部分對基床擾動試驗

結(jié)果分析：當(dāng)清淤裝置行走時吸頭部分會對基床產(chǎn)生一些擾動，但只是個別碎石出現(xiàn)翹起或翻滾現(xiàn)象，大部分碎石不會發(fā)生位移。三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.5清淤試驗步驟（1）試驗槽內(nèi)一側(cè)布設(shè)碎石壟，另一側(cè)布設(shè)補水管道，并用碎石覆蓋補水管道，以減小水流對基床的沖擊。（2）添加密度為1.26g/cm3的淤泥至碎石基床內(nèi)，淤泥添加至高出碎石基床15cm。（3）開啟海水泵，通過補水管道向試驗槽內(nèi)補水至水深2m。三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.5清淤試驗步驟（4）開啟清淤泵清淤，人工移動清淤裝置，每次移動10cm，移動一次之后直至出水口水質(zhì)變清后移至下一位置。（5）當(dāng)清淤裝置移至最后一個位置之后，停止補水，繼續(xù)開啟清淤泵清淤，將水排出至距離基床約3cm左右，查看清淤殘留情況。抽出淤泥抽出清水三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.6試驗成果分析

清淤試驗共進(jìn)行了29次試驗，分別驗證了不同底部吸泥軟管的內(nèi)徑、數(shù)量、間距、移動速度及淤泥厚度對于清淤效果的影響，并獲得了3種典型清淤效果。碎石顯露：表示清淤效果好淤泥基本清除干凈壟溝明顯：表示基床與吸頭接觸的部位碎石顯露，相鄰兩軟管之間存在壟溝。較多殘留：表示基床表面殘留一定厚度淤泥，碎石未顯露。三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.6試驗成果分析淤泥添加后不經(jīng)過沉淀3.6.1不同管徑對清淤效果的影響序號軟管內(nèi)徑（mm）軟管數(shù)量（根）管中心間距（m）理論總流量(m3/h)實際總流量(m3/h)實際軟管流量(m3/h)實際軟管流速(m/s)吸頭移動速度（m/min）清淤效果116.519.000.107970.003.684.790.1碎石顯露22519.000.1010085.004.472.530.1碎石顯露33810.000.10100100.0010.002.450.1碎石顯露4454.000.1010080.0020.003.490.1碎石顯露54510.000.10100100.0010.001.750.1碎石顯露64515.000.10100100.006.671.16

0.1較多殘留三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.6試驗成果分析淤泥添加后沉淀14h3.6.1不同管徑對清淤效果的影響序號軟管內(nèi)徑（mm）軟管數(shù)量（根）管中心間距（m）理論總流量(m3/h)實際總流量(m3/h)實際軟管流量(m3/h)實際軟管流速(m/s)吸頭移動速度(m/min)清淤效果12519.000.1010085.004.472.530.10明顯壟溝23810.000.10100100.0010.002.450.10明顯壟溝34510.000.10100100.0010.001.750.10明顯壟溝44515.000.10100100.006.671.160.10較多殘留52815.000.10100100.006.673.010.10碎石顯露三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.6試驗成果分析1）不經(jīng)過沉淀的淤泥，管徑在16.5-45mm之間，流速在1.75-4.79m/s之間，清淤效果均非常好；經(jīng)過沉淀14小時后的淤泥清淤效果顯示有殘余壟溝存在，壟溝高度約2-3cm；當(dāng)流速小于1.16m/s時，清淤效果均較差。2）單根軟管的流量流速下降，會使清淤效果變差；3）減小管的直徑會使單根管的流速增加，會使清淤效果變好。3.6.1不同管徑對清淤效果的影響3.6.2不同軟管中心間距對清淤效果的影響通過對相同管徑的軟管設(shè)置不同的管中心間距，驗證單根軟管的影響范圍，本次試驗淤泥不經(jīng)過沉淀。三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.6試驗成果分析3.6.2不同軟管中心間距對清淤效果的影響1）加大軟管中心間距使清淤效果變差；2）管中心間距0.15m時，內(nèi)徑25mm的軟管比內(nèi)徑16.5mm的清淤效果好，因為管徑增大減小了相鄰兩管之間的凈間距。序號軟管內(nèi)徑（mm）軟管數(shù)量（根）管中心間距（m）理論總流量(m3/h)實際總流量(m3/h)實際軟管流量(m3/h)實際軟管流速(m/s)吸頭移動速度(m/min)清淤效果116.5010.000.1541.0045.004.505.850.10較多殘留216.5019.000.1079.0070.003.684.790.10碎石顯露325.0013.000.15100.0065.005.002.730.10壟溝明顯425.0019.000.10100.0085.004.472.530.10碎石顯露三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.6試驗成果分析3.6.3不同清淤裝置移動速度對清淤效果的影響結(jié)果分析：1）隨著移動速度的增大清淤效果變差；2）當(dāng)單管流量達(dá)到20m3/h，軟管流速為3.49m/s時，對于無沉淀的淤泥清淤移動速度能夠達(dá)到0.6m/min；3）清淤效果與單軟管流量和流速有直接關(guān)系，對于沉淀14小時后的淤泥，管中心間距為0.1m時，單軟管流速為3.5m/s，增加板刷后移動速度為0.4m/s時可取得較好效果。序號軟管內(nèi)徑（mm）軟管數(shù)量（根）管中心間距（m）理論總流量(m3/h)實際總流量(m3/h)實際軟管流量(m3/h)實際軟管流速(m/s)淤泥吸頭移動速度(m/min)清淤效果備注14540.110080203.49無沉淀0.2碎石顯露/2無沉淀0.4碎石顯露/3無沉淀0.6碎石顯露/4無沉淀1.2部分碎石顯露/54540.110080203.49沉淀14h0.1碎石顯露/6沉淀14h0.2壟溝明顯/7沉淀14h0.4碎石顯露加板刷8沉淀14h0.6較多殘留加板刷9沉淀14h1.2較多殘留加板刷三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.6試驗成果分析3.6.4搭接分析清淤后兩側(cè)未受影響的淤泥在排水后產(chǎn)生塌落，根據(jù)測量塌落范圍小于30cm，同時有水的情況塌落范圍要小于排水后，所以根據(jù)試驗結(jié)果制定吸頭縱向搭接長度為30cm。三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.6試驗成果分析3.6.5效率分析以深中通道試驗段為例，采用本方案耙吸式設(shè)計形式與港珠澳現(xiàn)有清淤泵進(jìn)行效率對比。碎石基床布置形式三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.6試驗成果分析3.6.5效率分析（1）耙吸式設(shè)計方案

平均移動速度為0.6m/min，吸頭單次清淤寬度為3.3m（搭接0.3m），一個船位所需時間為42/0.6/60*25.65/3.3=8.8h。

沉管碎石基床按照180m長度計算，則一個碎石基床清淤所需時間為：7*8.8=63.5h。（2）港珠澳現(xiàn)有方案

平均移動速度為1m/min，吸頭單次清淤寬度為3.9m，一個船位所需時間為42/1/60*25.65/3.9=4.6h。

沉管碎石基床按照180m長度計算，按照7個船位計算，每個船位插拔樁腿時間按照6h計算，則一個碎石基床清淤所需時間：7*4.6+6*7=74.2h。三柔性吸頭耙吸式清淤系統(tǒng)3.7小結(jié)本清淤裝置與碎石基床接觸部分采用軟質(zhì)柔性材料，在清淤過程中，可有效防止該裝置對碎石基床的擾動。淤泥淤積較厚的情況下，通過增加板刷，清淤時板刷對淤泥產(chǎn)生擾動，便于清淤軟管對淤泥的吸入，可提高清淤效率及清淤效果。單根軟管的流量流速下降，會使清淤效果變差；減小管的直徑會使單根管的流速增加，會使清淤效果變好。加大軟管中心間距使清淤效果變差。清淤效果與單軟管流量和流速有直接關(guān)系，對于沉淀14小時后的淤泥，管中心間距為0.1m時，單軟管流速為3.5m/s，增加板刷后移動速度為0.4m/s時可取得較好效果。清淤時吸頭縱向搭接長度宜為30cm。本清淤方案較港珠澳現(xiàn)有方案清淤