基坑土方水力沖挖與棄土輸運(yùn)利用整體方案及其應(yīng)用

徐玉桂，張 軍，王志華，申志福*

（1.南京江北新區(qū)中心區(qū)發(fā)展有限公司，江蘇 南京211899；2.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京211816）

引言

隨著立體城市開發(fā)理念的深入實(shí)踐，高層建筑地上室、綜合管廊、地上商場(chǎng)、地上交通樞紐等地上空間開發(fā)工程在全國(guó)各大、中型城市快速推進(jìn)。部分城市在區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯的區(qū)域規(guī)劃了大規(guī)模、集中連片地上空間開發(fā)，如南京江北新區(qū)核心區(qū)、廣州萬(wàn)博商務(wù)區(qū)等。地上空間集中開發(fā)周期短，土方量大，這必然引起短期內(nèi)巨量土方的消納難題。傳統(tǒng)機(jī)械土方開挖方式效率低、工期長(zhǎng)、土方運(yùn)輸難，地上空間開發(fā)造價(jià)極高；棄土一直以來(lái)采用卡車運(yùn)輸，形成了龐大的重型渣土車隊(duì)伍，對(duì)市政道路、交通安全構(gòu)成極大隱患，并造成城市環(huán)境污染等一系列問(wèn)題。過(guò)去，工程棄土一般采用集中堆填處理；而目前，有限的棄土受納空間與不斷增長(zhǎng)的棄土產(chǎn)量間形成了強(qiáng)烈矛盾，棄土受納堆放成為城市建設(shè)難題?！皟A倒難”導(dǎo)致“亂傾倒”，伴隨著大量“非法受納場(chǎng)”而來(lái)的是耕地、林地、河流被破壞、被污染，形成了“棄土圍城”的局面。無(wú)序堆納甚至可引發(fā)如滑坡等重大災(zāi)難。

因此，革新地上空間集中開發(fā)中的土方工程技術(shù)成為降低工程成本、提高開發(fā)效率的關(guān)鍵。本文介紹一套適用于集中連片地上空間開發(fā)中的基坑土方工程新技術(shù)，包括土方水力沖挖、棄土高效運(yùn)輸、棄土資源化利用三個(gè)緊密銜接的部分。首先介紹該套技術(shù)的原理和關(guān)鍵技術(shù)，隨后介紹其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。

1 基坑土方水力沖挖技術(shù)

1.1 基本原理

水力沖挖是利用水泵產(chǎn)生高壓水流并由水槍射流將土方在原位切削、破碎、混合形成泥漿，并由泥漿泵吸排至地表泥漿池的土方開挖方法[1]。水力沖挖工藝設(shè)備由水泵、高壓水槍、切削頭、泥漿泵、軟管、泥石分離制漿機(jī)等組成。當(dāng)土質(zhì)較軟、含水量高時(shí)，可直接采用高壓水槍切削、破碎、混合土體，由泥漿泵吸排。當(dāng)土質(zhì)較硬時(shí)，可配合切削頭一邊絞碎土體、一邊加水混合攪拌制漿，也可由挖掘機(jī)配合翻挖，再利用高壓水槍將土塊切削、破碎、混合，然后由泥漿泵吸排。

此外，一般表層多為素填土或雜填土，含較多不同粒徑混凝土塊、碎磚塊、塊石等；部分較深地層中可能含較大卵、礫石甚至更大的孤石。這類土層不適宜直接使用水力沖挖法，但可采用水力切削松動(dòng)土體并（或）由挖掘機(jī)挖土，通過(guò)泥石分離設(shè)備進(jìn)行制漿，分離出的固體物可作為場(chǎng)內(nèi)道路、內(nèi)支撐、底板墊層，也可運(yùn)輸至破碎廠破碎后作為道路水穩(wěn)層、混凝土骨料等。基坑內(nèi)水泥土加固區(qū)土方宜采用挖掘機(jī)送入泥石分離制漿機(jī)進(jìn)行絞碎、制成泥漿。

水力沖挖技術(shù)流程如圖1所示。由技術(shù)原理可知，該方法適用于飽和砂土、飽和黏土為主的場(chǎng)地中有支護(hù)基坑的土方開挖。不適用于濕陷性黃土、鹽漬土、膨脹土、遇水軟化巖、地上水位較深場(chǎng)地的基坑工程。

圖1 水力沖挖技術(shù)流程圖

1.2 技術(shù)要點(diǎn)

施工前，應(yīng)對(duì)各層土的可沖挖性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)分析。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件極為復(fù)雜、土質(zhì)堅(jiān)硬時(shí)，應(yīng)進(jìn)行試沖挖，并對(duì)試挖條件和參數(shù)做好監(jiān)測(cè)和記錄，對(duì)試挖的效能和設(shè)備的性能作出評(píng)價(jià)。

當(dāng)沖挖拌和泥漿性狀較好時(shí)，采用泥漿泵將泥漿抽取至泥漿池；當(dāng)泥漿較稀不利于泥漿泵工作時(shí)，宜用渣漿泵進(jìn)行抽取作業(yè)。

水力沖挖也應(yīng)按照分層、分段、分塊、對(duì)稱、均衡、限時(shí)的方法，確定沖挖順序；應(yīng)采取可靠測(cè)量措施控制沖挖深度，每層支撐底標(biāo)高以上30-50cm厚土層預(yù)留不沖挖，該土層用人工和挖掘機(jī)配合開挖，確保不發(fā)生超挖土方、少擾動(dòng)坑底土體。開挖過(guò)程中的臨時(shí)邊坡坡度按計(jì)算確定并考慮動(dòng)水沖刷坡表效應(yīng)。沖挖好的土體需采取土工布覆蓋等形式確保開挖面不坍塌、不滑坡。

水力沖挖與疏干降水宜穿插作業(yè)。水沖法施工過(guò)程中坑內(nèi)土體無(wú)需進(jìn)行疏干降水，當(dāng)沖挖至支撐梁底或結(jié)構(gòu)底板底以上0.5m時(shí)再進(jìn)行疏干降水，降至結(jié)構(gòu)底標(biāo)高以上1m。水力沖挖過(guò)程中應(yīng)注意保護(hù)基坑內(nèi)降水井；沖挖過(guò)程中每半天啟動(dòng)一次排水泵持續(xù)20分鐘，防止降水井因泥漿進(jìn)入而發(fā)生淤積。高壓水槍沖挖至降水井周邊1m范圍內(nèi)即停止，管井外圍土體留作機(jī)械或人工整修時(shí)開挖，防止泥漿倒灌影響管井降稅效率，預(yù)防死井。降水井及井點(diǎn)降水抽出的水可匯集到蓄水池后采用高壓水泵供給高壓水槍沖挖土方，物盡其用。

在水力沖挖具備一定作業(yè)面后，應(yīng)采用挖掘機(jī)及時(shí)破除支撐梁墊層混凝土，防止重物墜落。挖掘機(jī)在基坑內(nèi)破除支撐梁墊層時(shí)，由于基坑內(nèi)表層土基本處于飽和狀態(tài)，挖掘機(jī)極易發(fā)生沉陷事故，必要時(shí)須鋪設(shè)鋼板。

水力沖挖過(guò)程中應(yīng)著重關(guān)注是否發(fā)生流砂、涌土或坑底隆起失穩(wěn)；一旦發(fā)生，應(yīng)立即停止基坑挖土，進(jìn)行堆料反壓。土方?jīng)_挖過(guò)程本身為帶水作業(yè)，沖挖土方時(shí)可將地上連續(xù)墻或圍護(hù)樁沖刷干凈，有利于觀察墻體是否有滲水、裂縫、變形等現(xiàn)象。

1.3 與傳統(tǒng)的機(jī)械土方開挖對(duì)比

與傳統(tǒng)的挖掘機(jī)開挖、倒土相比，水力沖挖開挖土方速度快、效率高，且降低揚(yáng)塵及減少噪音優(yōu)勢(shì)明顯，兩者詳細(xì)對(duì)比如表1所示。

表1 機(jī)械開挖與水力沖挖對(duì)比

2 棄土高效運(yùn)輸

傳統(tǒng)的土方工程在施工現(xiàn)場(chǎng)裝運(yùn)卡車，利用卡車陸運(yùn)方式運(yùn)輸至指定的渣土堆填場(chǎng)地。眾所周知，傳統(tǒng)的土方運(yùn)輸方式可能引起道路損壞、環(huán)境污染、交通擁堵及事故、監(jiān)管困難以及堆填事故等諸多問(wèn)題。

相比較于棄土的傳統(tǒng)處置方式，水力沖挖形成的泥水混合物采用密閉管道運(yùn)輸則不存在以上問(wèn)題。如圖2所示，棄土管道運(yùn)輸?shù)幕驹硎菍⑼练介_挖作業(yè)面沖挖出的泥漿和通過(guò)泥石分離制漿機(jī)制作的泥漿，通過(guò)輸泥軟管輸送至加壓站前的集漿池，泥漿集中后由加壓泵通過(guò)輸泥主管道輸送至臨時(shí)堆放區(qū)供資源化利用，或直接運(yùn)送至吹填區(qū)進(jìn)行生態(tài)堆填。在臨近航道區(qū)域，可將管道運(yùn)輸與船運(yùn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更大范圍棄土的經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸，便于后期資源化利用。與卡車運(yùn)輸相比，管道運(yùn)輸在技術(shù)、成本、環(huán)境等方面有顯著優(yōu)勢(shì)，二者詳細(xì)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 卡車運(yùn)輸與管道運(yùn)輸?shù)男б姹容^

3 棄土資源化利用

3.1 棄土利用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的棄土利用路徑包括吹填造地，礦坑生態(tài)修復(fù)，路堤回填，低洼地改造等，相當(dāng)于將棄土作為巖土工程回填材料[2-3]。沿海、沿江等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)地上空間開挖產(chǎn)生的棄土、水力沖挖的棄土含水量高、流動(dòng)性強(qiáng)，雖可進(jìn)行一定的泥水分離處理，但含水量仍很高，很難采用傳統(tǒng)的利用方式消納，也難以直接參與區(qū)域土方平衡。因此，目前對(duì)棄土的利用比例很低，利用水平不高，資源化產(chǎn)品開發(fā)深度不夠。本節(jié)介紹棄土資源化利用的主要途徑，如圖3所示。

圖2 棄土運(yùn)輸路徑示意圖

3.2 棄土固化

將高含水量棄土與固化劑混合可形成強(qiáng)度明顯提高的優(yōu)質(zhì)回填土。固化劑以水泥為主要成分，外加劑可包括粉煤灰、礦渣、水玻璃、石膏、生石灰、硅粉等固廢材料。將棄土與固化劑和EPS顆粒（聚苯乙烯泡沫，一種輕質(zhì)固體廢棄物）混合，可形成輕質(zhì)高強(qiáng)的EPS回填土，其強(qiáng)度和變形特性具有可控性，可以根據(jù)工程需要選擇合適的配比以滿足不同力學(xué)特性要求[4-5]。這些優(yōu)質(zhì)回填土可作為路堤、地上結(jié)構(gòu)回填材料等。

3.3 輕質(zhì)陶粒生產(chǎn)

發(fā)泡燒結(jié)陶粒是通過(guò)高溫?zé)Y(jié)棄土與外加劑混合物形成輕質(zhì)粒狀材料。陶粒在回轉(zhuǎn)窯中經(jīng)800-1050℃高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中，部分成分轉(zhuǎn)換為氣體迫使顆粒膨脹，形成蜂窩狀的氣孔結(jié)構(gòu)，外表面熔化燒結(jié)形成較堅(jiān)硬的外殼，最終形成一種疏松多孔的輕質(zhì)顆粒。陶粒具有核-殼結(jié)構(gòu)，陶粒輕質(zhì)性源自核心顆粒的多孔結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)性由外殼與內(nèi)核材料強(qiáng)度共同控制。燒結(jié)陶粒過(guò)程耗能較高。為此，已有學(xué)者開展免燒輕質(zhì)陶粒制備研究，其核心是以免燒方式形成多孔內(nèi)核以及核-殼結(jié)構(gòu)組合[6-7]。

3.4 輕質(zhì)陶粒應(yīng)用

自1960年來(lái)，輕質(zhì)陶粒在美國(guó)就已被廣泛用作土工回填材料[8]。試驗(yàn)表明，陶粒土（由陶粒構(gòu)成的粗粒土）的內(nèi)摩擦角大于35°，表觀粘聚力約為10kPa[9]，陶粒土與土工格柵的界面摩擦角高達(dá)48°[10]。陶粒土密度低，內(nèi)摩擦角高，透水性好。陶粒土作為回填材料可減小甚至消除附加應(yīng)力、減少墻背土壓力，在軟土路堤、擋墻結(jié)構(gòu)、邊坡工程等工程實(shí)踐中都有極大應(yīng)用潛力，是一種優(yōu)質(zhì)土工回填料[11]。

圖3 棄土資源化利用示意圖

以陶粒為起點(diǎn)可進(jìn)一步開發(fā)一系列綠色生態(tài)建材產(chǎn)品。如海綿城市建設(shè)中的路面透水磚，以免燒輕質(zhì)陶粒作為路面磚骨料，使得路面磚需具有良好的透水性和力學(xué)性能，可減少豎向荷載，提高保水性，充分發(fā)揮濕熱調(diào)節(jié)功能。這種輕質(zhì)透水磚可用于一般人行道、行車路、停車場(chǎng)、廣場(chǎng)、噴水池、庭院地板、公園人行走道等。陶粒也可作為輕質(zhì)混凝土骨料，作為屋頂隔熱板、輕質(zhì)內(nèi)外墻、隔音屏等。

4 應(yīng)用案例

南京湖南路某深基坑位于城中鬧市區(qū)，開挖面積約3萬(wàn)m3，開挖深度約23m，土方約60萬(wàn)m3，傳統(tǒng)機(jī)械開挖實(shí)施效率極低。場(chǎng)地主要為淤泥質(zhì)土、粉土、粉質(zhì)黏土，地上水位在地表上2-3m，選用水力沖挖。項(xiàng)目配置2套水力沖挖設(shè)備，每套設(shè)備每小時(shí)可出土約500m3，項(xiàng)目實(shí)施不受天氣影響、環(huán)保限制及重大社會(huì)活動(dòng)約束，可24小時(shí)不間斷作業(yè)，每天可出土約20000m3。泥漿輸送三泵雙管的組合模式，管道采用直徑355mm的PE硅膠管，根據(jù)基坑開挖進(jìn)度要求開啟單管或者雙管輸泥，運(yùn)行時(shí)兩道輸泥管流量達(dá)到3360m3/h，每小時(shí)可輸送土方約1000～1200m3。輸泥管道沿河岸內(nèi)側(cè)布置，在沿途起伏的高點(diǎn)位置安裝排氣閥，防止主泵開機(jī)時(shí)管道內(nèi)氣壓過(guò)大造成破壞，主管道每隔1km安裝壓力表，根據(jù)管道運(yùn)行時(shí)各壓力表讀數(shù)計(jì)算沿途壓力降低，分析判斷管道運(yùn)行狀態(tài)。管道將泥漿輸送至長(zhǎng)江大橋上游裝船，通過(guò)長(zhǎng)江水路運(yùn)輸至鎮(zhèn)江某農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行低洼地改造。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，沒(méi)有任何泥漿泄露現(xiàn)象，節(jié)省工期1/3，降低工程造價(jià)15%。

5 結(jié)論

土方水力沖挖、管道運(yùn)輸及資源化利用是解決大規(guī)模集中連片地上空間土方開挖運(yùn)輸與利用問(wèn)題的系統(tǒng)解決方案。近年來(lái)，這一系統(tǒng)化解決方案在工程實(shí)踐中的應(yīng)用日益增大，其優(yōu)勢(shì)開始受到各方肯定。該方案使得地上空間開發(fā)工程費(fèi)用比傳統(tǒng)的方式大為節(jié)省，而且處理?xiàng)壨恋男适莻鹘y(tǒng)方式的數(shù)倍以上，基本可以實(shí)現(xiàn)零排放，無(wú)噪音，且不會(huì)污染和破環(huán)市政道路，也避免了渣土車招人詬病的車輛傷亡事故，在節(jié)能環(huán)保、安全生產(chǎn)、城市建設(shè)管理等方面的社會(huì)效益不可估量。本文論述的土方工程系統(tǒng)解決方案完全切合現(xiàn)代化城市綠色、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的理念，在工程建設(shè)行業(yè)將起到創(chuàng)新引領(lǐng)的示范作用。

圖4 基坑土方水力沖挖、運(yùn)輸與處置實(shí)施過(guò)程