李琦，覃明勇，李开俊，艾婵，刘霜霜

[1.武汉碧水集团有限公司，湖北 武汉 430015；2.中国地质大学（武汉）,湖北 武汉 430015；3.武汉长江环境工程有限公司，湖北 武汉 430015；4.武汉城市建设集团有限公司，湖北 武汉 430015]

0 引言

城市人口不断集聚，形成了城市高密度建成区，原有河道空间不断被侵占挤压，居民生活污水未经处理直排入河，河道逐渐演变为黑臭水体，为不影响居民出行和生活水平，在黑臭河道上方铺设水泥板，原有的河道形成了城市高密度建成区排水暗涵[1]。城市高密度建成区排水暗涵长期处于黑暗、封闭空间，极易产生厌氧发臭和水质恶化问题，加之泥沙、建筑及生活垃圾汇入，排水暗涵往往淤积严重，此外，暗涵多为合流制排水体制，雨季时沿线道路及周边地区大量灰尘等随雨水进入暗涵，更进一步加剧了城市排水暗涵淤堵情况，如若不及时进行清理，不仅存在生活污水外溢风险，更极易造成城市大范围“人造内涝”，综上所述，城市排水暗涵周期性清淤势在必行[2]。

张述清[3]通过对现有清淤方法进行分析比较，提出了水平定向高压旋喷清淤的新型施工方法；陈勇[4]总结不同暗渠清淤方式方法，为今后类似工程提供经验，为暗渠清淤施工规范编制提供支撑；胡茂锋[5]通过剖析了预制装配法开设施工通道、分仓导流、快拆封堵及清淤等重点工序施工要点实现低影响高效清淤的需求。但是现有城市排水暗涵新建时预留了600～800mm 内径检查井通道，未预留大型机械进出通道，无法采用机械化清淤方式；且暗涵处于城市高密度建成区，采用传统现浇新建维护通道，将对周边交通造成严重不利影响。因此现有城市暗涵清淤方式多采用人工下井清淤作业方式，该作业属于有限空间危险作业，不仅工效低下，且极易造成缺氧、中毒等现象[5-7]。因此，研究开发出安全高效的城市排水暗涵清淤施工技术，具有极大的现实意义。

1 工程概况

1.1 基本信息

黄孝河暗涵属于武汉市汉口区主干排水通道，建成于1984年，起于青年路，经黄孝河西路、建设大道及黄孝河路，终止于黄孝河明渠起端，主要结构形式为“钢筋混凝土底板+砖砌墙体+预制钢筋混凝土顶板”，结构尺寸从起端的单孔B×H=3.0m×3.0m，沿程逐步变化为五孔2-B×H+3-B×H=2-5.2m×3.0m+3-5.8m×3.0m。汇水面积65km2，承担着武汉市江岸区的雨污水外排功能。

经前期检测，暗涵内普遍淤积深度在80～120cm，淤积深度总体呈现出上游向下游递增趋势，晴天流量在360 000～420 000m2/d，雨季按照汇水区域五十年一遇降雨产汇流明确过流能力，水位处于高水位状态，平均深度为2.2m，检查井内径为650mm，间距在40～60m，局部存在520m 长距离无检查井。周边建筑林立，大型超市、商场、行政机构、医院、学校集中，人口密度高达10 000 人/km2以上，属于典型的高密度建成区，此外，暗涵正上方道路为城市主干道路，流量约3 045～1 206pcu/h，无明显潮汐现象，高峰期整体饱和度为0.87。

1.2 施工重难点

1.2.1 有限空间作业安全风险高

排水暗涵常年输送生活污水，好氧厌氧环境频繁交替，与外界环境长年累月基本隔绝，内部积聚了大量硫化氢、一氧化碳、甲烷等危险性气体。人工下井清淤作业属典型有限空间作业，极易出现中毒、窒息、爆炸等伤亡事故等事故。现阶段清淤前多采用机械通风，降低暗涵内危险性气体浓度，然而清淤过程中，扰动淤泥时潜藏在淤泥内的气体会在短时间内迅速释放，周边清淤人员无法及时反应，将带来较大安全风险。

1.2.2 长期大规模占道社会影响大

暗涵清淤需对进出口附近进行打围以便形成人材机进出和淤泥外运通道，而主干排水暗涵进出口往往位于城市主干道路中央，长期占道打围，需对主干道路进行长时间封闭，引发加剧高密度建成区城市交通拥堵、给市民出行交通带来严重困难、清淤社会综合成本高昂等相关综合问题。

1.2.3 封堵断流城市内涝风险高

排水暗涵清淤时，人工下井作业，需临时封堵暗涵以便后续清淤作业，排水暗涵作为城市行污主管及排洪通道，单日流量高达数万吨乃至数十万吨，导流费用高昂。如遇突发降雨，封堵拆除不及时，堵塞行洪通道，极易造成“人为城市内涝”，危及城市居民人身安全及财产安全。

2 低影响安全清淤关键技术

针对城市高密度建成区暗涵清淤中存在的交通占道影响大、施工进出通道受限、暗涵封堵导流难度高及内部作业环境恶劣等暗涵治理共性问题，因地制宜制定了整套适用于城市高密度建成区主干排水暗涵低影响安全清淤技术。

2.1 施工工序

结合暗涵尺寸、检查井间距、淤泥厚度及暗涵水位等，清淤施工工序如图1 所示。

图1 施工工序图

2.2 关键施工要点

2.2.1 施工准备阶段

现场勘察工作。应根据暗涵探测报告进一步踏勘现场，查看测区的地物、地貌、交通和地下管线走向分布情况，明确是否具备开挖及吊装条件；之后，打开检查井通过管道潜望镜、全地形机器人、自动力机器人等探测仪器检查井内的暗涵结构形式、水位、淤泥厚度等情况，做好详细踏勘记录。

管线调查与迁改。协调调查新开施工便道处地下管线的分布，并尽可能避开原有管线。对于无法避开的管线部位，制定管线迁改保护方案并经归属单位批准后实施。

施工相关手续办理。涉及与交警部门沟通，确定道路占道及交通导行方案，并办理相关施工许可手续；后期进场施工时做好现场围挡封闭及安全防护，按照批准的交通导行方案设置导行标识及警示标志；同时与城管部门进行沟通，办理道路挖掘许可手续。

流域相关单位报备工作。施工前向泵站、污水处理厂等排水设施单元的管理人员进行报备，协调泵站、闸门、水厂在施工期间的联合调度，减少由于清淤施工给城市排水系统运行带来的不利影响。

局部探挖。正式开挖前，需对拟开设施工便道的区域进行局部探挖，确定开挖范围内管线分布情况，同时精确测量暗涵顶部覆土深度，以便后续预制构件制作。

2.2.2 通道开设阶段

通道选型。对于所需断面较小，整体吊装吨数小于20t 的可采用整体式预制砼井筒结构；对于所需断面较大，吊装总吨数大于20t 的施工便道结构，采用分体式预制砼井筒结构。

装配流水。为方便人材机进出及淤泥外运，每隔 400～600 m 开设一处施工便道，为降低对交通及周边居民影响，施工便道开设优选夜间进行，其中，集中在20:00～22:00 完成道路破除，22:00～次日6:00，完成开挖、吊装及道路回填工作。

2.2.3 机器人清淤阶段

清淤机器人清淤主要包括声呐扫描淤积及垃圾情况、机器人选型、开孔、清理井室、机器人吊装入位、清淤作业。

（1）声呐扫描淤积及垃圾情况。用溯源检测机器人携带的声纳进行全线检测，确定泥层厚度及是否含有大型垃圾。

（2）机器人选型。清淤系统由水下清淤机器人泵站、电缆收排绞车、系统控制中枢、泥水分离装置组成。

水下机器人。用于水下清淤。选型核心参数应关注清淤距离限制和清淤对象情况，清淤流量一般在60～180m2/h 之间，清淤浓度控制在5%～15%。泵送式清淤机器人在不加接力泵的情况下，多数是在200m 以内，距离越长，则优先选择扬程越大的清淤机器人。若暗涵内以建筑垃圾为主，则优先选用铲运式机器人。考虑暗涵淤积现状，选用橡胶履带，水下行进速度为3～12m/min。

电缆收排绞车。用于强弱电集成电缆排缆。压断力应大于5t，具备自动排缆、正反转、急停、调速及降温等功能。

系统控制中枢。用于控制机器人运动与清淤。采用有线遥控方式，嵌入式软件设计，搭配声呐及视频图像识别终端，实现机器人远程操作。

泥水分离装置。总体积为30～60m3，通过“自然沉淀+混合絮凝”初沉工艺，污泥含水率可下降为50%～70%，后经密封罐车运输至后湖脱水厂进一步脱水至40%。

（3）施工便道开设。开孔详见5.2.3 节所述。

（4）清理井室。用5m3抓斗车或强力吸污车对吊物孔底部进行清理，清理出工作面，清理面长×宽不小于3m×3m。

（5）清淤机器人清淤

设备检查。机器人进入工位后，调整好机器人位置，接通线缆，检查线路，各配套设备是否正常。

行走轨迹确定。启动清淤机器人，启动泥水分离器开始清淤作业。清淤机器人作业宽度为 1.4m，通过操作台利用自带的超声波测距雷达检测机器人本身与箱涵侧墙的距离确定行走轨迹。

清淤循环。清淤机器人利用前端同轴反向清淤绞龙完成淤泥打散后通过高性能渣浆泵吸入浮体输泥管，输泥管将淤泥输送至岸上的泥水分离器，泥水分离器处理后完成上清液回流，底部淤泥通过密封罐车运输至脱水厂脱水至40%以下，之后按照设计要求进行资源化处置。

高效清淤。清淤时操作手位于中控室无法知晓清淤状态，因为在机器人尾端设计了浓度计，构建了“泥浆—浓度”耦合自适应高效清淤模型，维持清淤时输送泥浆浓度处于经济浓度之上。

故障排查。清淤过程中遇到前进受阻或者前进完全失效，首先检查液压系统压力是否正常，确定系统压力正常后，再依次检查是设备机械故障或者现场障碍物因素。

放置浮体接力泵。当清淤距离超过机器人有效清淤距离（多为200m，与扬程、管道及输送介质相关），可以放置浮体式接力泵，加长泵送距离，方便后续超长距离清淤。

机器人返回。机器人清淤前进距离达到管线长度极限时，机器人需要原路退回，退回之前，机器人在地面控制台的控制下，取泥螺旋和渣浆泵不停转，机身后退 0.1～0.5m，然后原地空转1～2min，以便让泥管中的淤泥排空，防止污泥在管中沉积。

重复循环。清淤机器人退回到原位后，调整超声波测距雷达的距离参数，将设定距离增加1.4m，开始相邻区域的清淤作业。

（6）清淤过程中，泥水分离站产生的污水直接从检查井排到管网中，产生的固态污泥通过专用车辆运输到指定的污泥处理单位，进行下一步处理。

（7）清淤验收。再次用全地形机器人携带的声纳进行全线检测，确定清淤后的箱涵内淤泥层厚度是否达到验收要求。

2.3 其他技术要点

2.3.1 通风

将原检查井钢盖板更换为格栅井盖，格栅式井盖通风率不得低于75%，以免影响通风效果。同时将风机安装在检查井井筒内，可有效减少因通风造成的路面交通打围，进一步降低影响，风机用电采用防水电缆。在风机底部设置三向导流器，可有效减少风阻，提高通风。

2.3.2 污泥处理

现场污泥采用密闭式罐车外运至临时性淤泥脱水厂做减量化处理，淤泥在脱水厂经过调节池，将淤泥抽排到均化池并加入固化剂后，输送到板框压滤机内脱水处理。污泥脱水后含水率达到40%，脱水污水回流沉淀池经过多级沉淀溢流至市政污水管网系统。密封渣土车将脱水泥饼运送到指定消纳场地消纳处理。

2.3.3 清淤验收

清淤机器人清淤验收采用声呐水下机器人进行检测，剩余淤泥深度不得超过设计要求，设计无要求时，剩余淤泥厚度不得超过1/8 箱涵净高且不得超过0.2m。

3 应用情况

工程难点区域主要集中在黄孝河暗涵末端，该区域常年高水位，存在穿越铁路长距离无法开设吊物孔等情况，有鉴于此，2022 年6 月，该工程项目指挥部完成本研究成果在该区域的应用，成功打通末端堵点问题，完成清淤方量20 000m3，解决了传统泵吸式清淤机器人和人工清淤难以解决的行业痛点问题，取得了良好的社会经济效益和工程示范作用。

通过该技术清淤方量为12 000m3，涉及产值379 万元，相较于同类泵吸式机器人，清淤泥浆平均浓度从5%大幅跃升至10%以上，综合工效提高将近100%，开孔间距从400m 一处提高到800m 一处，开孔措施费成倍压降，综合成本累计下降30%以上。

同时，大幅降低了甲烷、硫化氢等易燃易爆或有毒气体、暴雨倒灌、机械伤害等因素对作业人员的安全威胁，改善劳动人员的工作环境，降低劳动强度，大大减少突发性安全事故的发生的风险；此外，快速实现水环境黑臭水体的内源污染，改善人居环境，提高居民生活质量，保障人民身心健康，促进劳动就业；最后，通过清淤恢复暗涵的正常排水功能，保障排水通畅，大大减少了城市内涝风险，社会效益显著。

4 结论

针对传统人工清淤存在的安全风险高、社会影响广及内涝隐患大等清淤难点，以黄孝河机场河流域综合治理一期项目为研究对象，剖析了高密度建成区主干排水暗涵清淤存在的重难点，提出了“装配式预制通道快速开设+泵吸式清淤机器人智能清淤”为核心的城市主干排水暗涵低影响安全清淤技术体系，研究了其技术操作要点，有效地解决了现有暗涵清淤技术存在的共性难点，取得了显著的社会、经济和环境效益。