老黏土地層吸泥裝置研究及應(yīng)用

肖伯強(qiáng)，李送根，胡義新，萬(wàn)火清

老黏土地層吸泥裝置研究及應(yīng)用

肖伯強(qiáng)，李送根，胡義新，萬(wàn)火清

（中交二航局第六工程分公司，湖北武漢430014）

文章以廈漳同城大道九龍江特大橋2號(hào)主墩承臺(tái)施工為背景，針對(duì)水下老黏土清理的難題，提出一種破除水下老黏土的沖泥器及其施工方法，采用高壓水和高壓空氣結(jié)合的方式?jīng)_擊老黏土，有效改善了沖泥效果，提高了吸泥效率。

老黏土；水下吸泥；施工

0 引言

1 工程概況

廈漳同城大道九龍江特大橋西溪主橋?yàn)楠?dú)斜塔空間扭背索斜拉橋，處于九龍江入?？冢魉?號(hào)主墩承臺(tái)尺寸24 m伊30.5 m伊6 m，其下設(shè)18根直徑2.8 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)施工采用先平臺(tái)后板樁圍堰的方法進(jìn)行。樁基施工完成后，施打鋼板樁，其后進(jìn)行水下清基和封底混凝土澆筑。2號(hào)主墩所處河床下臥5～8 m厚紅褐色老黏土層（海灣長(zhǎng)年淤積而成），硬塑～堅(jiān)硬狀，含少量Fe、Mn氧化物及較多灰白色團(tuán)塊狀高嶺土，強(qiáng)度較高，具中偏低壓縮性，局部具弱膨脹性。地質(zhì)鉆探參數(shù)如表1，主墩承臺(tái)平面布置如圖1所示。

表1 地質(zhì)鉆探參數(shù)表Table 1The parameter list of geological drilling

圖1 平面布置圖Fig.1Layout plan

2 方案比選

方案比選主要針對(duì)較難清理的第四系晚更新世老黏土進(jìn)行，目前，水下清理土層的施工方法主要有3種：機(jī)械清除、砂石泵抽除、高壓水+空壓機(jī)氣舉排除。所以，僅對(duì)上述3種方法及新型施工方法進(jìn)行比較。

2.1 機(jī)械清除

機(jī)械清除分兩類(lèi)形式，第一類(lèi)為抓斗法施工，第二類(lèi)為長(zhǎng)臂挖機(jī)法施工?，F(xiàn)在常用的是做功抓斗，由支撐繩和閉合繩配合進(jìn)行，支撐繩控制抓斗本身上下移動(dòng)，閉合繩控制瓣的閉合。常用形式有2瓣、6瓣、8瓣抓斗。

抓斗法施工的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，但抓斗施工并不能抓干凈，且較硬、較大塊的土體抓取比較困難。

長(zhǎng)臂挖機(jī)常用于深基坑開(kāi)挖，臂長(zhǎng)有15 m、18 m、21 m、24 m、27 m等，長(zhǎng)臂挖機(jī)的租賃費(fèi)用較高。長(zhǎng)臂挖機(jī)受臂長(zhǎng)的影響，斗容量都不大，一般在0.3～0.5 m3之間，水下挖泥又受到現(xiàn)場(chǎng)空間、水等因素影響，每斗約0.20 m3左右（含水混合體）。

優(yōu)點(diǎn)同樣是方法比較簡(jiǎn)單，但費(fèi)用高，施工受距離、深度和空間的控制（只能施工基坑上層的一部分），且在圍堰周邊易形成“倒三角區(qū)”狀土體無(wú)法挖除。

2.風(fēng)險(xiǎn)像素體系評(píng)估過(guò)程。風(fēng)險(xiǎn)像素指標(biāo)，先按歸一值原則進(jìn)行變化，轉(zhuǎn)化后的數(shù)值即為扣分值，分別以紅、橙、藍(lán)、綠來(lái)劃分4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表示。紅色等級(jí)為風(fēng)險(xiǎn)最高，綠色等級(jí)為風(fēng)險(xiǎn)最低，具體規(guī)則如下。

2.2 砂石泵抽除

大功率離心式砂石泵和潛水式泥漿泵是以電為動(dòng)力，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)變速器輸出扭矩，帶動(dòng)葉輪，葉輪置于殼體中，殼體接吸漿管及排泥管，通過(guò)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)將泥、砂、水混合物吸出輸出。為實(shí)現(xiàn)更高效的水下吸泥，也常采取砂石泵絞、吸結(jié)合的方法[5]，這樣能夠較大幅度地提高生產(chǎn)效率，給項(xiàng)目建設(shè)帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益。

本法主要針對(duì)比較板結(jié)的砂性土、礫類(lèi)土，一般最大粒徑不宜超過(guò)30～40 mm，否則易造成砂石泵砂輪片破壞，或造成堵管、破管等。對(duì)砂性土的施工效率高，且不受水深的影響，投入較為經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，不適宜黏性土、強(qiáng)黏性土等結(jié)合性較強(qiáng)的土層。

2.3 高壓水+空壓機(jī)

高壓水配合空壓機(jī)組合裝置由水泵高壓輸水系統(tǒng)和空壓機(jī)反壓系統(tǒng)兩大塊組成。空壓機(jī)將壓縮空氣送至基坑底，排出的氣體與基底松散狀土層顆粒、水混合形成含大量氣泡的漿氣混合液，漿氣混合液因其比重小而上升，在吸泥套管內(nèi)混合器底端形成負(fù)壓，下面的混合液在負(fù)壓的作用下不斷上升，并在氣壓動(dòng)量的聯(lián)合作用下形成流動(dòng)，將基底泥渣排出。同時(shí)，采用高壓水對(duì)基坑底土體進(jìn)行射水沖散，加快漿氣混合液的生成，促進(jìn)施工效率。氣、水組合更大地提高了施工效率，根據(jù)施工需要，可以配備多臺(tái)空壓機(jī)并聯(lián)形成低壓環(huán)境，適用于較大粒徑的抽吸，最大粒徑可達(dá)200 mm，但正因?yàn)橐劳袣鈮河绊?，空氣吸泥法受水深度影響，一般適宜8 m以上的水深。除細(xì)砂層以外，空氣吸泥法的施工效率較砂石泵法更快。

優(yōu)點(diǎn)是板樁周?chē)妥o(hù)筒周?chē)鷷?huì)清理的比較干凈，缺點(diǎn)是工藝較復(fù)雜。由于受到水深的影響，在水泵功率一定的情況下，基底水壓的沖擊力有一定的局限性，射水的范圍和力度受限，因而針對(duì)結(jié)合性較強(qiáng)的老黏土，施工速率較慢。

2.4 “氣推水”沖泥器法

改變以往僅采用高壓水沖擊水下基底土體的做法，采用高壓水和高壓空氣相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。內(nèi)管通水，外管通氣，打破常規(guī)氣、水分離的做法，在出水口外側(cè)，設(shè)置高壓氣體“助推”水力，加大射水速率和力度，擴(kuò)充作業(yè)范圍，克服迅速?zèng)_散老黏土較困難的難題，有效改善了沖泥效果，提高了吸泥效率。

3 構(gòu)造及實(shí)施步驟

從以上方案分析，結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，“氣推水”沖泥器法對(duì)克服老黏土具有明顯的優(yōu)越性，將有效提高施工工效，降低施工成本。

3.1 結(jié)構(gòu)形式

所設(shè)計(jì)的破除水下老黏土的沖泥器，利用兩種型號(hào)的無(wú)縫鋼管做成雙層噴管，鋼管之間上端封口，一側(cè)設(shè)置進(jìn)氣管（無(wú)縫鋼管，與雙層噴管成45毅夾角）。其中雙層噴管設(shè)計(jì)為內(nèi)管通水，外管通氣，雙層鋼管之間采用3孔準(zhǔn)12 mm螺旋螺栓沿圓周均勻限位，且每間隔3 m布置1層，錯(cuò)位布置。噴頭同樣采用雙層管，上部設(shè)置4個(gè)（分2層90毅錯(cuò)開(kāi)布置，層間距400 mm，即每層2個(gè)），底部設(shè)置1個(gè)，噴頭總高度800 mm。噴頭端部噴嘴同樣采用3孔準(zhǔn)12 mm螺旋螺栓沿圓周均勻限位，噴嘴方向呈現(xiàn)十字面，見(jiàn)圖2。準(zhǔn)12 mm的螺紋孔、噴氣及噴水的噴嘴采用車(chē)床工廠(chǎng)加工。

圖2 “氣推水”設(shè)計(jì)圖Fig.2The structure of water driving air

3.2 實(shí)施步驟

上述破除水下老黏土的沖泥器的施工方法，包括以下步驟：1）噴水管頂部連接高壓水泵，進(jìn)氣管連接空壓機(jī)，通過(guò)控制繩將沖泥器置入水中與河床接觸；2）高壓水泵和空壓機(jī)同時(shí)通電，高壓水和高壓空氣結(jié)合沖擊老黏土；轉(zhuǎn)動(dòng)控制繩，使沖泥器的沖泥面形成1個(gè)圓面；3）待沖泥面的半徑達(dá)到5 m左右時(shí)，操作控制繩使沖泥器移動(dòng)，直至沖泥器的沖泥范圍覆蓋整個(gè)水下待挖面。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 裝配式構(gòu)件精加工

裝配式構(gòu)件精加工主要包括進(jìn)氣管、水管?chē)婎^、氣管?chē)婎^及螺紋孔，加工精度需控制在依0.5 mm。鋼管壁厚不低于設(shè)計(jì)要求，確保連接位置焊縫連續(xù)焊滿(mǎn)，交叉部位采用剖口熔透焊，制作完成后進(jìn)行焊縫檢查，通過(guò)后對(duì)沖泥器進(jìn)行氣密性及水密性試驗(yàn)，確保結(jié)構(gòu)不漏水、不漏氣[6-7]。

4.2 安裝要求高

“氣推水”設(shè)計(jì)形成的沖擊力較大，因此，對(duì)整套結(jié)構(gòu)安裝要求也較高。現(xiàn)場(chǎng)需分節(jié)拼裝時(shí)，為了保證安裝準(zhǔn)確，將各構(gòu)件提前編號(hào)。安裝過(guò)程中需保證各構(gòu)件連接牢靠。

5 結(jié)語(yǔ)

廈漳同城大道西溪主橋2號(hào)主墩圍堰吸泥采用“氣推水”自制水下沖泥器施工，有效解決了高黏聚力厚層老黏土的清理難題，保證了施工工期。通過(guò)方案分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)研究，筆者對(duì)該結(jié)構(gòu)有以下幾點(diǎn)體會(huì)：

1）該沖泥器結(jié)構(gòu)作為一種新型的吸泥裝置，在以往吸泥裝置的基礎(chǔ)上，解決了老黏土破除的技術(shù)難題，同時(shí)具有安全可靠、施工便捷、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)形式尤其在老黏土地質(zhì)條件下具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

2）該沖泥器結(jié)構(gòu)在加工及安裝過(guò)程中均對(duì)精度要求較高，是施工中應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)。

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ZHAO Li-zhi.A suction pipe of underwater pump for cutter suction dredger:China,CN201220224583.2[P].2012-11-28.

[6]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB 50017—2003,Code for design of steel structures[S].

[7]GB 50205—2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S]. GB 50205—2001,Code for acceptance of construction quality of steel structures[S].

Study and application of suction device for claypan before middle period of later Pleistocene

XIAO Bo-qiang,LI Song-gen,HU Yi-xin,WAN Huo-qing
（No.6 Branch of CCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430014,China）

Based on the construction of the No.2 main pier bearing platform of Jiulong River Bridge in Xiamen-Zhangzhou cross-city highway,aiming at the problem of cleaning for claypan before middle period of later Pleistocene underwater,we introduced the new suction device structure and construction method with the flushing principle integrating the high pressure water with high pressure air,which effectively improved the effect of sediment flushing and the efficiency of suction.

claypan before middle period of later Pleistocene;suction underwater;construction

U445.3

A

2095-7874（2017）09-0050-04

10.7640/zggwjs201709010

2017-02-14

肖伯強(qiáng)（1969—），男，湖南湘潭人，高級(jí)工程師，總工程師，路橋?qū)I(yè)。E-mail：401223514@qq.com