盾構(gòu)渣土為原料的吹填工程施工技術(shù)研究

仲維華

(中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519100)

1 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城市不斷擴(kuò)容，人們對(duì)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(gòu)技術(shù)具有引領(lǐng)地位，盾構(gòu)施工過程中將產(chǎn)生大量盾構(gòu)渣土，成為廢棄材料，目前盾構(gòu)渣土主要處理方式為堆放或填埋，渣土的排放危及到環(huán)保、土地、水源等眾多領(lǐng)域，如何將盾構(gòu)渣土處置一直是一項(xiàng)難題，目前較多采取泥水分離技術(shù)處理，此技術(shù)成本高、效率低，分離后的泥土也需處置，不能達(dá)到有效末端處理效果，一直未被規(guī)?；?。

在土地開發(fā)過程中，場(chǎng)地填筑施工大量采取吹填技術(shù)。吹填材料為粉細(xì)砂、海砂等，但原料緊缺，價(jià)格昂貴，過渡開采破壞生態(tài)環(huán)境，還可能造成自然災(zāi)害，特別是海砂作為重要的海洋資源，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海砂的需求量也不斷擴(kuò)大，很多地區(qū)由于管理缺失，利用不當(dāng)造成海砂資源遭到破壞，進(jìn)而對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成不可挽回的不良影響，制約了海砂的可持續(xù)利用。

盾構(gòu)渣土二次利用有利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)。經(jīng)篩分后盾構(gòu)渣土渣樣與吹填材料對(duì)比分析，盾構(gòu)渣土篩分后完全滿足吹填材料性能指標(biāo)[1-3]。

2 工程概況

廣東省珠海市洪灣港北片區(qū)填筑及市政基礎(chǔ)設(shè)施工程位于橫琴、保稅區(qū)、洪灣片區(qū)一體化發(fā)展區(qū)域西部，位于磨刀門水道口門位置。片區(qū)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(xiàng)目實(shí)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(duì)澳供水管、電力隧道及洪鶴大橋避讓區(qū)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?？紤]流失量系數(shù)為15%，場(chǎng)地吹填高程+3.5 m，吹填材料采用粉細(xì)砂，由運(yùn)砂泥駁船運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)通過砂泵進(jìn)行吹填，吹填順序:先吹填C-3區(qū)和C-2區(qū)(東區(qū)、西區(qū)))，后吹填C-1區(qū)。圍堰和避讓區(qū)填土標(biāo)高為4.0 m。填筑情況見圖1。

圖1 場(chǎng)地填筑總平面布置

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

3 盾構(gòu)渣土檢測(cè)

在盾構(gòu)渣土運(yùn)輸船艙內(nèi)提取盾構(gòu)渣土樣品，經(jīng)檢測(cè)卵礫石渣土外觀清潔，附著泥漿較少，篩分及水洗系統(tǒng)處理后分成粗、細(xì)兩種粒徑砂，其中以粗顆粒為主，外觀清潔[4]。顆粒分析檢測(cè)結(jié)果見表1及表2。

表1 顆粒分析檢測(cè)結(jié)果一

表2 顆粒分析檢測(cè)結(jié)果二

結(jié)論:通過盾構(gòu)渣土篩分后渣樣與吹填材料對(duì)比分析，盾構(gòu)渣土篩分后滿足吹填材料性能指標(biāo)[5-6]。

4 盾構(gòu)渣土吹填施工技術(shù)

4.1 盾構(gòu)渣土運(yùn)輸

盾構(gòu)渣土采用陸上及海上運(yùn)輸兩種方式，陸上運(yùn)輸采用專用盾構(gòu)渣土車運(yùn)輸，海上運(yùn)輸采用1 000 t平板船運(yùn)輸。首先平板船靠出運(yùn)碼頭，盾構(gòu)渣土運(yùn)輸車直接運(yùn)至平板船上，船裝滿后駛離碼頭，運(yùn)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(jìn)行盾構(gòu)渣土篩分。

4.2 吹填設(shè)備研究

目前吹填船只能進(jìn)行海砂吹填，無盾構(gòu)渣土作為吹填材料設(shè)備，需進(jìn)行研究設(shè)計(jì)相關(guān)設(shè)備。為達(dá)到低成本、高效率完成施工區(qū)域吹填工作，設(shè)計(jì)出篩分沖洗+船一體化船舶(見圖2)將盾構(gòu)渣土二次利用，設(shè)備組裝如下:篩分倉(cāng)采用30 mm鋼板焊接，將設(shè)備固定在平板船上，安裝焊接兩層粗篩網(wǎng)和精篩網(wǎng)，篩分倉(cāng)周圍安裝高壓水泵及噴淋系統(tǒng)，安裝傳送帶、吹砂泵、吹砂管道，完成組裝后將盾構(gòu)渣土進(jìn)行篩分，分離出大塊料通過傳送設(shè)備集中堆積，同時(shí)通過篩網(wǎng)的渣土，直接吹填至施工區(qū)[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(gòu)渣土采用機(jī)械運(yùn)至粗篩網(wǎng)，高壓水泵噴淋系統(tǒng)開始高壓噴水，大顆粒渣土被分離下落至傳送帶運(yùn)至堆放點(diǎn)，小顆粒渣土穿過粗曬網(wǎng)、精篩網(wǎng)兩層篩分網(wǎng)后留置篩分倉(cāng)，渣土通過吹砂泵及管道吹填至施工區(qū)域。經(jīng)過篩分沖洗+船一體化船舶吹填至現(xiàn)場(chǎng)后，取現(xiàn)場(chǎng)渣料進(jìn)行檢測(cè)，滿足吹填材料設(shè)計(jì)要求。

4.3 吹填管道布置技術(shù)

吹填管道包括水上管、浮管和岸管，船舶施工時(shí)輸砂管線由圍堤外浮管、圍堤管架頭和圍區(qū)內(nèi)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(zhǎng)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(shè)

浮管的組裝方式為:每節(jié)鋼管用1對(duì)浮筒承載，鋼管間用1節(jié)鋼管+1節(jié)膠管連接，浮筒采用兩側(cè)拋錨來控制位置。

(2)陸上吹填岸管架設(shè)

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(shè)以保證填泥區(qū)質(zhì)量為目標(biāo)，滿足填泥平整度的要求。

(3)特殊段管線架設(shè)(見圖3)

圖3 特殊段管線架設(shè)

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(diǎn)是在近距離范圍內(nèi)管線由水平段上升一定標(biāo)高，翻越墻(或堰)體后又下降一定標(biāo)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(nèi)變化，針對(duì)此種特點(diǎn)，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(shí)，先將墻頂?shù)匿摴芄潭ê?，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(shí)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(shí)，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(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，汽運(yùn)至道路邊線(運(yùn)距約130 km)，再采用人工及PC120小型挖掘機(jī)搬運(yùn)，吹填支管基本布置在塘底，吹填區(qū)支管架設(shè)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(jié)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(duì)C-2吹填區(qū)域最東側(cè)、北側(cè)燃?xì)夤鼙Ｗo(hù)膜袋砂圍堰充填施工及C-1吹填區(qū)域進(jìn)行吹填施工時(shí)由于吹填管線吹填距為1.2～2.5 km，現(xiàn)有施工船舶功率已不能滿足本區(qū)域的吹填作業(yè)，需要在吹填管線的1.2 km處加設(shè)接力泵進(jìn)行吹填施工(見圖4)。接力泵基礎(chǔ)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(shù)

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

排水渠的防護(hù):現(xiàn)有排水渠的勘察→清表處理→檢查驗(yàn)收→測(cè)量放線及料源選定→對(duì)排水渠兩側(cè)分層鋪土、平整、放坡維護(hù)→壓實(shí)、修坡→吹填尾水經(jīng)過維護(hù)好的排水渠排入沉淀池。

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

根據(jù)吹填區(qū)域面積，共設(shè)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(jù)設(shè)計(jì)確定，在排水口的迎水面布置一層防滲復(fù)合土工膜，防止尾水滲漏。

排水口布設(shè):

(1)排水口的布設(shè)根據(jù)吹填區(qū)地形、幾何形狀、吹填設(shè)計(jì)標(biāo)高、排砂管的布設(shè)及排水總流量等因素確定。

(2)排水口設(shè)在有利于加長(zhǎng)水流流程、吹填材料沉淀的位置。

4.5 吹填流失量控制技術(shù)

流失量是指一定時(shí)間段內(nèi)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(guān)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(dòng)速度越大，越有利于泥砂的沉淀。同時(shí)，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(qū)，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(jìn)度吹填區(qū)水位要求逐步加高泄水口圍堰，使圍堰泄水系統(tǒng)處于可控可調(diào)節(jié)狀態(tài)。

(2)出砂口流速控制與流失量關(guān)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(shí)表現(xiàn)得更為明顯?？紤]到該情況，利用由6個(gè)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(jù)泄水口流失量結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(guān)系分析

當(dāng)流速一定時(shí)，流徑越長(zhǎng)，則泥砂沉降的過程時(shí)間越長(zhǎng)，沉降量增加，流失率降低。

根據(jù)流徑變化控制得出:吹填前期流徑與流失量相關(guān)，流徑越長(zhǎng)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(hù)了環(huán)境。

4.6 頂面標(biāo)高控制技術(shù)

吹填區(qū)吹填標(biāo)高為+3.5m，為保障吹填標(biāo)高及平整度，吹填過程中嚴(yán)格控制管頭標(biāo)高及各管頭間距，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，吹填過程中由于受潮汐影響需要根據(jù)每天的潮汐情況對(duì)管頭的標(biāo)高動(dòng)態(tài)調(diào)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(biāo)高控制桿，指導(dǎo)泥塘管線組裝，可保障吹填區(qū)標(biāo)高及平整度要求。

4.7 泥砂均勻度控制技術(shù)

由于砂的比重比水高，砂處于下層，離吹砂口越遠(yuǎn)，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(shí)管口左右靈活移動(dòng)，管口移動(dòng)間距5 m為宜，吹完一段后接管繼續(xù)吹填，吹填做到平整，嚴(yán)禁出現(xiàn)小山包現(xiàn)象。

(2)吹填現(xiàn)場(chǎng)配備一臺(tái)挖機(jī)，隨時(shí)進(jìn)行平整，把含砂量較多地方，挖至吹填離管口較遠(yuǎn)位置，保證較遠(yuǎn)位置泥砂量分布均勻(見圖6)。

圖6 挖機(jī)平整吹填泥砂

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

5 效果分析

5.1 成本分析

(1)盾構(gòu)渣土常規(guī)處理分析對(duì)比

盾構(gòu)渣土運(yùn)至泥水處理廠，10 km范圍內(nèi)運(yùn)輸費(fèi)用15元/m3，泥水處理廠費(fèi)用30元/m3，合計(jì)45元/m3；通過運(yùn)輸至一體化吹填船，陸上運(yùn)輸費(fèi)用15元/m3，挖機(jī)及鏟車打堆機(jī)械費(fèi)用3元/m3，海上運(yùn)輸費(fèi)用15元/m3，合計(jì)33元/m3。海陸運(yùn)輸至一體化吹填船比運(yùn)輸至泥水處理廠處理節(jié)省成本12元/m3，盾構(gòu)渣土用于吹填工程中經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。

(2)盾構(gòu)渣土代替吹填材料分析對(duì)比

通過盾構(gòu)渣土篩分后渣樣與吹填材料對(duì)比分析，盾構(gòu)渣土篩分后完全滿足吹填材料性能指標(biāo)。目前吹填材料主要為粉細(xì)砂、海砂等，吹填至現(xiàn)場(chǎng)基本價(jià)格80元/m3，而盾構(gòu)渣土是廢棄材料，運(yùn)至吹填船后只需篩分，無需進(jìn)行污泥處理，費(fèi)用價(jià)格相對(duì)較低，經(jīng)測(cè)算后價(jià)格40元/m3，吹填60萬m3，節(jié)省成本約2 400萬元，篩分后大顆粒也可回收利用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5.2 安全環(huán)保分析

(1)盾構(gòu)渣土安全環(huán)保分析

盾構(gòu)渣土處理不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生大量危害，如對(duì)土壤影響，大多數(shù)盾構(gòu)渣土通過堆放、掩埋，經(jīng)長(zhǎng)期風(fēng)吹日曬，盾構(gòu)渣土有害物質(zhì)滲進(jìn)土壤，造成土壤污染，降低土的質(zhì)量，大量占用土地資源；對(duì)水域影響，盾構(gòu)渣土中含有泡沫劑，未經(jīng)處理，直接進(jìn)入土場(chǎng)，一旦泡沫劑進(jìn)入水體，影響正常附近水域，對(duì)水中微生物造成不良影響；存在安全隱患，盾構(gòu)渣土因堆放未進(jìn)行有效管理，堆積過高，易造成滑坡等問題，危機(jī)人身安全及財(cái)產(chǎn)損失。

(2)場(chǎng)地吹填材料安全環(huán)保分析

場(chǎng)地吹填材料為粉細(xì)砂、海砂等，過渡開采會(huì)造成大量危害，破壞海洋生態(tài)資源，海砂是海洋主要要素，很多地區(qū)由于管理不善，過度開采造成海床塌陷、海床和海洋生態(tài)資源平衡嚴(yán)重破壞；海岸沙灘破壞，很多企業(yè)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(qū)域海砂量急劇下降，海岸沙灘沙縮小，致使海浪對(duì)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(shè)施安全；大多數(shù)采砂船船舶安全條件差、設(shè)備簡(jiǎn)陋、抗風(fēng)能力差，容易在惡劣天氣發(fā)生安全事故。

5.3 吹填質(zhì)量效果分析

通過采用盾構(gòu)渣土吹填施工技術(shù)，完成整個(gè)場(chǎng)區(qū)吹填工作，通過現(xiàn)場(chǎng)各方鑒證取樣送檢，檢驗(yàn)送檢樣品泥砂含量及粒徑符合設(shè)計(jì)要求，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量泥砂標(biāo)高，標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)要求，通過各方驗(yàn)收吹填質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，可進(jìn)行下一步工序施工(見圖7)。

圖7 吹填完成后效果圖

6 結(jié)束語

本文以篩分盾構(gòu)渣土替代粉細(xì)砂或海砂為吹填材料，研究設(shè)計(jì)了篩分沖洗+船一體化船舶，通過工程實(shí)例，總結(jié)了吹填施工技術(shù)，低成本、高效率完成施工區(qū)域吹填工作并得出以下結(jié)論:

(1)有效解決了盾構(gòu)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(jià)格昂貴，資源緊缺，采用盾構(gòu)渣土，通過篩分沖洗+船一體化船舶直接吹填至現(xiàn)場(chǎng)，成本價(jià)格更低，效益更好。

(3)國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)渣土再利用，都需要處理渣土污泥，對(duì)環(huán)保要求較高，但場(chǎng)地吹填砂，對(duì)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(jìn)水直接采用船域水噴淋，噴淋完海水不需要進(jìn)行污水處理，直接吹填至施工區(qū)，既環(huán)保又高效，為解決盾構(gòu)渣土提供了較好的指導(dǎo)性意見。