碎石基床清淤系统及清淤施工方法与流程

本发明属于深水基床施工技术领域，尤其涉及一种碎石基床清淤系统及清淤施工方法。

背景技术：

在沉管隧道施工中，为了使隧道基槽底面平整，通常需要铺设碎石基床。在碎石基床铺设后，由于水域中含沙量较多，且基床原泥面存在一定厚度的淤泥，随着水流的扰动会引发回淤问题，使碎石基床的垄沟内和垄顶表面沉积淤泥，影响进一步沉放沉管，因而，在碎石基床铺设后需要清这些沉积的超标淤泥。

目前，常用的水下清淤装置有耙吸船、连续行走式漂浮清淤装置和盖章式间歇清淤装置等。然而，采用这些现有清淤装置清理碎石基床的淤泥，仍存在一些不足。例如：(1)采用耙吸船和盖章式间歇清淤装置进行清淤时，会对碎石基床造成一定程度的破坏，且清淤效率低；(2)采用连续行走式漂浮清淤装置进行清淤时，虽然不会破坏碎石基床，但其无法清除垄沟内的淤泥以及垄顶表面已结块的淤泥，清淤效果不理想。

因此，如何在不破坏碎石基床的前提下，快速全面地清除碎石基床垄沟内和垄顶表面的淤泥，是当前急需解决的一项技术问题。

技术实现要素：

本发明针对上述的现有清淤装置破坏碎石基床、清淤不彻底且效率低的技术问题，提出一种碎石基床清淤系统及清淤施工方法，能够在不破坏碎石基床的前提下，快速全面地清除碎石基床垄沟内和垄顶表面的淤泥。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提出一种碎石基床清淤系统，包括母船、清淤装置和用于将所述清淤装置沉放至水下碎石基床的吊放装置，所述清淤装置通过所述吊放装置连接于所述母船；所述清淤装置包括可支撑于所述碎石基床床面的支撑框，所述支撑框围住所述碎石基床的部分床面；所述清淤装置还包括横跨于所述支撑框的台车，所述台车连接有用于扰动淤泥的扰动组件、用于冲洗所述碎石基床床面的冲淤组件以及用于吸除淤泥的吸头，所述台车可带动所述扰动组件、冲淤组件和吸头在所述支撑框内移动；所述吸头、冲淤组件和扰动组件沿所述台车的移动方向依次设置。

作为优选，所述扰动组件包括连接于所述台车的转轴，所述转轴沿与所述台车移动方向相垂直的方向设置，所述转轴外周设置有可绕所述转轴旋转的螺旋刀头。

作为优选，所述冲淤组件包括冲淤管和与所述冲淤管相连的动力泵。

作为优选，所述碎石基床清淤系统进一步包括用于调节所述清淤装置浮力的浮力调节装置，所述浮力调节装置包括设置于所述支撑框底部的压力传感器，设置于所述支撑框的压载水单元，用于控制所述压载水单元进水和排水的压载水控制器，所述压载水控制器分别与所述压力传感器和压载水单元电连接。

作为优选，所述碎石基床清淤系统进一步包括测量定位装置，所述测量定位装置包括用于计算所述清淤装置高程的测量塔，用于确定所述清淤装置平面位置的定位单元，以及用于控制所述清淤装置姿态的倾斜仪；所述测量塔对称安装于所述支撑框的两端，所述定位单元安装于所述测量塔的顶端，所述倾斜仪安装于所述支撑框。

作为优选，所述碎石基床清淤系统进一步包括设置于所述支撑框的验收装置，所述验收装置包括多波束扫测声呐、单波束扫测声呐、超短基线声呐或高度计中一种或多种。

本发明还提出一种利用如上述任一项技术方案所述的碎石基床清淤系统的清淤施工方法，包括如下步骤：

s1母船驻位：确定碎石基床的回淤范围及回淤厚度，将所述碎石基床清淤系统的母船行驶至所述回淤范围的上方并驻位；

s2清淤装置就位：通过所述碎石基床清淤系统的吊放装置将所述碎石基床清淤系统的清淤装置沉放至所述碎石基床的床面；

s3清淤作业：移动所述清淤装置的台车，所述台车带动与所述台车相连的扰动组件、冲淤组件和吸头在所述支撑框内同步移动，通过所述扰动组件将所述碎石基床床面的淤泥扬起，通过所述冲淤组件冲洗所述碎石基床的床面，通过所述吸头将淤泥吸除，完成此次驻位的清淤作业；

s4清淤验收：对清淤作业进行验收，验收合格后，移动所述母船至下一船位，重复上述清淤作业，并进行清淤验收；

s5复测：完成所述回淤范围内的清淤作业后，对所述回淤范围内的清淤作业进行复测。

作为优选，所述清淤装置就位步骤中，所述清淤装置沉放至靠近所述碎石基床床面时暂停沉放，通过所述碎石基床清淤系统的测量定位装置调整所述清淤装置的平面位置和高程，并调整所述清淤装置的姿态。

作为优选，所述清淤装置就位步骤中，当所述清淤装置沉放至所述碎石基床床面后，还包括通过所述碎石基床清淤系统的浮力调节装置调节所述清淤装置的浮力，保持所述支撑框对所述碎石基床床面的压力始终小于沉管对碎石基床床面的设计压力。

作为优选，所述清淤验收步骤或所述复测中，利用所述碎石基床清淤系统的验收装置进行验收或复测。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于：

1、本发明提供的碎石基床清淤系统，其清淤装置包括支撑框、台车、扰动组件、冲淤组件和吸头，配合设置的吊放装置，能够在不破坏碎石基床的前提下，快速全面地清除碎石基床垄沟内和垄顶表面的淤泥；

2、本发明提供的碎石基床清淤系统，其通过设置测量定位装置、浮力调节装置和验收装置，与清淤装置相配合，能够集智能化扰动淤泥、快速精确清淤和清淤作业的质量验收于一体，有利于提高施工效率，缩短施工工期。

附图说明

图1为本发明实施例提供的碎石基床清淤系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的清淤装置的结构示意图；

图3为沿图2中a-a线的剖视图；

以上各图中：1、母船；2、清淤装置；21、支撑框；22、台车；23、扰动组件；231、转轴；232、螺旋刀头；24、冲淤组件；241、动力泵；242、冲淤管；25、吸头；3、吊放装置；31、绞车；32、吊缆；33、吊钩；4、浮力调节装置；41、控制器；42、压载水单元；43、压力传感器；5、定位单元；6、测量塔；7、倾斜仪；8、验收装置；9、吸泥管；10、吸泥泵。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

如图1所示，本发明涉及一种碎石基床清淤系统，包括母船1、清淤装置2和用于将清淤装置2沉放至水下碎石基床的吊放装置3，清淤装置2通过吊放装置3连接于母船1。如图2和图3所示，该碎石基床清淤系统中的清淤装置2可下放至碎石基床的床面以进行清淤作业，清淤装置2包括可支撑于碎石基床床面的支撑框21，支撑框21围住碎石基床的部分床面；清淤装置2还包括横跨于支撑框21的台车22，台车22连接有用于扰动淤泥的扰动组件23、用于冲洗碎石基床床面的冲淤组件24以及用于吸除淤泥的吸头25，台车22可带动扰动组件23、冲淤组件24和吸头25在支撑框21内移动，以扫过支撑框21围住的部分床面；吸头25、冲淤组件24和扰动组件23沿台车22的移动方向依次设置。

需要说明的是，支撑框21的尺寸决定了母船1一次驻位的有效清淤面积，因而，本领域技术人员可根据实际清淤需要具体设计支撑框21的尺寸。例如，在本实施例中，支撑框21的尺寸为28m×17.2m。此外，还需要说明的是，吸头25连接有吸泥管9和用于提供吸力的吸泥泵10，吸泥泵10设置于母船1。

如图3所示，在本发明的一具体实施例中，扰动组件23包括连接于台车22的转轴231，转轴231沿与台车22移动方向相垂直的方向设置，转轴231外周设置有可绕转轴231旋转的螺旋刀头232。当清淤装置2沉放至碎石基床床面时，螺旋刀头232与碎石基床的垄顶表面接触，在移动台车22时，台车22带动转轴231同步移动，转轴231外周设置的螺旋刀头232绕转轴231旋转，可使垄顶表面沉积的淤泥扬起。同时，螺旋刀头232可破坏已结块的淤泥，有利于清除垄顶表面已结块的淤泥，清淤效果更好。可以理解的是，本领域技术人员还可以采用其他结构的扰动组件23，只要能够使碎石基床垄顶表面沉积的淤泥扬起即可。

继续参见图3，在本发明的一具体实施例中，冲淤组件24包括冲淤管242和与冲淤管242相连的动力泵241。通过设置的动力泵241提供喷水动力，使水流从冲淤管242喷出，一方面可进一步清洗碎石基床垄顶表面，另一方面可清洗碎石基床垄沟中的淤泥。通过冲淤组件24的冲洗作用，使淤泥与水更好的混合，有利于吸头25吸除淤泥，保证全面清淤，清淤效果更好。需要说明的，冲淤管242可以为多个，多个冲淤管242沿与台车22移动方向相垂直的方向排成一排，以保证能够将碎石基床床面的淤泥冲洗干净。可以理解的是，本领域技术人员还可以采用其他结构的冲淤组件24，只要能够将碎石基床床面的淤泥冲洗干净即可。

如图1所示，该碎石基床清淤系统中的吊放装置3用于将清淤装置2沉放至水下碎石基床。在本发明的一具体实施例中，吊放装置3包括设置于母船1的绞车31，连接于清淤装置2的支撑框21的吊钩33，以及连接于绞车31与吊钩33之间的吊缆32。通过设置的绞车31收紧或松放吊缆32，即可将清淤装置2升起或放下。需要说明的是，在本实施例中，吊钩33设置于支撑框21的四角，以确保清淤装置2在沉放过程中的平衡。此外，还需要说明的是，当清淤装置2完成升起后，可通过锁固件将清淤装置2与母船1锁固，以保证清淤装置2与母船1连接牢固。

为了保证沉放至碎石基床床面的清淤装置2不扰动碎石基床，如图1所示，该碎石基床清淤系统进一步包括用于调节清淤装置2浮力的浮力调节装置4，浮力调节装置4包括设置于支撑框21底部的压力传感器43，设置于支撑框21的压载水单元42，用于控制压载水单元42进水和排水的压载水控制器41，压载水控制器41分别与压力传感器43和压载水单元42电连接，以接收压力传感器43测量的支撑框21对碎石基床床面的压力信息，并控制压载水单元42进水或排水。在沉放清淤装置2时，通过控制器41控制压载水单元42进水，以增加清淤装置2的重量，便于将清淤装置2沉放至碎石基床床面。当清淤装置2接触碎石基床床面后，通过压力传感器43测量支撑框21对碎石基床床面的压力信息并传输至控制器41，当控制器41接受到的压力信息大于沉管对碎石基床床面的设计压力时，控制器41控制压载水单元42进行排水，以增大清淤装置2的浮力，减小支撑框21对碎石基床床面的压力，避免破坏和扰动基床。需要说明的是，压载水单元42可以为带有进水管和排水管的压载水箱，本领域技术人员也可以采用其他结构的压载水单元42。

为了保证清淤装置2的准确就位，如图1所示，碎石基床清淤系统进一步包括测量定位装置，测量定位装置包括用于计算清淤装置2高程的测量塔6，用于确定清淤装置2平面位置的定位单元5，以及用于控制清淤装置2姿态的倾斜仪7；测量塔6对称安装于支撑框21的两端，定位单元5安装于测量塔6的顶端，倾斜仪7安装于支撑框21。需要说明的是，测量塔6的高度高于施工区域的水深，以使测量塔6顶部的定位单元5露出水面；定位单元5可以为gps、北斗或者其他合适的定位单元5。本实施例测量塔6、定位单元5和倾斜仪7相结合的测量定位装置，能够准确确定清淤装置2的平面位置和高程，并纠正清淤装置2的姿态，使支撑框21的姿态与基床坡度基本保持一致，从而使清淤装置2准确就位，有利于保证清淤精度和清淤效果。

为了便于对清淤作业进行验收，如图1所示，碎石基床清淤系统进一步包括设置于支撑框21的验收装置8，验收装置8包括多波束扫测声呐、单波束扫测声呐、超短基线声呐或高度计中一种或多种。通过设置的多波束扫测声呐、单波束扫测声呐、超短基线声呐或高度计等验收装置8进行验收，相比于传统的潜水探摸，准确性更高，且无安全风险。

为了使本发明所述的碎石基床清淤系统更加清楚，下面对本发明所述的碎石基床清淤系统的工作过程说明如下：

母船1到达碎石基床上方后，通过吊放装置3将清淤装置2下放至碎石基床床面，此时清淤装置2的支撑框21将围住碎石基床的部分床面，清淤装置2的扰动组件23与碎石基床的垄顶表面接触。随后，移动清淤装置2的台车22，通过台车22带动扰动组件23、冲淤组件24和吸头25在支撑框21内同步移动，在移动过程中，扰动组件23将与之接触的垄顶表面的淤泥扬起，冲淤组件24冲洗碎石基床垄顶表面和垄沟中的淤泥，使淤泥与水更好的混合，进而通过吸头25将混合后的泥水吸除，完成该部分床面的清淤作业，进一步的，通过移动母船1可完成整个区域范围内的清淤作业。此外，在下放清淤装置2时，通过测量定位装置准确确定清淤装置2的平面位置和高程，并纠正清淤装置2的姿态，使清淤装置2准确就位。当清淤装置2下放至碎石基床床面时，通过浮力调节装置4的控制器41控制压载水单元42排水，使支撑框21对碎石基床床面的压力始终小于沉管对碎石基床床面的设计压力，避免破坏和扰动基床。完成清淤作业后，可通过验收装置8对清淤作业进行验收。

本发明提供的碎石基床清淤系统，其清淤装置2包括支撑框21、台车22、扰动组件23、冲淤组件24和吸头25，配合设置的吊放装置3，能够在不破坏碎石基床的前提下，快速全面地清除碎石基床垄沟内和垄顶表面的淤泥。根据本发明的某些实施例，其通过设置测量定位装置、浮力调节装置4和验收装置8，与清淤装置2相配合，能够集智能化扰动淤泥、快速精确清淤和清淤作业的质量验收于一体，有利于提高施工效率，缩短施工工期。

本发明还提出一种利用上述任一项实施例所述的碎石基床清淤系统的清淤施工方法，包括如下步骤：

s1母船驻位：确定碎石基床的回淤范围及回淤厚度，将碎石基床清淤系统的母船1行驶至回淤范围的上方并驻位；

s2清淤装置就位：通过碎石基床清淤系统的吊放装置3将碎石基床清淤系统的清淤装置2沉放至碎石基床的床面；

s3清淤作业：将清淤装置2的台车22从清淤装置2的支撑框21的一端移动至另一端，台车22带动与台车22相连的扰动组件23、冲淤组件24和吸头25在支撑框21内同步移动，通过扰动组件23将碎石基床床面的淤泥扬起，通过冲淤组件24冲洗碎石基床的床面，通过吸头25将淤泥吸除，完成此次驻位的清淤作业；

s4清淤验收：对清淤作业进行验收，验收合格后，移动母船1至下一船位，重复上述清淤作业，并进行清淤验收；

s5复测：完成回淤范围内的清淤作业后，对回淤范围内的清淤作业进行复测。

需要说明的是，在母船1驻位步骤中，确定碎石基床的回淤范围及回淤厚度的具体步骤为：采用多波束扫测声呐扫测碎石基床，发现异常高点后进行潜水探摸，若为异物则将异物清理出碎石基床，若为淤泥则确定淤泥的范围和厚度。还需要说明的是，进行清淤验收或复测时，可采用潜水探摸，或采用多波束扫测声呐单波束扫测声呐等验收装置8进行验收或复测。此外，在移动母船1至下一船位前，需要将清淤装置2升起一定高度，避免在移动母船1时清淤装置2在碎石表面拖行，该高度可以为0.5-3m。

在一优选实施例中，清淤装置2就位步骤中，清淤装置2沉放至靠近碎石基床床面时暂停沉放，通过碎石基床清淤系统的测量定位装置调整清淤装置2的平面位置和高程，并调整清淤装置2的姿态，以使支撑框21的姿态与碎石基床的坡度保持一致。需要说明的是，清淤装置2沉放至距碎石基床床面0.5-3m时暂停沉放，可以理解的是，本领域技术人员可以根据施工区域水深具体选择合适的位置暂停沉放，只要便于调整清淤装置2的平面位置、高程和姿态即可。在本优选实施例中，通过测量定位装置调整清淤装置2的平面位置、高程和姿态，使清淤装置2准确就位，有利于保证清淤精度，能够将清淤精度控制在±4cm，清淤效果更好。

在一优选实施例中，清淤装置2就位步骤中，当清淤装置2沉放至碎石基床床面后，还包括通过碎石基床清淤系统的浮力调节装置4调节清淤装置2的浮力，保持支撑框21对碎石基床床面的压力始终小于沉管对碎石基床床面的设计压力。需要说明的是，沉管对碎石基床床面的设计压力可以在1-5kn/m²范围内，可以理解的是，本领域技术人员可以根据沉管的实际重量具体选择合适的设计压力。在本优选实施例中，通过调节清淤装置2的浮力，以保持支撑框21对碎石基床床面的压力始终小于沉管对碎石基床床面的设计压力，能够有效避免清淤装置2破坏碎石基床。

在一优选实施例中，清淤验收步骤或复测中，利用碎石基床清淤系统的验收装置8进行验收或复测。在本优选实施例中，采用碎石基床清淤系统自带的验收装置8进行验收或复测，相比于传统的潜水探摸，准确性更高，且无安全风险。