盾構渣土為原料的吹填工程施工技術研究

仲維華

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519100)

1 前言

隨著社會經濟的迅猛發展，城市不斷擴容，人們對地下交通工程需求日益增多，其中隧道、地鐵、管道等地下工程需求量迅速提升。地下工程施工中盾構技術具有引領地位，盾構施工過程中將產生大量盾構渣土，成為廢棄材料，目前盾構渣土主要處理方式為堆放或填埋，渣土的排放危及到環保、土地、水源等眾多領域，如何將盾構渣土處置一直是一項難題，目前較多采取泥水分離技術處理，此技術成本高、效率低，分離后的泥土也需處置，不能達到有效末端處理效果，一直未被規模化利用。

在土地開發過程中，場地填筑施工大量采取吹填技術。吹填材料為粉細砂、海砂等，但原料緊缺，價格昂貴，過渡開采破壞生態環境，還可能造成自然災害，特別是海砂作為重要的海洋資源，隨著國民經濟的發展，海砂的需求量也不斷擴大，很多地區由于管理缺失，利用不當造成海砂資源遭到破壞，進而對海洋生態環境造成不可挽回的不良影響，制約了海砂的可持續利用。

盾構渣土二次利用有利于社會經濟發展和生態保護。經篩分后盾構渣土渣樣與吹填材料對比分析，盾構渣土篩分后完全滿足吹填材料性能指標[1-3]。

2 工程概況

廣東省珠海市洪灣港北片區填筑及市政基礎設施工程位于橫琴、保稅區、洪灣片區一體化發展區域西部，位于磨刀門水道口門位置。片區北倚有髻山，西接磨刀門水道，南至馬騮洲水道，與橫琴隔海相望。項目實際填筑總用地面積為154萬m2，其中吹填面積約為60萬m2，填土面積約為23萬m2，棄土填筑面積24萬m2，對澳供水管、電力隧道及洪鶴大橋避讓區填土面積27萬m2，膜袋圍堰面積19萬m2，土袋圍堰面積1.8萬m2。考慮流失量系數為15%，場地吹填高程+3.5 m，吹填材料采用粉細砂，由運砂泥駁船運至現場通過砂泵進行吹填，吹填順序:先吹填C-3區和C-2區(東區、西區))，后吹填C-1區。圍堰和避讓區填土標高為4.0 m。填筑情況見圖1。

圖1 場地填筑總平面布置

吹填材料技術要求為:砂含泥量不得超過50%；場地內吹填砂材料要求粒徑大于0.075mm的顆粒超過總質量的50%，干容重不小于14.5 kN/m3。

3 盾構渣土檢測

在盾構渣土運輸船艙內提取盾構渣土樣品，經檢測卵礫石渣土外觀清潔，附著泥漿較少，篩分及水洗系統處理后分成粗、細兩種粒徑砂，其中以粗顆粒為主，外觀清潔[4]。顆粒分析檢測結果見表1及表2。

表1 顆粒分析檢測結果一

表2 顆粒分析檢測結果二

結論:通過盾構渣土篩分后渣樣與吹填材料對比分析，盾構渣土篩分后滿足吹填材料性能指標[5-6]。

4 盾構渣土吹填施工技術

4.1 盾構渣土運輸

盾構渣土采用陸上及海上運輸兩種方式，陸上運輸采用專用盾構渣土車運輸，海上運輸采用1 000 t平板船運輸。首先平板船靠出運碼頭，盾構渣土運輸車直接運至平板船上，船裝滿后駛離碼頭，運至篩分沖洗+船一體化船舶附近，并緊靠篩分沖洗+船一體化船舶，進行盾構渣土篩分。

4.2 吹填設備研究

目前吹填船只能進行海砂吹填，無盾構渣土作為吹填材料設備，需進行研究設計相關設備。為達到低成本、高效率完成施工區域吹填工作，設計出篩分沖洗+船一體化船舶(見圖2)將盾構渣土二次利用，設備組裝如下:篩分倉采用30 mm鋼板焊接，將設備固定在平板船上，安裝焊接兩層粗篩網和精篩網，篩分倉周圍安裝高壓水泵及噴淋系統，安裝傳送帶、吹砂泵、吹砂管道，完成組裝后將盾構渣土進行篩分，分離出大塊料通過傳送設備集中堆積，同時通過篩網的渣土，直接吹填至施工區[7-8]。

圖2 篩分沖洗+船一體化船舶立面圖

篩分沖洗+船一體化船舶篩分沖洗流程如下:盾構渣土采用機械運至粗篩網，高壓水泵噴淋系統開始高壓噴水，大顆粒渣土被分離下落至傳送帶運至堆放點，小顆粒渣土穿過粗曬網、精篩網兩層篩分網后留置篩分倉，渣土通過吹砂泵及管道吹填至施工區域。經過篩分沖洗+船一體化船舶吹填至現場后，取現場渣料進行檢測，滿足吹填材料設計要求。

4.3 吹填管道布置技術

吹填管道包括水上管、浮管和岸管，船舶施工時輸砂管線由圍堤外浮管、圍堤管架頭和圍區內水域部分浮管、陸域部分岸管組成。施工船排泥管線配置全部采用2+1組合方式。吹填管線均采用φ600 mm管徑的鋼管，管長均為6 m；壁厚:水上浮管、沉管為12 mm，陸上管10～12 mm。

(1)水上吹填浮管架設

浮管的組裝方式為:每節鋼管用1對浮筒承載，鋼管間用1節鋼管+1節膠管連接，浮筒采用兩側拋錨來控制位置。

(2)陸上吹填岸管架設

陸上管線(岸管)的組裝方式為:直接用螺桿連接，法蘭間加橡皮墊圈防滲漏。陸上排泥管線的架設以保證填泥區質量為目標，滿足填泥平整度的要求。

(3)特殊段管線架設(見圖3)

圖3 特殊段管線架設

特殊管線指翻越消浪墻或圍堰頂部的管線。該段管線的特點是在近距離范圍內管線由水平段上升一定標高，翻越墻(或堰)體后又下降一定標高，再接水平管線，水頭突變大。由于受漲落潮的影響，過渡管線兩頭與水平面的夾角在一小范圍內變化，針對此種特點，過渡管線兩頭采用橡膠彎管接法蘭盤接鋼彎頭、中間接鋼管的組裝方式。組裝管線選擇在落潮時，先將墻頂的鋼管固定好，再用手拉葫蘆將過渡管線的一頭吊起與頂管連接好，低潮時再用錨艇配合將浮管與過渡管線相連接。用這種方式連接，即使到了高潮時，管線向浮管方向擠壓也不至于讓該部分管線憋死。

陸上主管線安裝:根據現場實際情況，汽運至道路邊線(運距約130 km)，再采用人工及PC120小型挖掘機搬運，吹填支管基本布置在塘底，吹填區支管架設前在塘底可拋填砂袋。

吹砂管管材與管徑:吹砂管的水上、水下和水陸結合處均采用鋼管，陸域管可以采用鋼管或PVC管。吹砂干管直徑不小于600mm，支管不小于400mm[9]。吹泥管口的間距按表3選取。

表3 吹泥管口的間距選取

(4)接力泵安裝

在對C-2吹填區域最東側、北側燃氣管保護膜袋砂圍堰充填施工及C-1吹填區域進行吹填施工時由于吹填管線吹填距為1.2～2.5 km，現有施工船舶功率已不能滿足本區域的吹填作業，需要在吹填管線的1.2 km處加設接力泵進行吹填施工(見圖4)。接力泵基礎硬化采用C25砼硬化，硬化面積40 m2。

圖4 接力泵安裝

4.4 排水通道布置技術

第一階段:C-2區(東區、西區)由北側現狀排水渠排入洪灣涌、C-3區由現狀水閘排入洪灣涌；第二階段:C-1區所在位置現狀排水渠排入洪灣涌。

排水渠的防護:現有排水渠的勘察→清表處理→檢查驗收→測量放線及料源選定→對排水渠兩側分層鋪土、平整、放坡維護→壓實、修坡→吹填尾水經過維護好的排水渠排入沉淀池。

吹填尾水的排放:吹填尾水的疏導→通過溢流的方式進入沉淀池→通過波紋管排入臨時排水渠。

根據吹填區域面積，共設置3處排水口沉淀池，沉淀池膜袋砂總方量為12 000 m3。排水口基本形式為膜袋砂圍堰，具體布置形式根據設計確定，在排水口的迎水面布置一層防滲復合土工膜，防止尾水滲漏。

排水口布設:

(1)排水口的布設根據吹填區地形、幾何形狀、吹填設計標高、排砂管的布設及排水總流量等因素確定。

(2)排水口設在有利于加長水流流程、吹填材料沉淀的位置。

4.5 吹填流失量控制技術

流失量是指一定時間段內流失泥砂的量占吹入泥砂量的比例，通過研究控制泥砂快速沉淀的方法就可以得出控制流失量的方法。

(1)泄水口圍堰高度與流失量關系

通過泄水口圍堰高度控制流失量，通過資料查閱泄水圍堰高度越高泥砂的初始流動速度越大，越有利于泥砂的沉淀。同時，泄水口圍堰的加高致使泄水池的水深加大，并形成了一定的緩沖區，能夠有效減緩泄水的流速，也更有利于泥砂的沉降。泄水口采用膜袋砂圍堰，不斷加高來控制泄水量及泄水速度。泄水口圍堰是隨著吹填施工進度吹填區水位要求逐步加高泄水口圍堰，使圍堰泄水系統處于可控可調節狀態。

(2)出砂口流速控制與流失量關系

吹泥管徑為φ600 mm，由于排泥管的管口離泄水口距離較近，受吹填水流較高的影響，疏浚泥砂不易沉積，造成泄水口排出水流濃度較高，造成一定的成本損失。該情況在船舶疏浚以淤泥為主并含有少量粗砂、礫石土層時表現得更為明顯。考慮到該情況，利用由6個管徑為φ150 mm組合分流管裝置制作了簸箕形效能器(見圖5)。

圖5 分流管裝置

根據泄水口流失量結果統計得出:出沙口裝置制作了簸箕形效能器致使落地后水流的流速降低，提高了疏浚物料的沉積速率，減小了泄水口處水流的含泥量，也更有利于泥砂的沉降。

(3)流徑與流失量關系分析

當流速一定時，流徑越長，則泥砂沉降的過程時間越長，沉降量增加，流失率降低。

根據流徑變化控制得出:吹填前期流徑與流失量相關，流徑越長提高了疏浚物料的沉積量，減小了泄水口處水流的含泥量，降低了工程成本，保護了環境。

4.6 頂面標高控制技術

吹填區吹填標高為+3.5m，為保障吹填標高及平整度，吹填過程中嚴格控制管頭標高及各管頭間距，根據以往施工經驗，吹填過程中由于受潮汐影響需要根據每天的潮汐情況對管頭的標高動態調整，吹填管口間距取100～150 m左右，并在吹填過程中在管頭附近按20 m×20 m的間距放置標高控制桿，指導泥塘管線組裝，可保障吹填區標高及平整度要求。

4.7 泥砂均勻度控制技術

由于砂的比重比水高，砂處于下層，離吹砂口越遠，砂越少，含泥量越大，最大干密度越小。為保證泥砂分布均勻，施工采取如下控制措施:

(1)吹砂管口接橡膠軟管(見圖5)，以便吹填砂時管口左右靈活移動，管口移動間距5 m為宜，吹完一段后接管繼續吹填，吹填做到平整，嚴禁出現小山包現象。

(2)吹填現場配備一臺挖機，隨時進行平整，把含砂量較多地方，挖至吹填離管口較遠位置，保證較遠位置泥砂量分布均勻(見圖6)。

圖6 挖機平整吹填泥砂

(3)為減少吹填區的吹填砂損失，成立排水監控小組24 h值班控制水位，檢測排水口平整度，根據排水口附近含砂量標高，來保證周圍區域含砂量均勻分布[10-11]。

5 效果分析

5.1 成本分析

(1)盾構渣土常規處理分析對比

盾構渣土運至泥水處理廠，10 km范圍內運輸費用15元/m3，泥水處理廠費用30元/m3，合計45元/m3；通過運輸至一體化吹填船，陸上運輸費用15元/m3，挖機及鏟車打堆機械費用3元/m3，海上運輸費用15元/m3，合計33元/m3。海陸運輸至一體化吹填船比運輸至泥水處理廠處理節省成本12元/m3，盾構渣土用于吹填工程中經濟效益更加顯著。

(2)盾構渣土代替吹填材料分析對比

通過盾構渣土篩分后渣樣與吹填材料對比分析，盾構渣土篩分后完全滿足吹填材料性能指標。目前吹填材料主要為粉細砂、海砂等，吹填至現場基本價格80元/m3，而盾構渣土是廢棄材料，運至吹填船后只需篩分，無需進行污泥處理，費用價格相對較低，經測算后價格40元/m3，吹填60萬m3，節省成本約2 400萬元，篩分后大顆粒也可回收利用，經濟效益顯著。

5.2 安全環保分析

(1)盾構渣土安全環保分析

盾構渣土處理不當，會產生大量危害，如對土壤影響，大多數盾構渣土通過堆放、掩埋，經長期風吹日曬，盾構渣土有害物質滲進土壤，造成土壤污染，降低土的質量，大量占用土地資源；對水域影響，盾構渣土中含有泡沫劑，未經處理，直接進入土場，一旦泡沫劑進入水體，影響正常附近水域，對水中微生物造成不良影響；存在安全隱患，盾構渣土因堆放未進行有效管理，堆積過高，易造成滑坡等問題，危機人身安全及財產損失。

(2)場地吹填材料安全環保分析

場地吹填材料為粉細砂、海砂等，過渡開采會造成大量危害，破壞海洋生態資源，海砂是海洋主要要素，很多地區由于管理不善，過度開采造成海床塌陷、海床和海洋生態資源平衡嚴重破壞；海岸沙灘破壞，很多企業采砂采取極為粗放方式開采，大部分以插管虹吸式和鏈斗式近岸采挖，造成區域海砂量急劇下降，海岸沙灘沙縮小，致使海浪對海岸沖刷加劇，造成堤岸塌陷和后退等；危及跨海橋梁、臨近公路和海底輸油管道安全，危及交通設施安全；大多數采砂船船舶安全條件差、設備簡陋、抗風能力差，容易在惡劣天氣發生安全事故。

5.3 吹填質量效果分析

通過采用盾構渣土吹填施工技術，完成整個場區吹填工作，通過現場各方鑒證取樣送檢，檢驗送檢樣品泥砂含量及粒徑符合設計要求，通過現場測量泥砂標高，標高滿足設計要求，通過各方驗收吹填質量滿足設計要求，可進行下一步工序施工(見圖7)。

圖7 吹填完成后效果圖

6 結束語

本文以篩分盾構渣土替代粉細砂或海砂為吹填材料，研究設計了篩分沖洗+船一體化船舶，通過工程實例，總結了吹填施工技術，低成本、高效率完成施工區域吹填工作并得出以下結論:

(1)有效解決了盾構渣土外棄，其中分離出大顆粒可回收利用，小顆粒也得到充分有效利用。

(2)吹填砂原料價格昂貴，資源緊缺，采用盾構渣土，通過篩分沖洗+船一體化船舶直接吹填至現場，成本價格更低，效益更好。

(3)國內外盾構渣土再利用，都需要處理渣土污泥，對環保要求較高，但場地吹填砂，對污泥含量要求較低，50%～70%含砂量就能滿足施工要求，減少污泥處理[12]。

(4)高壓泵進水直接采用船域水噴淋，噴淋完海水不需要進行污水處理，直接吹填至施工區，既環保又高效，為解決盾構渣土提供了較好的指導性意見。