水沖法開挖基坑的前端出土方式與末端泥漿分離技術(shù)研究

張 弛，龍莉波，國文智，柴瑋琳，張祝榮

（上海建工二建集團，上海市 200080）

0 引言

水沖法通過高壓泵使水流產(chǎn)生壓力，用水槍噴出的高速水柱將土體切割。粉碎后的土體將會發(fā)生濕化、崩解，使泥漿和泥塊混合?；旌献銐蚓鶆蚝?，采用泥漿泵和輸泥管將其吸送至回填區(qū)的泥庫。

與挖機或抓斗配合運輸車輛或傳送帶的傳統(tǒng)機械式挖土和運土方式相比，水沖法的土方開挖與泥漿運送方法有以下特點。

（1）成本低。水沖法可以引用周邊的河水、降水和析水，水可重復(fù)利用；靜置后的泥土可用作回填土；施工設(shè)備簡單，可有效降低工程總成本。

（2）工期短。與傳統(tǒng)的機械開挖相比，水沖法受雨天影響?。ㄌ卮蟊┯瓿猓鐾练€(wěn)定，有較好的經(jīng)濟效益。

（3）污染小。水沖法采用的高壓泵、泥漿泵等均為清潔無污染的設(shè)備；水資源可實現(xiàn)循環(huán)利用；與機械開挖相比，改善了勞動作業(yè)條件，主要是出色地解決了周邊交通道路的限制，具有良好的社會效益。

為了解決水沖法在諸如浦東機場T3 航站樓等工程超大基坑開挖過程中的技術(shù)、設(shè)備安裝和調(diào)試，以及管線排布等問題，在浦東機場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試驗區(qū)。沉淀下來的泥土作為場內(nèi)回填土或外運[1]。運土路徑形成回路，循環(huán)用水[2]。對于深大基坑，水沖法需要慎重選擇前端的出土方式、合適的末端泥漿分離和沉淀造土技術(shù)。

1 工程概況

1.1 出土概況與需求

浦東機場T3 航站樓核心區(qū)深基坑挖深18.7～29.2 m，淺基坑挖深8.7～14.7 m，共計出土約850 萬m3。其中，逆作法區(qū)域約279.2 萬m3，順作法區(qū)域約570.8 萬m3，深基坑約741 m3。基坑順作分區(qū)、逆作分區(qū)，與前端出土需求及概況如圖1 所示。

圖1 浦東機場T3 航站樓分坑圖

基坑開挖的工期測算如圖2 所示。樁基圍護從2021 年9 月至2022 年3 月。一期基坑從2022 年4月至2023 年1 月底板完成，2023 年7 月出正負零米；二期基坑從2023 年2 月至2023 年10 月底板完成，2024 年3 月出正負零米；三期基坑從2024 年3月至2025 年1 月出正負零米。

圖2 T3 航站樓深基坑（挖深18.7～29.2 m）出土需求測算

1.2 末端圍區(qū)概況

末端的圍區(qū)也決定著水沖運土的成敗?，F(xiàn)在很多地方都有嚴格的環(huán)保要求。水沖技術(shù)需要確保泥漿的流動以及淅出的水控制在施工方案確定的范圍內(nèi)[3]。因此，從基坑中沖出的泥漿需要做泥漿分離。以機場建設(shè)中的3# 圍區(qū)和N1 圍區(qū)為例，如圖3 所示，各自的管理單位與環(huán)保要求見表1。

圖3 浦東機場末端圍區(qū)與周邊情況

表1 地勘土體參數(shù)

1.3 周邊現(xiàn)場情況

浦東機場T3 航站樓建設(shè)區(qū)域與3# 圍區(qū)、N1 圍區(qū)之間除機坪區(qū)域外，自貿(mào)區(qū)臨港新片區(qū)圍場河以北區(qū)域已進入開發(fā)階段，已形成圍墻及巡場路，如圖4 所示。

圖4 浦東機場T3 航站樓東側(cè)區(qū)域現(xiàn)場情況

2 前端

在浦東機場T3 航站樓基坑土方開挖管線的前端，為滿足航站樓基坑出土需求，擬布置10 組管路對泥漿進行轉(zhuǎn)運。泵選用250EPN-24，管徑400 mm，泵的流量1 800 m3/h，效率80%，每天20 h?；又心酀{中土（體積）含量參考值需在前期工程試驗段中進行驗證分析，得到最優(yōu)值。

2.1 水沖法前端出土方式

填土層含碎石、磚塊等建筑垃圾；宜采用挖掘機挖土結(jié)合土方車運土；粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土層采用挖機喂斗法施工，如圖5 所示；砂質(zhì)粉土層采用翻土沖挖法施工，如圖6 所示；粉砂層宜用泥漿泵沖挖施工且工效較高。翻土沖挖時，要控制沖刷部位，土體高差不宜大于2 m，施工人員要與潛在的塌落土體保持一定的距離[4]。

圖5 水沖法中的挖機喂斗法

圖6 水沖法中的翻土沖挖法

2.2 土質(zhì)對出土量的影響

針對不同土質(zhì)下各類前端出土方式對應(yīng)的出土量理論參考值見表2。

表2 不同土質(zhì)下不同出土方式的出土量與泥漿中土含量

2.3 傳送帶與水沖法組合出土方案

第一批基坑2022 年4 月出土，表層土采用機械挖土土方車運輸?shù)男问匠鐾粒罨訁^(qū)域棧橋區(qū)域架設(shè)傳送帶，坑內(nèi)挖機配合傳送帶出土。升降梯解決土方垂直運輸問題，運至泥漿池（或斗）后用高壓水槍化土為泥，通過泥漿泵排入管道；淺基坑通過土方車常規(guī)出土。前端1# 泵至2# 泵850 m，2# 泵至3#泵1 200 m，4# 泵至3# 泵600 m，如圖7 所示。

圖7 全水沖出土管道和泥漿池布置圖

第二批基坑2024 年3 月開挖，表層土采用機械挖土土方車運輸?shù)男问匠鐾?，逆作法基坑B0 板設(shè)置傳送帶，出土至泥漿池（或斗），通過泥漿泵排入管道；其余基坑通過土方車常規(guī)運輸出土。前端1# 泵至2# 泵700 m，2# 泵至3# 泵1 200 m，如圖8 所示。

圖8 前端機械出土

根據(jù)初勘報告，T3 航站樓基坑區(qū)域10 m 以下部分區(qū)域為黏土。為保守估算，10 m 以下基坑土質(zhì)均按照黏土考慮，10 m 以上表層土以下土質(zhì)均按照非黏土考慮，根據(jù)表2 泥漿中土含量參考值，非黏土按7%、黏土按5%的比例進行保守估算。給水按中途折損10%進行估算，水沖法給水需求如圖9 所示。

圖9 T3 航站樓深基坑（挖深18.7～29.2m)水沖法給水需求估算

初步設(shè)想供水來源：第一部分為機坪回灌后剩余的基坑降水、承壓水；第二部分為圍場河、臨時東繞排水渠借水。

3 中端運土方式對比

3.1 土方車

浦東機場T3 航站樓基坑若采用土方車出土，出土路線如圖10 所示：沿著圍場河路從西往東，轉(zhuǎn)到緯十一路上，穿過經(jīng)一路，在機場圍界和自貿(mào)區(qū)圍界之間穿過，再上外海圍堰巡場道路，最后到達機場圍區(qū)。全線長20 km，緯十一路、經(jīng)一路為雙向4 車道，外海圍堰巡場道路為雙向2 車道，道路限速40 km/h。如圖11 所示，T3 航站樓高峰出土量為18 100 m3/d，共需約1 000 車次/d 運輸強度，24h 全天出土，平均車速40 km/h，全線20 km 道路同時20 臺滿車由基坑駛?cè)雵鷧^(qū)，同時20 臺空車由圍區(qū)回到基坑，車間距500 m，對沿路道路和路下管線均存在較大的壓力，交通組織協(xié)調(diào)管理難度較大。

圖10 T3 航站樓土方車出土路線

圖11 T3 航站樓基坑出土日均土方車數(shù)量

3.2 傳送帶

浦東機場T3 航站樓基坑開挖若采用傳送帶出土，出土路線如圖12 所示：圍場河路→緯十一路→拖機道→圍場河路，最后抵達圍區(qū)。全線長7 000 m，其間需上穿經(jīng)一路、鉆拖機道橋橋洞，方案實施難度較大。

圖12 傳送帶周邊出土路線

3.3 水沖管線

水沖管線的出土路線分前端、中端和后端。中端全長4 600 m：跨圍場支河，然后沿緯十一路東進，再跨經(jīng)一路，在自貿(mào)區(qū)圍界與機場圍界間穿行，最后下穿拖機道橋，如圖13 所示。

圖13 T3 航站樓水沖管線出土路線

與土方車出土、傳送帶出土相比，水沖法出土中端通過管道運輸土的方案，能較好處理出土路線與周邊建（構(gòu)）筑物之間的關(guān)系，因此主推水沖法出土方案。當(dāng)工程基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)時，上部機械行駛會對工程樁和基坑支護產(chǎn)生較大的擾動[5]。三種出土方案對比，見表3。

表3 出土方案比較

由表3 對比可知，在本工程項目中，水沖法在前端出土、后端出土中較為劣勢，但在中端出土中的優(yōu)勢較為明顯，且可大量節(jié)約成本。

4 末端圍堰與排水方案

超大基坑的水沖法開挖重點之一在于末端泥漿的處理。圍區(qū)收納泥漿的流程為：設(shè)置圍堰、接受泥漿、土體排水和沉淀硬化。同時，設(shè)置排水溝和沉淀池，形成三級排水沉淀，水體凈化，排入外海。其中，3# 圍區(qū)填土區(qū)域需要機場確認，N1 圍區(qū)填土區(qū)域和泥漿形成的干土要求需長江航道局確認。前期工程中，泥漿可排入3# 圍區(qū)。

單個泥庫容積為270 000 m3。促淤簾是用鋼絲繩穿在土工布上，鋼絲繩兩端固定于沉淀池的兩側(cè)固定位置，土工布隨鋼絲繩自重垂于水中。促淤簾可以減緩水流流動，過濾泥砂，達到泥砂快速沉淀效果。泥漿經(jīng)過3 座沉淀池，以及若干道防淤簾的減速作用，能提高吹泥尾水的排放標準。圍堰上部寬度需滿足挖機行進要求。

4.1 泥漿池沉淀造土

泥漿分離可以采用沉淀池，也可以采用濾水薄膜和泥漿分離器，如圖14、圖15 所示。濾水薄膜只適用于砂，不適用于土，因此無法滿足基坑中各類黏性土的濾水要求。泥漿分離器能較好地解決泥漿沉淀問題，但是成本高、投資大、周期長。因此，推薦在本工程中使用沉淀池和泥庫的做法。

圖14 泥水分離薄膜系統(tǒng)

圖15 泥漿分離器

4.2 沉淀水排放

沉淀水排放工程規(guī)模巨大：一個標段702 萬m3（堆載面積102.1 萬m2）；二標684 萬m3（96.78 萬m2），共1 386 萬m3（不含沉降量）。填土方案可概括為：第五跑道水沖法出土全部進入3# 圍區(qū)設(shè)置的圍堰中。經(jīng)沉淀過濾和凈化，出水由新建大堤的外海排水口排放至外海。末端干土的解決方案：（1）泥漿在3# 圍區(qū)沉淀完成后，采用機械開挖，轉(zhuǎn)運至N1 圍區(qū)；（2）在N1 圍區(qū)借地，待土體排水固結(jié)后轉(zhuǎn)運至指定區(qū)域。圍堰上部寬度需滿足挖機行進要求。泥庫與沉淀池如圖16 所示。

圖16 泥庫與沉淀池（單位：m）

促淤簾用鋼絲繩穿在土工布上，鋼絲繩兩端固定于沉淀池的兩側(cè)固定位置，土工布隨鋼絲繩自重垂于水中。促淤簾可以減緩水流流動，過濾泥砂，達到泥砂快速沉淀的效果。泥漿經(jīng)過3 只沉淀池及若干道防淤簾減緩流速，能提高泥漿尾水排放的標準。泥漿排水分為兩個階段：前期初步排水（一周內(nèi)），固結(jié)為干土（2～3 年）；后期沉淀后的水根據(jù)現(xiàn)場情況，開渠引入圍場河，具體以相關(guān)部門要求為準。由于航站樓出土周期不足2 年，原基坑內(nèi)黏性土難以固結(jié)為干土，因此需要按含有一定水分的虛土進行假設(shè)，初步認為固結(jié)濕土體積比原實土膨脹1.5 倍（經(jīng)驗數(shù)值），則T3 深基坑區(qū)域共計出土約550 萬m3，即泥庫需要具備800 萬m3濕土的存蓄功能。已知單個標準泥庫容積72 萬m3，因此共計需要12 個圍堰。促淤簾根據(jù)現(xiàn)場實際情況，調(diào)整位置及數(shù)量。

5 結(jié)語

制約水沖法大規(guī)模運用的因素在于前端出土的模式與末端圍區(qū)的泥漿分離，以及泥漿沉淀技術(shù)。本文通過對前后端的關(guān)鍵技術(shù)進行總結(jié)，保證了水沖法與機械開挖組合方式在超大型深基坑開挖成套技術(shù)的完整性，幫助解決了不停航情況下，基坑大體量挖土與運土的工程技術(shù)難題。