深大基坑水力機(jī)械與土方機(jī)械組合開挖施工技術(shù)*

危 鼎，周建民，柴干飛，張朝暉，高 洋，危 松，李亞慶

(1.中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200120； 2.蕭山奧博投資有限公司，浙江 杭州 310000)

1 工程概況

杭州奧體中心主體育館、游泳館項(xiàng)目位于杭州市蕭山區(qū)錢江世紀(jì)城，基坑開挖面積約15萬m2，土方量約200萬m3，基坑?xùn)|西長(zhǎng)560m，南北寬320m，開挖深度9～14m，基坑圍護(hù)大部分區(qū)域采用放坡加土釘支護(hù)，與周邊項(xiàng)目臨近處采用SMW工法樁加混凝土角撐，圍護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示。該項(xiàng)目環(huán)保要求高，基坑開挖面臨以下難點(diǎn)： ①為滿足工期要求，日出土量需大于0.6萬m3； ②現(xiàn)場(chǎng)只有一個(gè)出土口，出土施工組織難度大； ③車輛運(yùn)載量、周邊出行道路及時(shí)間受限，土方車出土速度慢。因此傳統(tǒng)基坑開挖與土方運(yùn)輸方法難以滿足工期及綠色施工要求，必需采用新的土方開挖與運(yùn)輸方法。水利工程中使用砂石泵超遠(yuǎn)距離泵送淤泥與泥砂的技術(shù)是解決目前建筑工程出土困難的一個(gè)思路，但要把泵送淤泥與泥砂技術(shù)用于超大面積深基坑開挖中，還需要解決提高沖土開挖效率、加快工作面展開速度、如何開挖邊角土與基層土保證基坑安全及各道工序施工質(zhì)量等問題。

圖1 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

2 工程地質(zhì)條件

由勘探結(jié)果可知，項(xiàng)目場(chǎng)地可劃分為9個(gè)工程地質(zhì)層，包括20個(gè)工程地質(zhì)亞層和4個(gè)夾層。本工程開挖區(qū)域主要開挖至②2，②4層，開挖深度范圍內(nèi)主要為砂質(zhì)粉土，土層性能指標(biāo)如表1所示。

表1 土層性能指標(biāo)

3 水力機(jī)械與土方機(jī)械組合開挖基坑可行性分析

為把超遠(yuǎn)距離泵送淤泥與泥砂技術(shù)用于深大基坑開挖中，從地質(zhì)條件、運(yùn)輸條件、施工工況、周邊環(huán)境狀況等方面進(jìn)行分析，本項(xiàng)目具有如下特點(diǎn)： ①基坑開挖深度范圍內(nèi)沒有承壓水，基坑具備沖土開挖的水文與地質(zhì)條件； ②項(xiàng)目周邊河道密集，具備在河道中鋪設(shè)輸運(yùn)管道進(jìn)行遠(yuǎn)程泵送運(yùn)輸泥漿的條件，可避免在陸地上鋪設(shè)管道過多占地，影響周邊道路正常通行；③周邊有合適的泥漿接收點(diǎn)，可對(duì)泥漿進(jìn)行沉淀再周轉(zhuǎn)處理。因此，本項(xiàng)目具有使用沖土泵送泥漿方法開挖基坑的可行性。

但要進(jìn)一步把泵送淤泥與泥砂技術(shù)用于超大面積深基坑開挖中，還需要解決以下問題： ①深基坑土體一般為沒有擾動(dòng)過的固結(jié)土，若只單純使用高壓水槍沖土則形成泥漿濃度效果差，往往一沖一個(gè)孔，泥漿很稀，出土效率低，難以滿足日出土量大于0.6萬m3的需求； ②沖土必需考慮基坑周邊土與基底土的開挖方式與預(yù)留墻體厚度，從而保證邊坡安全與每道工序的施工質(zhì)量； ③沖土泵送泥漿工序必須與圍護(hù)、降水、破樁頭、清底、防水與底板施工等各道工序合理組織起來，盡快形成工作面，適時(shí)插入后道工序，形成分區(qū)分塊的流水施工。

4 水力機(jī)械與土方機(jī)械組合開挖

4.1 水力機(jī)械與土方機(jī)械組合方法

為增加沖出泥漿的密度，提高沖土效率，可采用水力機(jī)械與土方機(jī)械全斷面立體組合開挖方法，如圖2所示。步驟如下： ①為形成立體開挖的作業(yè)面，在開挖初始，在起始點(diǎn)位置一次性挖到某個(gè)合適標(biāo)高，可以是某道支撐的底標(biāo)高，也可以是底板底標(biāo)高上0.5m； ②在開挖斷面的不同深度位置，分別布置土方機(jī)械與水力機(jī)械，一般推土機(jī)布置在開挖斷面的頂部，用于把周邊土或土方車場(chǎng)內(nèi)短駁來的土推到開挖斷面底部的沖土區(qū)，挖機(jī)布置在開挖斷面的中部，用于翻松基底土或把周邊土翻到?jīng)_土區(qū)，高壓水槍與砂石泵布置在開挖斷面的底部，高壓水槍用于沖擊翻松了的土體形成泥漿，砂石泵將沖出的泥漿加壓泵送到指定地點(diǎn)。

圖2 水力機(jī)械與土方機(jī)械立體組合示意

整個(gè)工作面上水力機(jī)械與土方機(jī)械平面布置如圖3所示，在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)平面上形成場(chǎng)內(nèi)土方車短駁土方、沖土區(qū)周邊推土機(jī)推土、挖機(jī)翻土與松土、沖土與泵送泥漿等工序連續(xù)組合工作面，提高整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)出土效率。

圖3 各工序平面布置示意

4.2 高壓水槍布置與工作面展開

為了盡快形成下一道工序的工作面，需要在現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)同時(shí)沖土，這樣就需要在多點(diǎn)配置高壓水槍，但現(xiàn)場(chǎng)功率大、揚(yáng)程遠(yuǎn)的清水大泵數(shù)量有限，為解決這一矛盾，可用分支管或中轉(zhuǎn)水箱的方法解決。首先根據(jù)清水大泵數(shù)量與功率計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)所需高壓水槍數(shù)量，高壓水槍與清水大泵的連接方式有兩種： ①在現(xiàn)場(chǎng)做一個(gè)清水池，用清水大泵從較遠(yuǎn)的水源抽水至清水池里，然后再用多臺(tái)小功率的清水小泵從清水池中抽水加壓，在不同地點(diǎn)沖土，迅速沿即定的開挖方向沖出一定大小的工作面，一般1臺(tái)清水大泵配4臺(tái)清水小泵，每臺(tái)清水小泵配3支高壓水槍，如圖4所示； ②所有高壓水槍都直接用小泵管連接在清水大泵的主泵管上，直接使用清水大泵的泵壓沖土，如圖5所示。

圖4 有清水池水槍布置

圖5 無清水池水槍布置方式

經(jīng)比選分析，第1種方法的系統(tǒng)穩(wěn)定性好，在出現(xiàn)各種故障的情況下都能在一定時(shí)間內(nèi)保證沖土作業(yè)的連續(xù)性，適用于早期大面積大規(guī)模沖土作業(yè)；第2種方法靈活性較好，不需要布置清水池，用于開挖后期管道線路較長(zhǎng)、無法修建清水池的邊角區(qū)域。

4.3 砂石小泵布置方式

現(xiàn)場(chǎng)可在所有沖土點(diǎn)布置小功率的砂石小泵向各點(diǎn)同時(shí)泵送泥漿，每個(gè)沖土點(diǎn)配置的砂石小泵流量應(yīng)與3個(gè)高壓水槍的總流量大致相等，使沖出的泥漿能迅速泵出，保證泵送系統(tǒng)內(nèi)的泥漿平衡與基坑內(nèi)不出現(xiàn)大量泥漿。砂石小泵與砂石大泵的關(guān)系也有兩種： ①砂石小泵在多個(gè)沖土點(diǎn)泵送泥漿到1個(gè)公共泥漿池，然后用大功率的砂石大泵把公共泥漿池中的泥漿送到場(chǎng)地外的指定地點(diǎn)，如圖6所示； ②可用軟泵管將砂石小泵直接連接到主泵管上，泥漿經(jīng)過小泵直接送到主泵管中，再由砂石大泵送到場(chǎng)地外的指定地點(diǎn)，如圖7所示。

圖6 有泥漿池砂石小泵配置

圖7 無泥漿池砂石小泵配置

第1種方法的系統(tǒng)穩(wěn)定性好，在出現(xiàn)各種故障的情況下都能在一定時(shí)間內(nèi)保證沖土作業(yè)的連續(xù)性，適用于早期大面積大規(guī)模沖土作業(yè)。第2種方法靈活性較好，不需要布置泥漿池，用于開挖后期無法修建泥漿池的邊角區(qū)域。為防止泥漿泵被泥漿中的垃圾堵塞造成停機(jī)與跳閘，需要在泥漿流經(jīng)的小渠上設(shè)置過濾鐵欄柵，并使用周邊帶過濾網(wǎng)的浮箱圍繞砂石小泵，進(jìn)一步阻擋垃圾進(jìn)入砂石小泵，并派專人定時(shí)清理欄柵與濾網(wǎng)周圍垃圾。

5 沖土邊界及預(yù)留土體

當(dāng)基坑周邊為放坡噴錨圍護(hù)時(shí)，為保護(hù)基坑邊坡穩(wěn)定以及方便按設(shè)計(jì)要求的角度進(jìn)行放坡與邊坡噴錨施工，沖土開挖的控制線(也是沖土開挖斷面的上邊線)設(shè)定為距離基坑止水帷幕≥5m，如圖8所示，在控制線與放坡坡腳線間的土采用常規(guī)挖機(jī)配合土方車短駁的方法開挖，土方短駁到場(chǎng)內(nèi)的沖土區(qū)，邊挖土邊修理成為設(shè)計(jì)的邊坡。若基坑周邊是SMW工法樁或混凝土灌注樁加角撐圍護(hù)則可直接沖土開挖到基坑的圍護(hù)邊。

圖8 基坑邊坡土開挖示意

為了不擾動(dòng)基底土，使用沖土方法開挖的最深標(biāo)高控制在槽底標(biāo)高以上0.5m，預(yù)留的0.5m厚保護(hù)土體使用常規(guī)方法開挖，保護(hù)土方在清槽時(shí)使用小挖機(jī)與土方車短駁到場(chǎng)內(nèi)沖土區(qū)。沖土標(biāo)高的控制方法可利用場(chǎng)內(nèi)的樁身做標(biāo)識(shí)： ①在樁身用紅油漆涂刷出高程控制線； ②涂刷完油漆后，樁身用反光帶纏繞并固定； ③每間隔20m，在合適樁身上設(shè)置標(biāo)識(shí)牌，注明區(qū)域位置、軸線、槽底標(biāo)高。

6 結(jié)語

杭州奧體中心主體育館、游泳館項(xiàng)目結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，在超大面積深基坑開挖中使用水力機(jī)械配合土方機(jī)械開挖施工技術(shù)，有效進(jìn)行了基坑圍護(hù)、場(chǎng)內(nèi)短駁土、沖土區(qū)翻土松土、沖土稀釋、泵送泥漿、基坑降水、破樁清底、防水及底板結(jié)構(gòu)施工，不僅加快了工程施工進(jìn)度、降低了成本，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)土方施工階段的綠色環(huán)保，有著廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。