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(tuán)，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(huì)發(fā)生濕化、崩解，使泥漿和泥塊混合。混合足夠均勻后，采用泥漿泵和輸泥管將其吸送至回填區(qū)的泥庫。

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

（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(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)循環(huán)利用；與機(jī)械開挖相比，改善了勞動(dòng)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(huì)效益。

為了解決水沖法在諸如浦東機(jī)場T3 航站樓等工程超大基坑開挖過程中的技術(shù)、設(shè)備安裝和調(diào)試，以及管線排布等問題，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試驗(yàn)區(qū)。沉淀下來的泥土作為場內(nèi)回填土或外運(yùn)[1]。運(yùn)土路徑形成回路，循環(huán)用水[2]。對(duì)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(jī)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(jì)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?；禹樧鞣謪^(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(jī)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(hù)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(fù)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(fù)零米；三期基坑從2024 年3月至2025 年1 月出正負(fù)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(yùn)土的成敗?，F(xiàn)在很多地方都有嚴(yán)格的環(huán)保要求。水沖技術(shù)需要確保泥漿的流動(dòng)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(jī)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(jī)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(jī)場T3 航站樓建設(shè)區(qū)域與3# 圍區(qū)、N1 圍區(qū)之間除機(jī)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(jìn)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(jī)場T3 航站樓東側(cè)區(qū)域現(xiàn)場情況

2 前端

在浦東機(jī)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(duì)泥漿進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。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(yàn)段中進(jìn)行驗(yàn)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(jī)挖土結(jié)合土方車運(yùn)土；粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土層采用挖機(jī)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(shí)，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(jī)喂斗法

圖6 水沖法中的翻土沖挖法

2.2 土質(zhì)對(duì)出土量的影響

針對(duì)不同土質(zhì)下各類前端出土方式對(duì)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(jī)械挖土土方車運(yùn)輸?shù)男问匠鐾?，深基坑區(qū)域棧橋區(qū)域架設(shè)傳送帶，坑內(nèi)挖機(jī)配合傳送帶出土。升降梯解決土方垂直運(yùn)輸問題，運(yùn)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(jī)械挖土土方車運(yùn)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(yùn)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(jī)械出土

根據(jù)初勘報(bào)告，T3 航站樓基坑區(qū)域10 m 以下部分區(qū)域?yàn)轲ね?。為保守估算?0 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(jìn)行保守估算。給水按中途折損10%進(jìn)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(jī)坪回灌后剩余的基坑降水、承壓水；第二部分為圍場河、臨時(shí)東繞排水渠借水。

3 中端運(yùn)土方式對(duì)比

3.1 土方車

浦東機(jī)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(jī)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(dá)機(jī)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(yùn)輸強(qiáng)度，24h 全天出土，平均車速40 km/h，全線20 km 道路同時(shí)20 臺(tái)滿車由基坑駛?cè)雵鷧^(qū)，同時(shí)20 臺(tái)空車由圍區(qū)回到基坑，車間距500 m，對(duì)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(jī)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(jī)道→圍場河路，最后抵達(dá)圍區(qū)。全線長7 000 m，其間需上穿經(jīng)一路、鉆拖機(jī)道橋橋洞，方案實(shí)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(jìn)，再跨經(jīng)一路，在自貿(mào)區(qū)圍界與機(jī)場圍界間穿行，最后下穿拖機(jī)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(yùn)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(shí)，上部機(jī)械行駛會(huì)對(duì)工程樁和基坑支護(hù)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)[5]。三種出土方案對(duì)比，見表3。

表3 出土方案比較

由表3 對(duì)比可知，在本工程項(xiàng)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(diǎn)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(shí)，設(shè)置排水溝和沉淀池，形成三級(jí)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(jī)場確認(rèn)，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(rèn)。前期工程中，泥漿可排入3# 圍區(qū)。

單個(gè)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(dòng)，過濾泥砂，達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。圍堰上部寬度需滿足挖機(jī)行進(jìn)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(gè)標(biāo)段702 萬m3（堆載面積102.1 萬m2）；二標(biāo)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(jìn)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(jī)械開挖，轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)至指定區(qū)域。圍堰上部寬度需滿足挖機(jī)行進(jìn)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(dòng)，過濾泥砂，達(dá)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(biāo)準(zhǔn)。泥漿排水分為兩個(gè)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(zhǔn)。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(jìn)行假設(shè)，初步認(rèn)為固結(jié)濕土體積比原實(shí)土膨脹1.5 倍（經(jīng)驗(yàn)數(shù)值），則T3 深基坑區(qū)域共計(jì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)泥庫容積72 萬m3，因此共計(jì)需要12 個(gè)圍堰。促淤簾根據(jù)現(xiàn)場實(shí)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(yùn)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(duì)前后端的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，保證了水沖法與機(jī)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(yùn)土的工程技術(shù)難題。