大范围深厚低液限淤泥快速开挖技术

成 奇， 陈 洪 波， 唐 洪 应， 李 亮

(中国水利水电第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

1 概 述

亚曼苏水电站位于新疆阿克苏地区乌什县亚曼苏乡境内，电站厂房距乌什县县城22 km，距阿克苏市约130 km。电站为径流式电站，采用引水式开发。厂内安装3台、单机容量为70 MW和1台、单机容量为34 MW的水轮发电机组，总装机容量为244 MW。

尾水渠沿厂房轴线向下游侧布置，尾水渠总长度约3 764.51 m，桩号为尾0+000.00～尾3+764.51 m，进口底高程为1 494.53 m，出口高程为1 490.77 m，渠底总坡降为1/1 000，渠道底宽为3 m，设计过水断面边坡坡比为1∶2，设计过水断面高度为5 m。地下水位以下边坡坡比为1∶1.75，地下水位以上坡比为1∶1.5。

尾水渠最大开挖深度约54 m，其地层为出露具二元结构的上更新统冲洪积(Q32al+pl)低液限粘土层及上更新统冲洪积(Q31al+pl)砂卵砾石层。由于地下水位线较高，导致部分低液限粘土层呈饱和状态，土质呈流塑状的淤泥，湿陷性强烈，既不宜作为渠基持力层，也无法直接运用常规开挖设备，且其保水性好，泌水缓慢，短期排水效果不佳。该项目淤泥覆盖尾水渠的长度达3 km，最大宽度达120 m，最大深度达13 m，淤泥总量约80万m3，范围大，淤泥深厚，施工难度相当大。

2 施工方法的对比分析及选择

2.1 针对常规淤泥采用的开挖方法

在淤泥不具备承载力的情况下，常规施工设备无法深入，此时，应在开挖范围周边尽量设置排水沟和集水坑对周边淤泥进行排水。但对于亚曼苏水电站尾水渠这种大范围的淤泥开挖却无能为力，只能采取自周边向中间逐步蚕食的方法进行开挖，或者采用填筑大量的砂砾石料以形成临时施工道路到达其中部，但由于淤泥承载力极低且具有流动性，其填筑工程量将达到开挖量的2～3倍以上，施工效率却并不高。

在大范围淤泥开挖中，为了保证开挖运输期间道路不扩散变形、车辆不易沉陷、提高运输开挖效率，道路填筑一次必须填筑到位，否则，为节约填筑料所致的厚度不够造成车辆跑不了几趟就报废，前功尽弃，二次返工费工费时，损失更大。施工过程中需及时维护，发现弹簧土要彻底根治，切忌临时推平或再铺一层而造成道路越毁越严重、影响开挖进度。填筑道路的砂砾石运输成本高，拆除时还需二次外运。实践证明：用于大范围淤泥开挖的砂砾石道路厚度应不小于2～3 m；填筑厚度低于2 m时，地下水很容易将砂砾石道路浸泡，车辆容易陷车，易发生安全事故；填筑道路的砂砾料二次周转不可行——使用后反复碾压、与泥混合，拆除后不能再利用。

2.2 钢板铺筑道路施工法

采用 1.5 cm 厚、1 m×2 m的钢板铺筑道路进行试验，其结果为：钢板道路整体性差，搬运困难，斜坡上汽车打滑且其容易疲劳变形，钢板棱角容易损坏轮胎。

2.3 水陆两用湿地挖掘机实施“网格化”明沟排水、铺筑“鱼刺型”道路施工法

技术人员在亚曼苏水电站尾水渠开挖过程中不断总结经验，通过不断试验与论证，采用现场组装一台水陆两用湿地挖掘机直接用于在淤泥层上开挖“网格化”明沟集水引排至分段设置的集水坑、再通过抽排水设备将水排至基坑以外的方法进行施工。在淤泥逐渐失水、流动性逐渐降低、土体具备一定的承载能力后，运输砂砾石料填筑“鱼刺型”道路，使开挖运输设备能够到达作业面的每一个角落进行开挖。通过一系列现场试验与改进，结合对分段分层的调整和控制，最终取得了各段轮换交替进行各工序施工、快速、高效、安全地施工效果。

通过对比分析，结合项目现场实际施工情况，最终在施工过程中选择了水陆两用湿地挖掘机实施“网格化”明沟排水、铺筑“鱼刺型”道路施工法。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

大范围深厚淤泥的开挖采用湿地挖掘机依照分段依次开挖排水沟→晾晒→铺筑施工道路→开挖运输的顺序进行施工，各段间轮换进行流水作业。

3.2 操作要点

3.2.1 水陆两用湿地挖掘机的组装和应用

水陆两用湿地挖掘机是一种适用于陆地、沼泽地、淤泥及浅水工作的多用途工程机械，仰仗其底盘浮箱的强劲浮力和较低的接地比压，可以在湿陷性强烈、承载力较低的施工场地进行作业。对于水利水电工程遇到的大范围深厚淤泥需要按照水工设计要求开挖成型，在其它施工机械无法进入的条件下，湿地挖掘机是一个很好的选择。

根据地勘资料，上更新统冲洪积(Q32al+pl)低液限粘土的地基承载力为0.1～0.15 MPa，遇水泥化呈流塑状后其承载力更低，加之传统挖掘机履带无排泥功能，在深厚淤泥条件下根本无法行走和停驻，而宽度上百米的大范围淤泥亦使任何施工机械鞭长莫及。

湿地挖掘机由1台现代225长臂挖掘机改装而成，该机工作重量约22 t，加上浮箱重量14.5 t，按照在淤泥状态下行走及工作，单个浮箱尺寸选用7 700 mm×1 500 mm×1 500 mm，最大吃水深度为1 m，则其接地比压仅为15.8 kPa；加上浮箱封闭，可产生35 t以上的浮力，完全能够满足承载力要求。

将长臂挖掘机原有行走装置改装为浮箱后，其仍具有陆地行走能力，同时可以在淤泥作业面上自由行走，通过系统规划排水、开挖等工序调配，利用湿地挖掘机可以实现大面积淤泥开挖的快速施工。

3.2.2 “网格状”明沟排水

采用网格状明沟排水考虑的是淤泥土质较细、孔隙率低、泌水缓慢，依靠自然排水效率极低。通过亚曼苏水电站尾水渠作业面现场实测数据可知：在淤泥层表面无积水的情况下依靠自然泌水挥发，在月总降雨量小于10 mm、水面蒸发量达220 mm的气候状态下，淤泥含水率降至30%以下、1 m深度范围内的淤泥状态从流塑状变为软塑状～可塑状的时间需要25 d以上。显然，这样的速度根本无法满足施工要求。

“网格状”明沟排水是利用湿地挖掘机在大面积淤泥层上开挖出1～2条主排水沟，断面尺寸为底宽1.5 m、顶宽4 m、深3 m；另外，在全作业面开挖网格状次排水沟，断面尺寸为底宽1.5 m、顶宽3 m、深1.5～3 m，间距15～20 m，并与主排水沟相连，将整个作业面的淤泥泌水通道打通连接、将水引排至邻近的集水坑，再通过抽排水设备抽排至基坑以外。

网格状排水沟的整体布局需考虑到后期施工通道的布设，其应交错布置、互不影响，同时应根据集水坑的位置综合考虑排水走向，确保集水坑均衡排水。

在开挖排水沟的过程中，由于淤泥体具有流动性，局部会出现壅塞、坍塌等情况。为避免多次开挖，可针对该部位采用回填反滤料的方法保持整体排水通道的通畅。

“网格状”明沟排水可以缩短大面积淤泥的泌水通道，尽快形成明沟排水，降低地下水位，使土体尽早失水，从而减小其流动性、增加承载力，为后续的开挖施工和边坡稳定创造条件。通过亚曼苏水电站尾水渠现场试验得知：同等条件下达到上述排水效果仅需要8～12 d。

3.2.3 “鱼刺状”施工道路

通过上述明沟排水和短时间晾晒后，淤泥已经逐渐失水成淤泥质土，其流动性和承载力逐步向着具备开挖运输设备能够在其上面作业的条件变化。但是，在深厚淤泥条件下，若要完全靠明沟排水完成达到直接施工的条件却不现实。开挖运输设备尤其是自卸汽车对地基承载力的要求较高，对于湿陷性强烈的低液限土基础不经处理几乎无法达到其施工条件，加之降雨天气的影响，必须对路基采取人工干预的方法快速形成施工通道，方能具备施工条件。

在大范围淤泥开挖过程中，挖运设备需要顾及作业面的各个角落。根据常用挖掘设备特性，按最大开挖深度3 m、最大挖掘半径6～8 m计算，开挖道路采用鱼刺状布置，主道路路宽不小于9 m，主道路每隔10～15 m设置一条支路，整体布置呈鱼刺形，与主路连接、遍及作业面的各个角落。

道路就地取材采用砂卵砾石填筑，根据淤泥失水与承载力情况确定填筑厚度。根据亚曼苏水电站尾水渠开挖试验结果，按淤泥失水后承载力达到0.1 MPa以上的条件，道路填筑厚度一般不小于70 cm，支路路宽不小于6 m；若遇到淤泥层设备容易沉陷时，将在淤泥表面直接填筑厚度不小于1.5 m的砂砾石。

整体工程开挖采用分段依次开挖排水沟→晾晒→铺筑施工道路→开挖运输的顺序进行施工，各段间轮换进行流水作业，可以实现资源和施工进度的最优效果。

4 经济效益

亚曼苏水电站尾水渠于2017年4月开始进行淤泥开挖试验及湿地挖掘机的组装，期间克服了雨季对开挖作业的影响等困难，于2017年8月完成了淤泥开挖，历时4个月完成了总量80万m3的淤泥开挖，每月平均开挖方量为20万m3，且开挖过程中安全、质量可控。

该施工方法相比于常规直接填筑道路、再分层进行开挖的淤泥开挖方法的对比情况如下：

(1)直接成本对比。

①湿地挖掘机+“网格状”排水沟+“鱼刺状”施工道路方法施工成本分析。

该方案投入湿地挖掘机1台，设备购买、改装拆除费用共约20万元；

湿地挖掘机投入“网格状”排水沟挖设共耗时4个月、120个台班，费用按15万元计；

鱼刺状施工道路共填筑约25万m3，费用估算为350万元；

抽排水费用，按每月20万元计，共计80万元；

淤泥开挖费用。由于淤泥经过处理后变为软塑状～可塑状，挖运难度降低，80万m3淤泥开挖费用共计1 000万元。

综上所述，采用该方法施工的直接成本为1 465万元。

②常规直接填筑道路、再分层进行开挖的淤泥开挖方法施工成本分析。

在淤泥区直接进行道路填筑，其厚度需达到1.5 m以上才能满足施工机械要求，道路宽度需保证在8 m以上(填筑道路靠近其边缘时承载力骤降，无法承载机械)，其填筑总量预计达到40万m3，费用估算为560万元。

采用该方法填筑其厚度增加，相应的有效开挖效率降低30%以上，同时流塑态的淤泥运输、卸车的效率均有所降低，对开挖效率的影响降低达20%以上，施工工期预计会延长1倍以上。按8个月时间完成施工计算，抽排水费用将达到160万元，淤泥开挖单价也会增加1倍以上，则80万m3淤泥开挖费用将达2 000万元。

综上所述，采用该方法施工支接成本为2 720万元。

(2)总计节约费用。

通过上述直接成本计算，亚曼苏水电站尾水渠淤泥开挖采用湿地挖掘机+“网格状”排水沟+“鱼刺状”施工道路方法施工，累计节约成本约：2 720万元-1 465万元=1 255万元。

5 施工效果及应用前景

亚曼苏水电站尾水渠于2017年4月开始进行淤泥开挖试验及湿地挖掘机的组装，期间克服了雨季对开挖作业的影响等困难，于2017年8月完成淤泥开挖，历时4个月完成总量80万m3的淤泥开挖，每月平均开挖方量为20万m3，且开挖过程中安全、质量可控。

引进水陆两用湿地挖掘机不仅可以尽早地使淤泥全范围形成系统的“网格状”排水通道，争取了必要的淤泥失水时间，而且可以保护边坡，避免因渗水出现管涌、滑坡等地质问题；“鱼刺状”开挖道路可以节省道路修整成本，从而取得快速、高效、安全的施工效果。经验总结与实践证明：在大范围深厚淤泥开挖施工中采用水陆两用湿地挖掘机进行“网格状”排水明沟开挖、填筑“鱼刺状”道路经济可行，该施工方法施工效率高、安全可靠，在今后的类似条件工程施工中值得推广。