臨水域軟土地區(qū)超大深基坑的分區(qū)水沖開挖技術初步研究

張 弛 ，龍莉波 ，柴瑋琳 ，國文智，張 松

（1.上海建工二建集團，上海市 200080；2.上海建工集團，上海市 200080）

0 引言

在不停航（飛機）機場建設的新要求下，超大基坑的傳統(tǒng)機械開挖勢必需要大量土方車輛的進出，存在破壞新修道路和管線的重大隱患。長距離皮帶運輸過程中，常發(fā)生機械故障，極可能達不到基坑支撐施工所需的每層出土量的要求。本文旨在探討通過分區(qū)水沖開挖的方式，解決開挖超大基坑時大量土方的出土問題，以及大量土方車運土時帶來的對周邊道路破壞的問題。

1 工程概況

浦東機場T3 航站樓位于原T1、T2 航站樓和衛(wèi)星廳南側，南至圍場河，見圖1。該基坑開挖體量巨大，并且下雨會淋濕基坑，使得土方潮濕，增大了基坑開挖難度?；靥顓^(qū)域的土地平整難度高，且傳統(tǒng)的土方開挖與運輸方法會導致道路被大型車輛壓壞。

圖1 浦東機場T3 航站樓平面圖

2 地質條件

場地受兩條古河道切割，最大切割深度達65 m。浦東機場T3 航站樓和交通中心主要受南側古河道影響，古河道切割區(qū)域對圍護結構受力和變形控制，以及主體結構沉降控制不利。本工程普遍區(qū)域在30 m 以下分布有深厚的第⑦層粉性土、砂土，為承壓含水層，局部受古河道切割的第⑦層層頂起伏大。按承壓水水頭埋深為3 m 進行估算，承壓水穩(wěn)定臨界開挖深度約12.7 m?；用娣e巨大，且大部分區(qū)域不滿足承壓水穩(wěn)定要求，需要進行大范圍和長時間降壓。場地內第⑧層土缺失，下部第⑦、⑨層承壓含水層連通，帷幕難以隔斷，見圖2。

圖2 浦東機場地質土層情況

3 施工工藝

3.1 原理

通過高壓泵水流產(chǎn)生壓力，使用水槍采用高速水柱將土體切割、粉碎后土體將會發(fā)生濕化、崩解現(xiàn)象，使泥漿和泥塊混合，當足夠均勻后，采用泥漿泵及其輸泥管將其吸送至回填區(qū)的泥庫[1]。噴槍沖水壓力一般達到0.6 MPa 以上，沖擊水力與開挖面呈30°～60°沖向土體，與泥漿泵位置呈扇形，集中抽取，外排。沖挖至基底標高，可以用打入式鋼管，縱橫向拉線來測量控制。要控制被沖擊土體的高差，一般不宜大于兩米，施工人員要與潛在的塌落土體保持一定的安全距離[2]。

3.2 流程

首先，做好施工準備（包括技術準備、施工設備準備，和人員配備等）；第二步，引水蓄水（引可用的水源，通過管線送至現(xiàn)場沖土點）；第三步，采用高壓泵沖泥（高壓泵稀釋采泥點砂漿，使泥漿水含土率控制在20%～25%）；第四步，泥漿泵、接力泵輸送（泥漿泵采稀釋后的砂土，由管線輸送至儲砂池）；最后，泥庫排泥、沉淀排水，實現(xiàn)水、土的再次利用，滿足線路末端泥庫的循環(huán)供水，以及圍區(qū)造土的需要，以及相應的環(huán)保要求[3]。

3.3 工藝特點

與傳統(tǒng)的挖機或抓斗配合運輸車輛或傳送帶的挖土與運土方式比，水沖法的土方開挖與運送方法有這樣一些特點：

成本低：水沖法引用周邊的河水、降水，和析水可重復利用；靜置后的泥土可用作回填土；施工設備簡單，有效降低成本；

工期短：與傳統(tǒng)的機械開挖相比較，水沖法在保證工程質量的前提下，大大縮短了工期，且不受雨天影響施工（特大暴雨除外），有較好的經(jīng)濟效益；

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備；水資源可實現(xiàn)循環(huán)利用；與機械開挖相比，改善了勞動作業(yè)條件，不受交通道路影響；符合可持續(xù)發(fā)展以及建設節(jié)約型社會的方針需要，具有良好的社會效益。

3.4 方案

水力沖洗法挖土，每層土遵循“從中央到四周”的盆式開挖順序原則，分區(qū)跳倉開挖、充分利用水沖法開挖與運送泥漿，以期達到減少基坑最大開挖深度的暴露時間，以及防止基坑側壁發(fā)生過大變形。首層土采用常規(guī)機械開挖方式施工，上層砂質土區(qū)域（-2～-8.8 m）直接采用水力沖洗法挖土，下層粘土區(qū)域（-8.8～-29.5 m）采用挖機松土結合水力沖洗法挖土，見圖3。

圖3 水力沖洗法挖土

本工程中，基坑開挖處與回填區(qū)泥庫距離較遠。根據(jù)建設用地的實際情況，以及場地外的用地情況。泥漿輸送管道路線初步形成三個備選方案（見圖4）。

圖4 泥漿輸送管道路線

方案一：路線總長8 km，其中0.9 km 位于自貿區(qū)內，需與自貿區(qū)單位協(xié)商。每套吹砂設備管道需設置3 臺柴油接力泵，24 套吹砂設備管道需設置72 臺柴油接力泵（管線無電源考慮）；

方案二：路線總長8 km，其中1.1 km 侵入機場圍界，需與機場單位協(xié)商，退圍界。每套吹砂設備管道需設置3 臺柴油接力泵，24 套吹砂設備管道需設置72 臺柴油接力泵（管線無電源考慮）；

方案三：路線總長17.6 km。每套吹砂設備管道需設置10 臺柴油接力泵，24 套吹砂設備管道需設置240 臺柴油接力泵（管線無電源考慮）。

水沖法的中端管線在排布時，要兼顧經(jīng)濟性，安全性，以及效率。路線的選擇需要在可利用的場地內，同時盡量保證節(jié)約管材。在無法保證接力泵電纜供電時，采用柴油發(fā)電機供電。水沖法運輸初步形成兩個備選方案：

方案一配置：依據(jù)每天約輸送4 萬m3左右/d產(chǎn)量要求，本工程擬采取鋪設13 條管路，其中每條管路配置如下：一根直徑400 mm 的PE 管，1 臺泥漿泵（350 kW），配備7 臺清水泵（50 kW），以及4 臺泥漿泵（350 kW 電動增壓泵），一套設備一天24 h 能出3 000 m3砂性土，需水量10 000 m3；350 kW 電動泥漿泵開挖超過15 m 時，揚程和動力不足，因此擬考慮在基坑深處須采取350 kW 泥漿泵，半程接力輸送至地面處約500 m 處的位置。再設置4 臺350 kW 增壓泵輸送至8 km 外的棄土場地；

方案二配置：每條管路采用一根直徑450 mm 的PE 管，1 臺泥漿泵（450 kW），配備3 臺清水泵（75 kW），以及4 臺泥漿泵（620 馬力柴油動力增壓泵或450 kW 電動增壓泵），一套設備一天24h 能出土6 000～8 000 m3砂性土；設計選用4 臺450 PNS-50 增壓泵接力輸送，第一臺泵輸送至基坑頂部約200 m 后，剩余三臺泵平均接力進行輸送至約8 km 外的棄土場地。其中基坑內的排泥漿的泵采用電動方式，基坑以上4 臺增壓泵擬采用柴油泵（考慮線路較長，接電不方便的情況下采用柴油泵）。

針對不同的開挖寬度與深度，需要匹配不同功率的泵。比如，較小功率的泵在開挖較大深度時候，所匹配的揚程和功率難以泵送泥漿到開挖的坑外。此外，泥漿泵與接力泵之間的功率也需要很好的匹配與協(xié)同工作。例如450 PNS-50 泵（性能參數(shù)：流量為2 200 方/ 小時；揚程為50 米；轉速為730 轉）配套620 馬力（濰柴6170 型）柴油機；配套400 型（速比2∶1）齒輪箱；出口配套450 PE 管道。350 kW 泥漿泵工況布置見圖5。

圖5 350 kW 泥漿泵工況布置圖

3.5 設備及人員

浦東T3 項目現(xiàn)場實際布置基坑分坑較多，計劃1 萬m2以下基坑采用1 套吹砂設備和1 臺泥漿泵；而1 萬m2以上基坑則配備2 套吹砂設備，和2 臺泥漿泵。

以單個1 萬m2以下基坑的配置為例，一套設備出土量：800～850 m3/h，設備人員配置見表1（管道路線總長8 km，人員三班制）。現(xiàn)場用電量總計18 288 kW/h，用水量總計20 400 m3/h。

表1 設備與人員配置

4 效益分析

超大深基坑開挖中，水沖法的出土需要考慮基坑的分區(qū)情況與順、逆作的施工工藝。相比于人工挖土、機械挖土效率更高，更經(jīng)濟[4]。

水力沖挖法：報價（不含稅金）包含：土方?jīng)_挖費、泥漿運輸（接力泵及管線）費、供水費、泥庫費、管理費、利潤、、人工費、機械費（含挖機）、電費、柴油費、抽水費，和蓄水費。

衛(wèi)星廳土方分包單價約為33 元/m3。航站樓T3基坑超深，運距也遠，土方產(chǎn)生的費用增加。

4.1 成本對比

水力沖挖與機械挖土經(jīng)濟性對比見表2。

表2 水力沖挖與機械挖土經(jīng)濟性對比

4.2 工期對比

以面積為25 000 m2的基坑為例，一層土按4 m挖深考慮，機械挖土效率為5 000 m3/d，使用2 套吹砂設備采用水力沖洗結合機械挖機，松土效率為8 000 m3/d。采用“從中央到四周”的盆式順序開挖（挖深越深，機械挖土效率越低；黏土區(qū)域2 套吹砂設備效率也降低為6 000～7 000 m3/d），見圖6、圖7。

圖6 機械開挖一層土與支撐工期圖

圖7 水力開挖一層土與支撐工期圖

再以基坑A 為例，將基坑按照支撐布置，跳倉法施工（最后一塊與第二批搭接施工）。第一層土按4 m挖深考慮，其中3.5 m 采用2 套吹砂設備水沖法開挖，然后采用輕水井點降水，待降水完成，土體表面疏干后，機械開挖剩余的0.5 m 土層，再做混凝土支撐，見圖8。

圖8 基坑A 水沖法施工分塊圖

機械開挖需要40 d 工期；經(jīng)過計算，分區(qū)水沖法施工需要32 d 工期，可節(jié)約了8 d 工期。

5 施工問題

5.1 管道過多

使用水力沖洗法挖土，每一階段需使用吹砂設備過多，而每套設備需對應一根水管、一根泥漿管，造成場內管道過多，影響施工車輛進出。應設置抽水泵站，統(tǒng)一供應到每個基坑內水箱，水力沖洗高壓泵從水箱抽水；場外應設置泥漿池，各基坑分管輸送至場內總管，經(jīng)總管流進泥漿池。最后由泥漿池統(tǒng)一泵送至回填區(qū)泥庫。

5.2 黏土水沖效率

按照地質報告，地下4 層至5 層土為淤泥質黏土層、黏土層（-8.8～-29.5 m），其余為砂質土層。黏土占深基坑開挖土方量的60%。水力沖挖法目前多數(shù)用于砂性土。按經(jīng)驗分析，水力沖挖法用于淤泥質黏土和黏土時效率降低?？刹捎猛跈C松土，配合水沖，每套設備效率能從2 500 m3/d 提高到3 000～3 500 m3/d。淤泥質黏土和黏土可能水沖困難，需要進一步處理（例如經(jīng)過儲漿池攪拌處理）。坡度應合理，局部地基或需加固[5]。

5.3 接頭爆管

泥漿傳送時，若接力泵壓力調配不當，會導致管道接頭爆管。在重要區(qū)域關鍵部位，管材應采用鋼管或塑料熱熔管（接口燙接）處理；調配經(jīng)驗豐富的技術人員，對接力泵調校和日常管理；調配經(jīng)驗豐富的巡線人員管理管線，加強日常維護，確保管線安全可靠運行。

6 結語

臨水域軟土地區(qū)超大深基坑開挖，采用水沖法配合傳統(tǒng)的機械開挖是一種有效的施工方法。在合理排布設備和人員安排下，開挖工效顯著提升，且開挖成本大幅降低。同時，水沖法為機場的不停航創(chuàng)造了施工條件，避免了大量土方車的進出場，減少了對臨建道路、棧橋、以及大量管線造成破壞的隱患；減少了對環(huán)境的污染。水沖法具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，值得推廣。