老黏土地层吸泥装置研究及应用

肖伯强，李送根，胡义新，万火清

老黏土地层吸泥装置研究及应用

肖伯强，李送根，胡义新，万火清

（中交二航局第六工程分公司，湖北武汉430014）

文章以厦漳同城大道九龙江特大桥2号主墩承台施工为背景，针对水下老黏土清理的难题，提出一种破除水下老黏土的冲泥器及其施工方法，采用高压水和高压空气结合的方式冲击老黏土，有效改善了冲泥效果，提高了吸泥效率。

老黏土；水下吸泥；施工

0 引言

1 工程概况

厦漳同城大道九龙江特大桥西溪主桥为独斜塔空间扭背索斜拉桥，处于九龙江入海口，主塔所在2号主墩承台尺寸24 m伊30.5 m伊6 m，其下设18根直径2.8 m的钻孔灌注桩基础，基础施工采用先平台后板桩围堰的方法进行。桩基施工完成后，施打钢板桩，其后进行水下清基和封底混凝土浇筑。2号主墩所处河床下卧5～8 m厚红褐色老黏土层（海湾长年淤积而成），硬塑～坚硬状，含少量Fe、Mn氧化物及较多灰白色团块状高岭土，强度较高，具中偏低压缩性，局部具弱膨胀性。地质钻探参数如表1，主墩承台平面布置如图1所示。

表1 地质钻探参数表Table 1The parameter list of geological drilling

图1 平面布置图Fig.1Layout plan

2 方案比选

方案比选主要针对较难清理的第四系晚更新世老黏土进行，目前，水下清理土层的施工方法主要有3种：机械清除、砂石泵抽除、高压水+空压机气举排除。所以，仅对上述3种方法及新型施工方法进行比较。

2.1 机械清除

机械清除分两类形式，第一类为抓斗法施工，第二类为长臂挖机法施工。现在常用的是做功抓斗，由支撑绳和闭合绳配合进行，支撑绳控制抓斗本身上下移动，闭合绳控制瓣的闭合。常用形式有2瓣、6瓣、8瓣抓斗。

抓斗法施工的优点是方法简单，但抓斗施工并不能抓干净，且较硬、较大块的土体抓取比较困难。

长臂挖机常用于深基坑开挖，臂长有15 m、18 m、21 m、24 m、27 m等，长臂挖机的租赁费用较高。长臂挖机受臂长的影响，斗容量都不大，一般在0.3～0.5 m3之间，水下挖泥又受到现场空间、水等因素影响，每斗约0.20 m3左右（含水混合体）。

优点同样是方法比较简单，但费用高，施工受距离、深度和空间的控制（只能施工基坑上层的一部分），且在围堰周边易形成“倒三角区”状土体无法挖除。

2.风险像素体系评估过程。风险像素指标，先按归一值原则进行变化，转化后的数值即为扣分值，分别以红、橙、蓝、绿来划分4个风险等级表示。红色等级为风险最高，绿色等级为风险最低，具体规则如下。

2.2 砂石泵抽除

大功率离心式砂石泵和潜水式泥浆泵是以电为动力，马达旋转带动变速器输出扭矩，带动叶轮，叶轮置于壳体中，壳体接吸浆管及排泥管，通过叶轮转动将泥、砂、水混合物吸出输出。为实现更高效的水下吸泥，也常采取砂石泵绞、吸结合的方法[5]，这样能够较大幅度地提高生产效率，给项目建设带来直接的经济效益。

本法主要针对比较板结的砂性土、砾类土，一般最大粒径不宜超过30～40 mm，否则易造成砂石泵砂轮片破坏，或造成堵管、破管等。对砂性土的施工效率高，且不受水深的影响，投入较为经济。同时，不适宜黏性土、强黏性土等结合性较强的土层。

2.3 高压水+空压机

高压水配合空压机组合装置由水泵高压输水系统和空压机反压系统两大块组成。空压机将压缩空气送至基坑底，排出的气体与基底松散状土层颗粒、水混合形成含大量气泡的浆气混合液，浆气混合液因其比重小而上升，在吸泥套管内混合器底端形成负压，下面的混合液在负压的作用下不断上升，并在气压动量的联合作用下形成流动，将基底泥渣排出。同时，采用高压水对基坑底土体进行射水冲散，加快浆气混合液的生成，促进施工效率。气、水组合更大地提高了施工效率，根据施工需要，可以配备多台空压机并联形成低压环境，适用于较大粒径的抽吸，最大粒径可达200 mm，但正因为依托气压影响，空气吸泥法受水深度影响，一般适宜8 m以上的水深。除细砂层以外，空气吸泥法的施工效率较砂石泵法更快。

优点是板桩周围和护筒周围会清理的比较干净，缺点是工艺较复杂。由于受到水深的影响，在水泵功率一定的情况下，基底水压的冲击力有一定的局限性，射水的范围和力度受限，因而针对结合性较强的老黏土，施工速率较慢。

2.4 “气推水”冲泥器法

改变以往仅采用高压水冲击水下基底土体的做法，采用高压水和高压空气相结合的结构形式。内管通水，外管通气，打破常规气、水分离的做法，在出水口外侧，设置高压气体“助推”水力，加大射水速率和力度，扩充作业范围，克服迅速冲散老黏土较困难的难题，有效改善了冲泥效果，提高了吸泥效率。

3 构造及实施步骤

从以上方案分析，结合本项目特点，“气推水”冲泥器法对克服老黏土具有明显的优越性，将有效提高施工工效，降低施工成本。

3.1 结构形式

所设计的破除水下老黏土的冲泥器，利用两种型号的无缝钢管做成双层喷管，钢管之间上端封口，一侧设置进气管（无缝钢管，与双层喷管成45毅夹角）。其中双层喷管设计为内管通水，外管通气，双层钢管之间采用3孔准12 mm螺旋螺栓沿圆周均匀限位，且每间隔3 m布置1层，错位布置。喷头同样采用双层管，上部设置4个（分2层90毅错开布置，层间距400 mm，即每层2个），底部设置1个，喷头总高度800 mm。喷头端部喷嘴同样采用3孔准12 mm螺旋螺栓沿圆周均匀限位，喷嘴方向呈现十字面，见图2。准12 mm的螺纹孔、喷气及喷水的喷嘴采用车床工厂加工。

图2 “气推水”设计图Fig.2The structure of water driving air

3.2 实施步骤

上述破除水下老黏土的冲泥器的施工方法，包括以下步骤：1）喷水管顶部连接高压水泵，进气管连接空压机，通过控制绳将冲泥器置入水中与河床接触；2）高压水泵和空压机同时通电，高压水和高压空气结合冲击老黏土；转动控制绳，使冲泥器的冲泥面形成1个圆面；3）待冲泥面的半径达到5 m左右时，操作控制绳使冲泥器移动，直至冲泥器的冲泥范围覆盖整个水下待挖面。

4 施工关键技术

4.1 装配式构件精加工

装配式构件精加工主要包括进气管、水管喷头、气管喷头及螺纹孔，加工精度需控制在依0.5 mm。钢管壁厚不低于设计要求，确保连接位置焊缝连续焊满，交叉部位采用剖口熔透焊，制作完成后进行焊缝检查，通过后对冲泥器进行气密性及水密性试验，确保结构不漏水、不漏气[6-7]。

4.2 安装要求高

“气推水”设计形成的冲击力较大，因此，对整套结构安装要求也较高。现场需分节拼装时，为了保证安装准确，将各构件提前编号。安装过程中需保证各构件连接牢靠。

5 结语

厦漳同城大道西溪主桥2号主墩围堰吸泥采用“气推水”自制水下冲泥器施工，有效解决了高黏聚力厚层老黏土的清理难题，保证了施工工期。通过方案分析、结构设计和施工技术研究，笔者对该结构有以下几点体会：

1）该冲泥器结构作为一种新型的吸泥装置，在以往吸泥装置的基础上，解决了老黏土破除的技术难题，同时具有安全可靠、施工便捷、经济适用等优点。该结构形式尤其在老黏土地质条件下具有较大的应用价值。

2）该冲泥器结构在加工及安装过程中均对精度要求较高，是施工中应该关注的重点。

[1]周望，邱琼海，张全军.泰州长江大桥南锚锭沉井空气吸泥下沉施工技术[J].铁道标准设计，2009（4）：65-69.

ZHOU Wang,QIU Qiong-hai,ZHANG Quan-jun.Construction technology for Nanmaoding Caisson of Yangtze Bridge at Taizhou to settle through mad absorbing because of air[J].Railway Standard Design,2009(4):65-69.

[2]廖潇，寇宝庆，陈清锁，等.沉井空气吸泥下沉技术研究[J].中国科技信息，2012（10）：55-57.

LIAO Xiao,KOU Bao-qing,CHEN Qing-suo,et al.The research to air sucking in open caisson sinking technology[J].China Science and Technology Information,2012(10):55-57.

[3]韩爱兵，张兵建，吴金仓.空气吸泥机在港池泥砂清理中的应用[J].水运工程，1999（11）：48-49.

HAN Ai-bing,ZHANG Bing-jian,WU Jin-cang.Application of air-power silt collector for clearing silt of harbour basin[J].Port& Waterway Engineering,1999(11):48-49.

[4]吴松.工地现场自制空气动力吸泥机[J].科技信息，2011（5）：729.

WUSong.Homemadeaerodynamicsuctiondredgeonsite[J].Science &Technology Information,2011(5):729.

[5]赵理志.一种绞吸挖泥船水下泵吸泥管：中国，CN201220224583.2[P].2012-11-28.

ZHAO Li-zhi.A suction pipe of underwater pump for cutter suction dredger:China,CN201220224583.2[P].2012-11-28.

[6]GB 50017—2003，钢结构设计规范[S]. GB 50017—2003,Code for design of steel structures[S].

[7]GB 50205—2001，钢结构工程施工质量验收规范[S]. GB 50205—2001,Code for acceptance of construction quality of steel structures[S].

Study and application of suction device for claypan before middle period of later Pleistocene

XIAO Bo-qiang,LI Song-gen,HU Yi-xin,WAN Huo-qing
（No.6 Branch of CCCC Second Harbour Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430014,China）

Based on the construction of the No.2 main pier bearing platform of Jiulong River Bridge in Xiamen-Zhangzhou cross-city highway,aiming at the problem of cleaning for claypan before middle period of later Pleistocene underwater,we introduced the new suction device structure and construction method with the flushing principle integrating the high pressure water with high pressure air,which effectively improved the effect of sediment flushing and the efficiency of suction.

claypan before middle period of later Pleistocene;suction underwater;construction

U445.3

A

2095-7874（2017）09-0050-04

10.7640/zggwjs201709010

2017-02-14

肖伯强（1969—），男，湖南湘潭人，高级工程师，总工程师，路桥专业。E-mail：401223514@qq.com