明渠與地道的水沖法開挖技術(shù)研究

張 弛， 龍莉波， 陸 鍇， 國文智， 張祝榮

(上海建工二建集團(tuán)，上海 200080)

0 引 言

上海一直致力于將浦東機(jī)場打造成新的國際航空港。從一、二期項目的T1、T2航站樓，到三期的衛(wèi)星廳，再到四期的T3航站樓，在中軸線上形成了主體服務(wù)于航空業(yè)的綜合樞紐。

而浦東機(jī)場T3航站樓的建造最為復(fù)雜，除了原有道路與管線的搬遷，還有復(fù)雜的高架，和更為復(fù)雜的軌交線路。此外，更增加了飛機(jī)不停航的新要求。這給工程施工帶來了前所未有的難度。為了避免，機(jī)場超大基坑開挖過程中車輛破壞道路的問題，擬采用水力沖挖和接力泵送的全新的大型基坑的開挖和出土措施。

到為了試驗水沖法在浦東機(jī)場T3航站樓等工程超大基坑開挖過程中的技術(shù)及設(shè)備安裝、調(diào)試，以及管線排布等問題，并結(jié)合超大基坑順、逆作結(jié)合開挖的實際情況，在浦東機(jī)場T3航站樓的前期工程中選取排水渠和地道的一段作為水沖法的試驗區(qū)。水沖法已經(jīng)大量運用在地下工程中。相比于大型基坑，運用水沖法可以快速開挖明渠或淺層河流這一類無須支撐的狹長型“基坑”。

1 工程概述

在浦東機(jī)場T3航站樓的前期工程中，因為機(jī)場的不停航要求與整個機(jī)場區(qū)域的排水需求，需要搬遷原有場地內(nèi)的一些道路和既有管線，增加臨時的排水明渠來疏導(dǎo)機(jī)場范圍內(nèi)收集的降水，擬在場地的東側(cè)和北側(cè)修建東繞水渠。

T3前期工程包含S32臨時改道、排水渠臨時東繞、管線改遷、P7停車場搬遷等諸多項目，其中新建S32臨時地道為10 m～0 m深的深基坑，總面積7 200 m2，出土量41 520 m3，基坑寬度18 m，東線長243 m，西線長323 m。該地道采用SMW工法樁圍護(hù)，2道支撐(混凝土+鋼)。

現(xiàn)以該地道作為T3航站樓基坑水沖法施工的實驗對象，重點探究不同土層、土質(zhì)采用水沖法施工的出土功效、沿路路由碰到的建、構(gòu)筑物處理措施的可行性及對周邊環(huán)境的影響。

S32臨時地道標(biāo)高下的土層情況如圖1所示。

圖1 臨時地道標(biāo)高下的土質(zhì)情況

S32地道基坑除表層土(2.5 m深)以外剩余土層均適用于水沖法/挖機(jī)喂斗法施工，共計需約3萬m2。

2 地質(zhì)條件與結(jié)構(gòu)

選定浦東機(jī)場T3航站樓東繞水渠的東南末端和東繞道路的下穿地道段，作為試驗段。并且思考如何運用整個T3場地內(nèi)的施工廢水、施工期內(nèi)的雨水、基坑降水，以及回收泥漿成土?xí)r候外排的淅出水[6]。東繞水渠與東繞道路與浦東機(jī)場T3航站樓的基坑位置如圖2所示。

圖2

3 水沖法工藝

3.1 原理

通過取水管道從外部引入清水至項目現(xiàn)場基坑內(nèi)，通過高壓泵水流產(chǎn)生壓力，使用水槍采用高速水柱將土體切割、粉碎后土體將會發(fā)生濕化、崩解現(xiàn)象，使泥漿和泥塊相混合，當(dāng)達(dá)到足夠均勻混合后，采用泥漿泵(泰安泵)及其輸泥管將其吸送至回填區(qū)的泥庫，完成場內(nèi)土方外運工作，如圖3所示。

圖3

水力沖挖施工時泥漿泵設(shè)置在場內(nèi)最低點，水槍是圍繞泵體由高向低處掃射，土體高差不宜大于2 m[1]。配合機(jī)械開挖與修邊。放坡坡度(高寬比)不宜大于1∶0.33[2]。因此作業(yè)時明渠基本能滿足支護(hù)施工要求。

3.2 引水與蓄水

由于管線長、作業(yè)高低差大，根據(jù)項目特性必須設(shè)置接力泵，本工程由于高差大，因此在基坑邊設(shè)第一個接力泵(電力)，其次以每2 km設(shè)置一臺柴油接力泵(圖3d)(過程管線無電源考慮)。因水力沖挖需要高壓水泵沖泥而需要水源，因此取土場內(nèi)需設(shè)置臨時蓄水池，在就近圍場河設(shè)置抽水泵站，并挖渠引水至蓄水池，如圖4a、圖4b所示。

同時為T3航站樓積累技術(shù)儲備，本項目排水渠特設(shè)立300 m長度水沖法出土試驗區(qū)。試驗區(qū)域設(shè)置400 m長泥漿管路，將泥漿輸送至臨時土方卸點，沉積后利用挖機(jī)及土方車外運至土方卸點。泥漿管路由采取3條線路，每條線路1臺22 kW的泥漿泵，配合2臺4 kW清水泵抽運至附近臨時泥庫中，每條線路24h出土量為300～400 m3，臨時土方卸點如圖4c所示。

3.3 工藝流程和特點

水沖法施工時，無論明渠還是地道，坑內(nèi)都會有大量的泥漿。為了防止基坑內(nèi)泥漿將抗側(cè)移的土體浸泡軟化，采用“先中央，后四周，分層沖挖”的原則。并且，盡量減少基坑周邊被泥漿浸泡的時間，保證基坑的穩(wěn)定[3]。水沖法開挖的流程：首先測量放線定位，挖機(jī)去除表層填土，再布置給水、出土路由及相關(guān)設(shè)備，挖機(jī)除去表層填土，采用水沖法出土，小挖機(jī)協(xié)助翻土，坑內(nèi)淤積水或降雨后需要降水，降水完成開始結(jié)構(gòu)施工。

對于排水渠而言，推薦選取200 m為一個工作段，其中50 m一個施工搭接段。每段施工工序：輕型井點布置，再降水，再土方開挖，最后結(jié)構(gòu)施工。施工工期如圖5所示。

圖5 排水渠(或淺層河流)水沖法開挖施工工期圖

輕型井點降水三排布置，每50 m有3套，如圖6所示。坑內(nèi)井管降水1周后拔除；坑外井管待側(cè)墻及底板施工完成后拔除。拔除的井管轉(zhuǎn)移至下個工作段繼續(xù)使用。

圖6 一個工作段(200m)上的輕型井點布置圖

與傳統(tǒng)的挖機(jī)或抓斗配合運輸車輛或傳送帶的挖土與運土方式比，水沖法的土方開挖與運送方法有這樣一些特征：不受雨天影響施工(特大暴雨除外)，工期可控；不受交通道路影響，無防塵、交通安全風(fēng)險低；泥漿泵可附帶明排水，應(yīng)能減免基坑降水措施；施工成本比干挖陸運低；泵功率大，用電配備要求高；施工時需要有取水和排水要求；有管線布設(shè)區(qū)域場地。

3.4 出土方案與工效分析

充分考慮設(shè)備的不同以及材質(zhì)管線的不同，以及坡度，土質(zhì)等因素影響，水沖法的效率會有區(qū)分。并且水沖法的挖土方式也可以與機(jī)械的開挖和運輸方式相互配合。就挖土和出土的工法與工效作如下對比：

方案1設(shè)想，傳統(tǒng)機(jī)械方式出土。在S32臨時地道施工現(xiàn)場開設(shè)5個工作面同步進(jìn)行土方開挖工作，每工作面設(shè)置一臺長臂挖機(jī)配合一臺小型挖機(jī)，每工作面理論日最大出土量為800 m2所有工作面共同出土日理論最大出土總量為4 000 m2，施工現(xiàn)場每小時共計出13臺滿載土方車。

方案2設(shè)想，喂斗法與常規(guī)挖土結(jié)合，如圖7a所示。S32臨時地道施工現(xiàn)場同樣開設(shè)5個工作面同步開挖，每工作面設(shè)置一臺長臂挖機(jī)配合一臺小型挖機(jī)，但基坑外設(shè)置一臺土斗，接泥漿泵及一根DN400PVC管，通過挖機(jī)→土方車→土斗→泥漿泵→管道進(jìn)入卸土點圍堰。

圖7

方案3設(shè)想，水沖挖土和管道出土,如圖7b所示。S32臨時地道基坑水沖法施工期間由新建及原排水渠取水，考慮0.9的給水損耗，共需水量約為0.5 m3/s。基坑內(nèi)出土布置三根支管，總管布置一根DN400PVC管，理論日出土量為4 000 m3。

三種方案的優(yōu)缺點總結(jié)見表1。

表1 出土方式優(yōu)缺點對比

3.5 末端泥庫

初步計算泥庫面積489.5萬m2，泥庫圍堰堆高2 m，場內(nèi)實際堆高1.5 m計算，實際庫容326.3萬m2，滿足要求。泥庫位置與泥庫圍堰方法如圖8所示。

圖8

泥庫圍堰初步設(shè)置兩種方案。泥庫圍堰方案一：泥庫圍堰堆高不超過2 m，擬采取土壩進(jìn)行圍護(hù)。泥塘放樣時，在實地采用全站儀放泥塘外邊線及圍堰橫斷面，并用白石灰劃出。施工前用推土機(jī)平整場地，清除障礙，修筑泥塘施工進(jìn)場便道，開設(shè)排水溝。圍堰修筑采用挖掘機(jī)、推土機(jī)結(jié)合人工修筑。筑堰施工由低處開始，按水平方向高處逐層鋪平夯實。

為防止圍堰出現(xiàn)沖刷和漏水，用編織袋填土護(hù)坡加固。對圍堰的安全要引起足夠重視，做到萬無一失。同時在施工中確保做到下述工序：堰基上的雜草、樹根、腐殖土層等清除干凈；圍堰填筑前，將堰基上表層土翻松，然后填新土予以壓實；泥庫內(nèi)側(cè)沿線布置塑料薄膜，防止?jié)B漏；壩頂圍堰周邊設(shè)置臨邊圍護(hù)，防止無關(guān)人員進(jìn)入泥庫，且設(shè)專人24 h值守巡護(hù)；泥庫設(shè)置3級沉淀池，經(jīng)過沉淀合格后，方可排入圍場河中循環(huán)利用[4]。

4 注意事項

水沖法的關(guān)鍵在與確保被沖土體的安全，避免滑坡等事故[5]。此外，由于高壓電纜排管為本地區(qū)居民區(qū)供電的主電纜，搬遷需要時間。且13根3.5萬V高壓電纜事關(guān)附近地區(qū)居民的主要供電纜，為高壓電纜。在圍護(hù)體施工時，對電纜的保護(hù)至關(guān)重要，特殊節(jié)點需：

過路處理(管道開槽暗埋，路面鋼板保護(hù))；

過河過滑行道處理(管道橋下敷設(shè)強(qiáng)排)；每套吹土設(shè)備配備獨立管道，管道每2 km設(shè)置一臺柴油接力泵(過程管線無電源考慮)。

使用水力沖洗挖土，每一階段需使用吹砂設(shè)備過多，而每套設(shè)備需對應(yīng)一根水管、一根泥漿管，造成場內(nèi)管道過多，可能影響施工車輛進(jìn)出，如圖9所示。而掉入泥漿池也是工人在抽泥漿時候不得不考慮的安全問題。雖然如此，在明暗渠、淺層河流以及地道和隧道的開挖中，水沖法仍是值得推廣的方法。

圖9 水力沖挖明渠或淺層河流的現(xiàn)場施工案例

5 總結(jié)與展望

水沖法在最適宜開挖明渠和淺層河流。要在每一工作斷面上設(shè)置輕型井點降水。在開挖地道時候，要注意周邊的排水和地道的滲水情況，做好防水。末端的泥庫先用挖機(jī)塑形，再采用編織袋圍堰或土工布圍堰。