沉管隧道碎石基床清淤试验研究

沉管隧道碎石基床清淤试验研究中交一航局第二工程有限公司技术研发中心试验检测中心让世界更畅通Contents二预埋管道法清淤系统三柔性吸头耙吸式清淤系统五主要成果及创新点一引言目录四两种清淤系统汇总分析

近年来，随着城际交通的快速发展，跨海、跨江等工程也随之增多，水下隧道的施工技术也得到迅速发展，其中沉管法是水下隧道主要的修建方法之一。在采用先铺法进行沉管隧道施工时，碎石基床回淤、清淤问题是当前亟待解决的技术难题。

在回淤问题无法避免的情况下，研发一套高精度、快速清淤系统，不仅是工程的迫切需求，同时对推广先铺法沉管隧道施工也具有重要意义。一引言一引言研发技术路线清淤装备及工艺国内外调研“盖章式”间歇清淤气举法清淤连续“行走式”漂浮清淤耙吸船连续清淤适用条件、对基床影响情况新型清淤装备及工艺研究预埋管道法清淤理论分析试验研究柔性吸头耙吸式清淤Contents目录二预埋管道法清淤系统四振动夯平工艺与装备应用一引言三柔性吸头耙吸式清淤系统五主要成果及创新点四两种清淤系统汇总分析二预埋管道法清淤系统《基础总体施工组织设计》（按港珠澳大桥沉管隧道基础技术指标）；《沉管隧道基础施工图设计》；《GB/T14685-2011建筑用卵石和碎石》；其他现行国家标准和相关行业技术规范、标准、规程等。2.1试验依据2.2清淤标准（1）按照《港珠澳主体工程隧道施工及质量验收标准》要求，碎石整平后、沉管沉放前的回淤要求为：密度＞1.26g/cm³的回淤沉积物不超过4cm或密度＞1.15g/cm³的回淤沉积物厚度不超过8cm。（2）在（1）基础上尽可能将碎石层上淤泥全部清除，同时将清淤过程对基床的扰动降至最低。二预埋管道法清淤系统

2.3清淤系统设计清淤系统清淤管二预埋管道法清淤系统碎石级配2.4准备试验筛孔直径（mm）筛上碎石质量（g）百分比（%）6300.05600.0454483.337.5214015.931.5335825.026.5467034.719260419.402201.6合计13440100碎石物理参数堆积密度ρL（kg/m3）表观密度ρ（kg/m3）空隙率νL（%）1458261844.3二预埋管道法清淤系统2.5试验步骤管道铺设碎石筛洗观察筒摄像头观察筒放置碎石基床铺设二预埋管道法清淤系统2.5试验步骤碎石清洗泥浆搅拌注入泥浆注入海水二预埋管道法清淤系统2.6试验成果分析

清淤试验共进行了7个阶段几十次试验，对清淤变化规律进行总结，从中提取11次典型的试验进行试验结果分析。通过11次试验分别对比不同清淤管直径D，孔眼直径d，孔眼布置间距l，开孔角度θ、清淤管间距h等参数，对清淤效果的影响。二预埋管道法清淤系统2.6试验成果分析2.6.1清淤管尺寸序号清淤管直径（mm）孔眼直径（mm）孔眼布置每排眼间距（mm）每排孔眼夹角淤泥密度（g/cm3）试验1110105排/每排2孔眼1000上部呈120°1.15试验2110105排/每排2孔眼1000上部呈120°1.26试验3110101排/2孔眼清淤管中间上部呈120°1.26试验460105排/每排2孔眼1000上部呈120°1.26试验5110101排/2孔眼清淤管中间上部呈120°1.26试验6110202排/每排2孔眼1000上部呈120°1.26试验7110202排/每排2孔眼1000水平呈180°1.26试验8110105排/每排2孔眼1000水平呈180°1.26试验9110109排/每排2孔眼500水平呈180°1.26试验10110205排/每排2孔眼1000水平呈180°1.26试验111102010排/每排2孔眼

（2根清淤管）1000水平呈180°1.26二预埋管道法清淤系统清淤过程中泥面下降情况2.6试验成果分析2.6.2清淤过程中泥面下降情况2.6.3清淤完成后淤泥状态完成清淤后，将海水面降至泥面以上5cm和将海水面降至泥面以下，可观察到碎石基床上淤泥状态、清淤影响范围等，有如下3种典型清淤效果：二预埋管道法清淤系统碎石显露：表示清淤效果好，淤泥被清除干净。2.6试验成果分析2.6.3清淤完成后淤泥状态有明显网筛眼：表示孔眼多、分布面广，基床表面残留一定厚度淤泥，但满足清淤标准要求。二预埋管道法清淤系统无明显网筛眼：表示孔眼少，基床表面淤泥残留厚度较大，但满足清淤标准要求。2.6试验成果分析2.6.3清淤完成后淤泥状态二预埋管道法清淤系统序

号孔眼总横截面积（cm2）平均流量（m3/h）孔眼平均流速（m/s）清淤管横截面积（cm2）清淤管内流速（m/s）清淤速率（cm/min）碎石层表层淤泥残留厚度（cm）清淤效果描述试验17.8511.44.094.990.331.280碎石显露试验27.8511.49.094.990.260.402有明显网筛眼试验31.574.98.794.990.140.344无明显网筛眼试验47.856.42.328.260.630.172有明显网筛眼试验51.571.52.794.990.040.252无明显网筛眼试验612.565.71.394.990.170.213无明显网筛眼试验712.566.91.594.990.200.183有明显网筛眼试验87.859.63.494.990.280.352有明显网筛眼试验914.1315.83.194.990.460.623无明显网筛眼

试验1031.4前期252.294.990.730.534无明显网筛眼后期211.90.61试验1162.7前期281.294.990.820.614无明显网筛眼后期210.90.612.6试验成果分析2.6.4清淤参数二预埋管道法清淤系统2.6试验成果分析2.6.5清淤机理清淤开始时，清淤管附近逐渐形成清淤通道，并向上发展，随着淤泥沿着清淤通道被抽出，碎石垄上部泥面逐渐下降。清淤通道向上发展至碎石垄顶层，泥浆继续被抽出，泥面继续下降。二预埋管道法清淤系统2.6试验成果分析2.6.5清淤机理当泥面下降至距离碎石垄顶层0~4cm（因试验条件不同而不同）时，由于由于淤泥与碎石之间作用力的存在，使得淤泥附着于碎石上，上部海水与清淤通道贯通，继续清淤则主要将上部海水抽出，而泥浆面不再下降，从而使得抽出的泥浆逐渐变清，密度降低，最终抽出为清水。2.6.6淤泥密度对清淤效果的影响试验1碎石层顶部淤泥平均密度为1.15g/cm3，试验完成后，淤泥面可降至碎石层以下，且碎石裸露明显，清淤效果好。而其他试验碎石层顶部淤泥平均密度为1.26g/cm3，试验完成后，碎石基床表层或多或少都有淤泥淤积现象，淤泥残留厚度在1~4cm之间不等。当淤泥密度≤1.15g/cm3时，通过本清淤系统，可非常好的完成清淤工作。二预埋管道法清淤系统2.6试验成果分析2.6.7清淤管直径对清淤效果的影响2.6.8孔眼间距对清淤效果的影响试验2孔眼间距1000mm，即5排孔眼、每排2孔眼，试验3孔眼布置于清淤管中间，即1排孔眼、2孔眼。根据试验数据可知，试验3孔眼数量少，导致清淤时清淤管内所能达到的最大流量小，清淤速率明显相差较小，但清淤完成后，清淤通道主要集中在清淤管附近，碎石层顶面无明显网筛眼，且离清淤管较近处残留淤泥厚度为2cm左右，而较远处碎石垄上，淤泥厚度可达4cm，而多排眼清淤管效果较好，清淤通道可延伸至周边碎石垄。通过试验2和试验4对比分析，两种清淤管直径（Φ110mm和Φ60mm）完成清淤，所能达到的清淤效果基本相同，碎石层顶部均存在2mm后的残留淤泥，且均有大量孔眼存在。但直径越小，清淤时清淤管内所能达到的最大流量越小，清淤速率明显降低，故采用大直径清淤管清淤效率较高。二预埋管道法清淤系统2.6试验成果分析2.6.9清淤管内流量、孔眼直径对清淤效果的影响相同条件下，清淤管的流量越大，清淤管孔眼处流速越大。试验2中流量为试验3的3.3倍，试验2中流速达到了8.7m/s，而试验3中流速仅为2.7m/s，在较大流速作用下，清淤通道快速形成，虽清淤速率提高了，但淤泥残留厚度增大，清淤效果差。试验8试验中孔眼直径为10mm，试验10中孔眼直径为20mm，孔眼直径影响着流量及孔眼处流速的大小，试验8中清淤管流量为9.6m3/h、孔眼处流速为3.4m/s，而试验10分别为23m3/h、2.2m/s，由试验结果可知，试验10清淤效果较差，碎石层顶面无明显网筛眼，且淤泥残留厚度达到4cm，结合试验2、试验5结果分析，当孔眼直径为10mm、流速在2.7~3.4m/s范围内，清淤效果最好。二预埋管道法清淤系统2.6试验成果分析2.6.10孔眼开孔角度对清淤效果的影响通过试验6和试验7对比分析，当开孔角度为180°时，清淤影响范围较开孔角度为120°时大，当开孔角度为120°时，网筛眼主要集中在清淤管上部碎石垄，而当开孔角度为180°时，网筛眼不仅集中在清淤管上部碎石垄1.8m宽度范围内，相邻碎石垄上也有大量网筛眼。开孔角度为120°时形成的清淤通道开孔角度为180°时形成的清淤通道二预埋管道法清淤系统2.7小结本方案，将清淤管埋设于碎石层底部，故清淤时不会对碎石层产生扰动。密度≤1.15g/cm3的淤泥可完全清除干净。清淤管直径采用Φ110mm、孔眼直径采用10mm、孔眼间距按照1000mm间距布置、孔眼开孔角度为180°、流速控制在2.7~3.4m/s范围内时，所达到的清淤效果最好。虽然利用本系统清淤，未能将密度为1.26g/cm3的淤泥完全清除干净，但残留淤泥厚度已满足沉管安放要求。Contents目录三柔性吸头耙吸式清淤系统四振动夯平工艺与装备应用一引言二预埋管道法清淤系统五主要成果及创新点四两种清淤系统汇总分析三柔性吸头耙吸式清淤系统《基础总体施工组织设计》（按港珠澳大桥沉管隧道基础技术指标）；《沉管隧道基础施工图设计》；《GB/T14685-2011建筑用卵石和碎石》；其他现行国家标准和相关行业技术规范、标准、规程等。3.1试验依据3.2清淤标准（1）按照《港珠澳主体工程隧道施工及质量验收标准》要求，碎石整平后、沉管沉放前的回淤要求为：密度＞1.26g/cm³的回淤沉积物不超过4cm或密度＞1.15g/cm³的回淤沉积物厚度不超过8cm。（2）在（1）基础上尽可能将碎石层上淤泥全部清除，同时将清淤过程对基床的扰动降至最低。三柔性吸头耙吸式清淤系统通过物理模型试验验证“柔性软管吸头”水下清淤装置设计方案的可行性，为进一步清淤船的设计研发提供依据。3.3试验目的3.4清淤系统设计三柔性吸头耙吸式清淤系统3.4清淤系统设计1、底部软管直径等根据泵的特性进行理论分析确定；2、底部软管长度根据试验确定；3、底部水平管距碎石基床高度根据试验确定。三柔性吸头耙吸式清淤系统3.4清淤系统设计船舶摇荡以及清淤装置行走时吸头部分对基床扰动试验

结果分析：当清淤装置行走时吸头部分会对基床产生一些扰动，但只是个别碎石出现翘起或翻滚现象，大部分碎石不会发生位移。三柔性吸头耙吸式清淤系统3.5清淤试验步骤（1）试验槽内一侧布设碎石垄，另一侧布设补水管道，并用碎石覆盖补水管道，以减小水流对基床的冲击。（2）添加密度为1.26g/cm3的淤泥至碎石基床内，淤泥添加至高出碎石基床15cm。（3）开启海水泵，通过补水管道向试验槽内补水至水深2m。三柔性吸头耙吸式清淤系统3.5清淤试验步骤（4）开启清淤泵清淤，人工移动清淤装置，每次移动10cm，移动一次之后直至出水口水质变清后移至下一位置。（5）当清淤装置移至最后一个位置之后，停止补水，继续开启清淤泵清淤，将水排出至距离基床约3cm左右，查看清淤残留情况。抽出淤泥抽出清水三柔性吸头耙吸式清淤系统3.6试验成果分析

清淤试验共进行了29次试验，分别验证了不同底部吸泥软管的内径、数量、间距、移动速度及淤泥厚度对于清淤效果的影响，并获得了3种典型清淤效果。碎石显露：表示清淤效果好淤泥基本清除干净垄沟明显：表示基床与吸头接触的部位碎石显露，相邻两软管之间存在垄沟。较多残留：表示基床表面残留一定厚度淤泥，碎石未显露。三柔性吸头耙吸式清淤系统3.6试验成果分析淤泥添加后不经过沉淀3.6.1不同管径对清淤效果的影响序号软管内径（mm）软管数量（根）管中心间距（m）理论总流量(m3/h)实际总流量(m3/h)实际软管流量(m3/h)实际软管流速(m/s)吸头移动速度（m/min）清淤效果116.519.000.107970.003.684.790.1碎石显露22519.000.1010085.004.472.530.1碎石显露33810.000.10100100.0010.002.450.1碎石显露4454.000.1010080.0020.003.490.1碎石显露54510.000.10100100.0010.001.750.1碎石显露64515.000.10100100.006.671.16

0.1较多残留三柔性吸头耙吸式清淤系统3.6试验成果分析淤泥添加后沉淀14h3.6.1不同管径对清淤效果的影响序号软管内径（mm）软管数量（根）管中心间距（m）理论总流量(m3/h)实际总流量(m3/h)实际软管流量(m3/h)实际软管流速(m/s)吸头移动速度(m/min)清淤效果12519.000.1010085.004.472.530.10明显垄沟23810.000.10100100.0010.002.450.10明显垄沟34510.000.10100100.0010.001.750.10明显垄沟44515.000.10100100.006.671.160.10较多残留52815.000.10100100.006.673.010.10碎石显露三柔性吸头耙吸式清淤系统3.6试验成果分析1）不经过沉淀的淤泥，管径在16.5-45mm之间，流速在1.75-4.79m/s之间，清淤效果均非常好；经过沉淀14小时后的淤泥清淤效果显示有残余垄沟存在，垄沟高度约2-3cm；当流速小于1.16m/s时，清淤效果均较差。2）单根软管的流量流速下降，会使清淤效果变差；3）减小管的直径会使单根管的流速增加，会使清淤效果变好。3.6.1不同管径对清淤效果的影响3.6.2不同软管中心间距对清淤效果的影响通过对相同管径的软管设置不同的管中心间距，验证单根软管的影响范围，本次试验淤泥不经过沉淀。三柔性吸头耙吸式清淤系统3.6试验成果分析3.6.2不同软管中心间距对清淤效果的影响1）加大软管中心间距使清淤效果变差；2）管中心间距0.15m时，内径25mm的软管比内径16.5mm的清淤效果好，因为管径增大减小了相邻两管之间的净间距。序号软管内径（mm）软管数量（根）管中心间距（m）理论总流量(m3/h)实际总流量(m3/h)实际软管流量(m3/h)实际软管流速(m/s)吸头移动速度(m/min)清淤效果116.5010.000.1541.0045.004.505.850.10较多残留216.5019.000.1079.0070.003.684.790.10碎石显露325.0013.000.15100.0065.005.002.730.10垄沟明显425.0019.000.10100.0085.004.472.530.10碎石显露三柔性吸头耙吸式清淤系统3.6试验成果分析3.6.3不同清淤装置移动速度对清淤效果的影响结果分析：1）随着移动速度的增大清淤效果变差；2）当单管流量达到20m3/h，软管流速为3.49m/s时，对于无沉淀的淤泥清淤移动速度能够达到0.6m/min；3）清淤效果与单软管流量和流速有直接关系，对于沉淀14小时后的淤泥，管中心间距为0.1m时，单软管流速为3.5m/s，增加板刷后移动速度为0.4m/s时可取得较好效果。序号软管内径（mm）软管数量（根）管中心间距（m）理论总流量(m3/h)实际总流量(m3/h)实际软管流量(m3/h)实际软管流速(m/s)淤泥吸头移动速度(m/min)清淤效果备注14540.110080203.49无沉淀0.2碎石显露/2无沉淀0.4碎石显露/3无沉淀0.6碎石显露/4无沉淀1.2部分碎石显露/54540.110080203.49沉淀14h0.1碎石显露/6沉淀14h0.2垄沟明显/7沉淀14h0.4碎石显露加板刷8沉淀14h0.6较多残留加板刷9沉淀14h1.2较多残留加板刷三柔性吸头耙吸式清淤系统3.6试验成果分析3.6.4搭接分析清淤后两侧未受影响的淤泥在排水后产生塌落，根据测量塌落范围小于30cm，同时有水的情况塌落范围要小于排水后，所以根据试验结果制定吸头纵向搭接长度为30cm。三柔性吸头耙吸式清淤系统3.6试验成果分析3.6.5效率分析以深中通道试验段为例，采用本方案耙吸式设计形式与港珠澳现有清淤泵进行效率对比。碎石基床布置形式三柔性吸头耙吸式清淤系统3.6试验成果分析3.6.5效率分析（1）耙吸式设计方案

平均移动速度为0.6m/min，吸头单次清淤宽度为3.3m（搭接0.3m），一个船位所需时间为42/0.6/60*25.65/3.3=8.8h。

沉管碎石基床按照180m长度计算，则一个碎石基床清淤所需时间为：7*8.8=63.5h。（2）港珠澳现有方案

平均移动速度为1m/min，吸头单次清淤宽度为3.9m，一个船位所需时间为42/1/60*25.65/3.9=4.6h。

沉管碎石基床按照180m长度计算，按照7个船位计算，每个船位插拔桩腿时间按照6h计算，则一个碎石基床清淤所需时间：7*4.6+6*7=74.2h。三柔性吸头耙吸式清淤系统3.7小结本清淤装置与碎石基床接触部分采用软质柔性材料，在清淤过程中，可有效防止该装置对碎石基床的扰动。淤泥淤积较厚的情况下，通过增加板刷，清淤时板刷对淤泥产生扰动，便于清淤软管对淤泥的吸入，可提高清淤效率及清淤效果。单根软管的流量流速下降，会使清淤效果变差；减小管的直径会使单根管的流速增加，会使清淤效果变好。加大软管中心间距使清淤效果变差。清淤效果与单软管流量和流速有直接关系，对于沉淀14小时后的淤泥，管中心间距为0.1m时，单软管流速为3.5m/s，增加板刷后移动速度为0.4m/s时可取得较好效果。清淤时吸头纵向搭接长度宜为30cm。本清淤方案较港珠澳现有方案清淤