基坑土方水力冲挖与弃土输运利用整体方案及其应用

徐玉桂，张 军，王志华，申志福*

（1.南京江北新区中心区发展有限公司，江苏 南京211899；2.南京工业大学 交通运输工程学院，江苏 南京211816）

引言

随着立体城市开发理念的深入实践，高层建筑地上室、综合管廊、地上商场、地上交通枢纽等地上空间开发工程在全国各大、中型城市快速推进。部分城市在区位优势明显的区域规划了大规模、集中连片地上空间开发，如南京江北新区核心区、广州万博商务区等。地上空间集中开发周期短，土方量大，这必然引起短期内巨量土方的消纳难题。传统机械土方开挖方式效率低、工期长、土方运输难，地上空间开发造价极高；弃土一直以来采用卡车运输，形成了庞大的重型渣土车队伍，对市政道路、交通安全构成极大隐患，并造成城市环境污染等一系列问题。过去，工程弃土一般采用集中堆填处理；而目前，有限的弃土受纳空间与不断增长的弃土产量间形成了强烈矛盾，弃土受纳堆放成为城市建设难题。“倾倒难”导致“乱倾倒”，伴随着大量“非法受纳场”而来的是耕地、林地、河流被破坏、被污染，形成了“弃土围城”的局面。无序堆纳甚至可引发如滑坡等重大灾难。

因此，革新地上空间集中开发中的土方工程技术成为降低工程成本、提高开发效率的关键。本文介绍一套适用于集中连片地上空间开发中的基坑土方工程新技术，包括土方水力冲挖、弃土高效运输、弃土资源化利用三个紧密衔接的部分。首先介绍该套技术的原理和关键技术，随后介绍其在工程实践中的应用。

1 基坑土方水力冲挖技术

1.1 基本原理

水力冲挖是利用水泵产生高压水流并由水枪射流将土方在原位切削、破碎、混合形成泥浆，并由泥浆泵吸排至地表泥浆池的土方开挖方法[1]。水力冲挖工艺设备由水泵、高压水枪、切削头、泥浆泵、软管、泥石分离制浆机等组成。当土质较软、含水量高时，可直接采用高压水枪切削、破碎、混合土体，由泥浆泵吸排。当土质较硬时，可配合切削头一边绞碎土体、一边加水混合搅拌制浆，也可由挖掘机配合翻挖，再利用高压水枪将土块切削、破碎、混合，然后由泥浆泵吸排。

此外，一般表层多为素填土或杂填土，含较多不同粒径混凝土块、碎砖块、块石等；部分较深地层中可能含较大卵、砾石甚至更大的孤石。这类土层不适宜直接使用水力冲挖法，但可采用水力切削松动土体并（或）由挖掘机挖土，通过泥石分离设备进行制浆，分离出的固体物可作为场内道路、内支撑、底板垫层，也可运输至破碎厂破碎后作为道路水稳层、混凝土骨料等。基坑内水泥土加固区土方宜采用挖掘机送入泥石分离制浆机进行绞碎、制成泥浆。

水力冲挖技术流程如图1所示。由技术原理可知，该方法适用于饱和砂土、饱和黏土为主的场地中有支护基坑的土方开挖。不适用于湿陷性黄土、盐渍土、膨胀土、遇水软化岩、地上水位较深场地的基坑工程。

图1 水力冲挖技术流程图

1.2 技术要点

施工前，应对各层土的可冲挖性质进行详细分析。当现场地质条件极为复杂、土质坚硬时，应进行试冲挖，并对试挖条件和参数做好监测和记录，对试挖的效能和设备的性能作出评价。

当冲挖拌和泥浆性状较好时，采用泥浆泵将泥浆抽取至泥浆池；当泥浆较稀不利于泥浆泵工作时，宜用渣浆泵进行抽取作业。

水力冲挖也应按照分层、分段、分块、对称、均衡、限时的方法，确定冲挖顺序；应采取可靠测量措施控制冲挖深度，每层支撑底标高以上30-50cm厚土层预留不冲挖，该土层用人工和挖掘机配合开挖，确保不发生超挖土方、少扰动坑底土体。开挖过程中的临时边坡坡度按计算确定并考虑动水冲刷坡表效应。冲挖好的土体需采取土工布覆盖等形式确保开挖面不坍塌、不滑坡。

水力冲挖与疏干降水宜穿插作业。水冲法施工过程中坑内土体无需进行疏干降水，当冲挖至支撑梁底或结构底板底以上0.5m时再进行疏干降水，降至结构底标高以上1m。水力冲挖过程中应注意保护基坑内降水井；冲挖过程中每半天启动一次排水泵持续20分钟，防止降水井因泥浆进入而发生淤积。高压水枪冲挖至降水井周边1m范围内即停止，管井外围土体留作机械或人工整修时开挖，防止泥浆倒灌影响管井降税效率，预防死井。降水井及井点降水抽出的水可汇集到蓄水池后采用高压水泵供给高压水枪冲挖土方，物尽其用。

在水力冲挖具备一定作业面后，应采用挖掘机及时破除支撑梁垫层混凝土，防止重物坠落。挖掘机在基坑内破除支撑梁垫层时，由于基坑内表层土基本处于饱和状态，挖掘机极易发生沉陷事故，必要时须铺设钢板。

水力冲挖过程中应着重关注是否发生流砂、涌土或坑底隆起失稳；一旦发生，应立即停止基坑挖土，进行堆料反压。土方冲挖过程本身为带水作业，冲挖土方时可将地上连续墙或围护桩冲刷干净，有利于观察墙体是否有渗水、裂缝、变形等现象。

1.3 与传统的机械土方开挖对比

与传统的挖掘机开挖、倒土相比，水力冲挖开挖土方速度快、效率高，且降低扬尘及减少噪音优势明显，两者详细对比如表1所示。

表1 机械开挖与水力冲挖对比

2 弃土高效运输

传统的土方工程在施工现场装运卡车，利用卡车陆运方式运输至指定的渣土堆填场地。众所周知，传统的土方运输方式可能引起道路损坏、环境污染、交通拥堵及事故、监管困难以及堆填事故等诸多问题。

相比较于弃土的传统处置方式，水力冲挖形成的泥水混合物采用密闭管道运输则不存在以上问题。如图2所示，弃土管道运输的基本原理是将土方开挖作业面冲挖出的泥浆和通过泥石分离制浆机制作的泥浆，通过输泥软管输送至加压站前的集浆池，泥浆集中后由加压泵通过输泥主管道输送至临时堆放区供资源化利用，或直接运送至吹填区进行生态堆填。在临近航道区域，可将管道运输与船运相结合，实现更大范围弃土的经济运输，便于后期资源化利用。与卡车运输相比，管道运输在技术、成本、环境等方面有显著优势，二者详细对比见表2。

表2 卡车运输与管道运输的效益比较

3 弃土资源化利用

3.1 弃土利用现状

传统的弃土利用路径包括吹填造地，矿坑生态修复，路堤回填，低洼地改造等，相当于将弃土作为岩土工程回填材料[2-3]。沿海、沿江等经济发达地区地上空间开挖产生的弃土、水力冲挖的弃土含水量高、流动性强，虽可进行一定的泥水分离处理，但含水量仍很高，很难采用传统的利用方式消纳，也难以直接参与区域土方平衡。因此，目前对弃土的利用比例很低，利用水平不高，资源化产品开发深度不够。本节介绍弃土资源化利用的主要途径，如图3所示。

图2 弃土运输路径示意图

3.2 弃土固化

将高含水量弃土与固化剂混合可形成强度明显提高的优质回填土。固化剂以水泥为主要成分，外加剂可包括粉煤灰、矿渣、水玻璃、石膏、生石灰、硅粉等固废材料。将弃土与固化剂和EPS颗粒（聚苯乙烯泡沫，一种轻质固体废弃物）混合，可形成轻质高强的EPS回填土，其强度和变形特性具有可控性，可以根据工程需要选择合适的配比以满足不同力学特性要求[4-5]。这些优质回填土可作为路堤、地上结构回填材料等。

3.3 轻质陶粒生产

发泡烧结陶粒是通过高温烧结弃土与外加剂混合物形成轻质粒状材料。陶粒在回转窑中经800-1050℃高温烧结过程中，部分成分转换为气体迫使颗粒膨胀，形成蜂窝状的气孔结构，外表面熔化烧结形成较坚硬的外壳，最终形成一种疏松多孔的轻质颗粒。陶粒具有核-壳结构，陶粒轻质性源自核心颗粒的多孔结构，高强性由外壳与内核材料强度共同控制。烧结陶粒过程耗能较高。为此，已有学者开展免烧轻质陶粒制备研究，其核心是以免烧方式形成多孔内核以及核-壳结构组合[6-7]。

3.4 轻质陶粒应用

自1960年来，轻质陶粒在美国就已被广泛用作土工回填材料[8]。试验表明，陶粒土（由陶粒构成的粗粒土）的内摩擦角大于35°，表观粘聚力约为10kPa[9]，陶粒土与土工格栅的界面摩擦角高达48°[10]。陶粒土密度低，内摩擦角高，透水性好。陶粒土作为回填材料可减小甚至消除附加应力、减少墙背土压力，在软土路堤、挡墙结构、边坡工程等工程实践中都有极大应用潜力，是一种优质土工回填料[11]。

图3 弃土资源化利用示意图

以陶粒为起点可进一步开发一系列绿色生态建材产品。如海绵城市建设中的路面透水砖，以免烧轻质陶粒作为路面砖骨料，使得路面砖需具有良好的透水性和力学性能，可减少竖向荷载，提高保水性，充分发挥湿热调节功能。这种轻质透水砖可用于一般人行道、行车路、停车场、广场、喷水池、庭院地板、公园人行走道等。陶粒也可作为轻质混凝土骨料，作为屋顶隔热板、轻质内外墙、隔音屏等。

4 应用案例

南京湖南路某深基坑位于城中闹市区，开挖面积约3万m3，开挖深度约23m，土方约60万m3，传统机械开挖实施效率极低。场地主要为淤泥质土、粉土、粉质黏土，地上水位在地表上2-3m，选用水力冲挖。项目配置2套水力冲挖设备，每套设备每小时可出土约500m3，项目实施不受天气影响、环保限制及重大社会活动约束，可24小时不间断作业，每天可出土约20000m3。泥浆输送三泵双管的组合模式，管道采用直径355mm的PE硅胶管，根据基坑开挖进度要求开启单管或者双管输泥，运行时两道输泥管流量达到3360m3/h，每小时可输送土方约1000～1200m3。输泥管道沿河岸内侧布置，在沿途起伏的高点位置安装排气阀，防止主泵开机时管道内气压过大造成破坏，主管道每隔1km安装压力表，根据管道运行时各压力表读数计算沿途压力降低，分析判断管道运行状态。管道将泥浆输送至长江大桥上游装船，通过长江水路运输至镇江某农场进行低洼地改造。项目实施过程中系统运行平稳，没有任何泥浆泄露现象，节省工期1/3，降低工程造价15%。

5 结论

土方水力冲挖、管道运输及资源化利用是解决大规模集中连片地上空间土方开挖运输与利用问题的系统解决方案。近年来，这一系统化解决方案在工程实践中的应用日益增大，其优势开始受到各方肯定。该方案使得地上空间开发工程费用比传统的方式大为节省，而且处理弃土的效率是传统方式的数倍以上，基本可以实现零排放，无噪音，且不会污染和破环市政道路，也避免了渣土车招人诟病的车辆伤亡事故，在节能环保、安全生产、城市建设管理等方面的社会效益不可估量。本文论述的土方工程系统解决方案完全切合现代化城市绿色、循环、可持续发展的理念，在工程建设行业将起到创新引领的示范作用。

图4 基坑土方水力冲挖、运输与处置实施过程