临水域软土地区超大深基坑的分区水冲开挖技术初步研究

张 弛 ，龙莉波 ，柴玮琳 ，国文智，张 松

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

0 引言

在不停航（飞机）机场建设的新要求下，超大基坑的传统机械开挖势必需要大量土方车辆的进出，存在破坏新修道路和管线的重大隐患。长距离皮带运输过程中，常发生机械故障，极可能达不到基坑支撑施工所需的每层出土量的要求。本文旨在探讨通过分区水冲开挖的方式，解决开挖超大基坑时大量土方的出土问题，以及大量土方车运土时带来的对周边道路破坏的问题。

1 工程概况

浦东机场T3 航站楼位于原T1、T2 航站楼和卫星厅南侧，南至围场河，见图1。该基坑开挖体量巨大，并且下雨会淋湿基坑，使得土方潮湿，增大了基坑开挖难度。回填区域的土地平整难度高，且传统的土方开挖与运输方法会导致道路被大型车辆压坏。

图1 浦东机场T3 航站楼平面图

2 地质条件

场地受两条古河道切割，最大切割深度达65 m。浦东机场T3 航站楼和交通中心主要受南侧古河道影响，古河道切割区域对围护结构受力和变形控制，以及主体结构沉降控制不利。本工程普遍区域在30 m 以下分布有深厚的第⑦层粉性土、砂土，为承压含水层，局部受古河道切割的第⑦层层顶起伏大。按承压水水头埋深为3 m 进行估算，承压水稳定临界开挖深度约12.7 m。基坑面积巨大，且大部分区域不满足承压水稳定要求，需要进行大范围和长时间降压。场地内第⑧层土缺失，下部第⑦、⑨层承压含水层连通，帷幕难以隔断，见图2。

图2 浦东机场地质土层情况

3 施工工艺

3.1 原理

通过高压泵水流产生压力，使用水枪采用高速水柱将土体切割、粉碎后土体将会发生湿化、崩解现象，使泥浆和泥块混合，当足够均匀后，采用泥浆泵及其输泥管将其吸送至回填区的泥库[1]。喷枪冲水压力一般达到0.6 MPa 以上，冲击水力与开挖面呈30°～60°冲向土体，与泥浆泵位置呈扇形，集中抽取，外排。冲挖至基底标高，可以用打入式钢管，纵横向拉线来测量控制。要控制被冲击土体的高差，一般不宜大于两米，施工人员要与潜在的塌落土体保持一定的安全距离[2]。

3.2 流程

首先，做好施工准备（包括技术准备、施工设备准备，和人员配备等）；第二步，引水蓄水（引可用的水源，通过管线送至现场冲土点）；第三步，采用高压泵冲泥（高压泵稀释采泥点砂浆，使泥浆水含土率控制在20%～25%）；第四步，泥浆泵、接力泵输送（泥浆泵采稀释后的砂土，由管线输送至储砂池）；最后，泥库排泥、沉淀排水，实现水、土的再次利用，满足线路末端泥库的循环供水，以及围区造土的需要，以及相应的环保要求[3]。

3.3 工艺特点

与传统的挖机或抓斗配合运输车辆或传送带的挖土与运土方式比，水冲法的土方开挖与运送方法有这样一些特点：

成本低：水冲法引用周边的河水、降水，和析水可重复利用；静置后的泥土可用作回填土；施工设备简单，有效降低成本；

工期短：与传统的机械开挖相比较，水冲法在保证工程质量的前提下，大大缩短了工期，且不受雨天影响施工（特大暴雨除外），有较好的经济效益；

污染小：水冲法采用的高压泵、泥浆泵等均为清洁无污染的设备；水资源可实现循环利用；与机械开挖相比，改善了劳动作业条件，不受交通道路影响；符合可持续发展以及建设节约型社会的方针需要，具有良好的社会效益。

3.4 方案

水力冲洗法挖土，每层土遵循“从中央到四周”的盆式开挖顺序原则，分区跳仓开挖、充分利用水冲法开挖与运送泥浆，以期达到减少基坑最大开挖深度的暴露时间，以及防止基坑侧壁发生过大变形。首层土采用常规机械开挖方式施工，上层砂质土区域（-2～-8.8 m）直接采用水力冲洗法挖土，下层粘土区域（-8.8～-29.5 m）采用挖机松土结合水力冲洗法挖土，见图3。

图3 水力冲洗法挖土

本工程中，基坑开挖处与回填区泥库距离较远。根据建设用地的实际情况，以及场地外的用地情况。泥浆输送管道路线初步形成三个备选方案（见图4）。

图4 泥浆输送管道路线

方案一：路线总长8 km，其中0.9 km 位于自贸区内，需与自贸区单位协商。每套吹砂设备管道需设置3 台柴油接力泵，24 套吹砂设备管道需设置72 台柴油接力泵（管线无电源考虑）；

方案二：路线总长8 km，其中1.1 km 侵入机场围界，需与机场单位协商，退围界。每套吹砂设备管道需设置3 台柴油接力泵，24 套吹砂设备管道需设置72 台柴油接力泵（管线无电源考虑）；

方案三：路线总长17.6 km。每套吹砂设备管道需设置10 台柴油接力泵，24 套吹砂设备管道需设置240 台柴油接力泵（管线无电源考虑）。

水冲法的中端管线在排布时，要兼顾经济性，安全性，以及效率。路线的选择需要在可利用的场地内，同时尽量保证节约管材。在无法保证接力泵电缆供电时，采用柴油发电机供电。水冲法运输初步形成两个备选方案：

方案一配置：依据每天约输送4 万m3左右/d产量要求，本工程拟采取铺设13 条管路，其中每条管路配置如下：一根直径400 mm 的PE 管，1 台泥浆泵（350 kW），配备7 台清水泵（50 kW），以及4 台泥浆泵（350 kW 电动增压泵），一套设备一天24 h 能出3 000 m3砂性土，需水量10 000 m3；350 kW 电动泥浆泵开挖超过15 m 时，扬程和动力不足，因此拟考虑在基坑深处须采取350 kW 泥浆泵，半程接力输送至地面处约500 m 处的位置。再设置4 台350 kW 增压泵输送至8 km 外的弃土场地；

方案二配置：每条管路采用一根直径450 mm 的PE 管，1 台泥浆泵（450 kW），配备3 台清水泵（75 kW），以及4 台泥浆泵（620 马力柴油动力增压泵或450 kW 电动增压泵），一套设备一天24h 能出土6 000～8 000 m3砂性土；设计选用4 台450 PNS-50 增压泵接力输送，第一台泵输送至基坑顶部约200 m 后，剩余三台泵平均接力进行输送至约8 km 外的弃土场地。其中基坑内的排泥浆的泵采用电动方式，基坑以上4 台增压泵拟采用柴油泵（考虑线路较长，接电不方便的情况下采用柴油泵）。

针对不同的开挖宽度与深度，需要匹配不同功率的泵。比如，较小功率的泵在开挖较大深度时候，所匹配的扬程和功率难以泵送泥浆到开挖的坑外。此外，泥浆泵与接力泵之间的功率也需要很好的匹配与协同工作。例如450 PNS-50 泵（性能参数：流量为2 200 方/ 小时；扬程为50 米；转速为730 转）配套620 马力（潍柴6170 型）柴油机；配套400 型（速比2∶1）齿轮箱；出口配套450 PE 管道。350 kW 泥浆泵工况布置见图5。

图5 350 kW 泥浆泵工况布置图

3.5 设备及人员

浦东T3 项目现场实际布置基坑分坑较多，计划1 万m2以下基坑采用1 套吹砂设备和1 台泥浆泵；而1 万m2以上基坑则配备2 套吹砂设备，和2 台泥浆泵。

以单个1 万m2以下基坑的配置为例，一套设备出土量：800～850 m3/h，设备人员配置见表1（管道路线总长8 km，人员三班制）。现场用电量总计18 288 kW/h，用水量总计20 400 m3/h。

表1 设备与人员配置

4 效益分析

超大深基坑开挖中，水冲法的出土需要考虑基坑的分区情况与顺、逆作的施工工艺。相比于人工挖土、机械挖土效率更高，更经济[4]。

水力冲挖法：报价（不含税金）包含：土方冲挖费、泥浆运输（接力泵及管线）费、供水费、泥库费、管理费、利润、、人工费、机械费（含挖机）、电费、柴油费、抽水费，和蓄水费。

卫星厅土方分包单价约为33 元/m3。航站楼T3基坑超深，运距也远，土方产生的费用增加。

4.1 成本对比

水力冲挖与机械挖土经济性对比见表2。

表2 水力冲挖与机械挖土经济性对比

4.2 工期对比

以面积为25 000 m2的基坑为例，一层土按4 m挖深考虑，机械挖土效率为5 000 m3/d，使用2 套吹砂设备采用水力冲洗结合机械挖机，松土效率为8 000 m3/d。采用“从中央到四周”的盆式顺序开挖（挖深越深，机械挖土效率越低；黏土区域2 套吹砂设备效率也降低为6 000～7 000 m3/d），见图6、图7。

图6 机械开挖一层土与支撑工期图

图7 水力开挖一层土与支撑工期图

再以基坑A 为例，将基坑按照支撑布置，跳仓法施工（最后一块与第二批搭接施工）。第一层土按4 m挖深考虑，其中3.5 m 采用2 套吹砂设备水冲法开挖，然后采用轻水井点降水，待降水完成，土体表面疏干后，机械开挖剩余的0.5 m 土层，再做混凝土支撑，见图8。

图8 基坑A 水冲法施工分块图

机械开挖需要40 d 工期；经过计算，分区水冲法施工需要32 d 工期，可节约了8 d 工期。

5 施工问题

5.1 管道过多

使用水力冲洗法挖土，每一阶段需使用吹砂设备过多，而每套设备需对应一根水管、一根泥浆管，造成场内管道过多，影响施工车辆进出。应设置抽水泵站，统一供应到每个基坑内水箱，水力冲洗高压泵从水箱抽水；场外应设置泥浆池，各基坑分管输送至场内总管，经总管流进泥浆池。最后由泥浆池统一泵送至回填区泥库。

5.2 黏土水冲效率

按照地质报告，地下4 层至5 层土为淤泥质黏土层、黏土层（-8.8～-29.5 m），其余为砂质土层。黏土占深基坑开挖土方量的60%。水力冲挖法目前多数用于砂性土。按经验分析，水力冲挖法用于淤泥质黏土和黏土时效率降低。可采用挖机松土，配合水冲，每套设备效率能从2 500 m3/d 提高到3 000～3 500 m3/d。淤泥质黏土和黏土可能水冲困难，需要进一步处理（例如经过储浆池搅拌处理）。坡度应合理，局部地基或需加固[5]。

5.3 接头爆管

泥浆传送时，若接力泵压力调配不当，会导致管道接头爆管。在重要区域关键部位，管材应采用钢管或塑料热熔管（接口烫接）处理；调配经验丰富的技术人员，对接力泵调校和日常管理；调配经验丰富的巡线人员管理管线，加强日常维护，确保管线安全可靠运行。

6 结语

临水域软土地区超大深基坑开挖，采用水冲法配合传统的机械开挖是一种有效的施工方法。在合理排布设备和人员安排下，开挖工效显著提升，且开挖成本大幅降低。同时，水冲法为机场的不停航创造了施工条件，避免了大量土方车的进出场，减少了对临建道路、栈桥、以及大量管线造成破坏的隐患；减少了对环境的污染。水冲法具有良好的经济效益和社会效益，值得推广。