明渠与地道的水冲法开挖技术研究

张 弛， 龙莉波， 陆 锴， 国文智， 张祝荣

(上海建工二建集团，上海 200080)

0 引 言

上海一直致力于将浦东机场打造成新的国际航空港。从一、二期项目的T1、T2航站楼，到三期的卫星厅，再到四期的T3航站楼，在中轴线上形成了主体服务于航空业的综合枢纽。

而浦东机场T3航站楼的建造最为复杂，除了原有道路与管线的搬迁，还有复杂的高架，和更为复杂的轨交线路。此外，更增加了飞机不停航的新要求。这给工程施工带来了前所未有的难度。为了避免，机场超大基坑开挖过程中车辆破坏道路的问题，拟采用水力冲挖和接力泵送的全新的大型基坑的开挖和出土措施。

到为了试验水冲法在浦东机场T3航站楼等工程超大基坑开挖过程中的技术及设备安装、调试，以及管线排布等问题，并结合超大基坑顺、逆作结合开挖的实际情况，在浦东机场T3航站楼的前期工程中选取排水渠和地道的一段作为水冲法的试验区。水冲法已经大量运用在地下工程中。相比于大型基坑，运用水冲法可以快速开挖明渠或浅层河流这一类无须支撑的狭长型“基坑”。

1 工程概述

在浦东机场T3航站楼的前期工程中，因为机场的不停航要求与整个机场区域的排水需求，需要搬迁原有场地内的一些道路和既有管线，增加临时的排水明渠来疏导机场范围内收集的降水，拟在场地的东侧和北侧修建东绕水渠。

T3前期工程包含S32临时改道、排水渠临时东绕、管线改迁、P7停车场搬迁等诸多项目，其中新建S32临时地道为10 m～0 m深的深基坑，总面积7 200 m2，出土量41 520 m3，基坑宽度18 m，东线长243 m，西线长323 m。该地道采用SMW工法桩围护，2道支撑(混凝土+钢)。

现以该地道作为T3航站楼基坑水冲法施工的实验对象，重点探究不同土层、土质采用水冲法施工的出土功效、沿路路由碰到的建、构筑物处理措施的可行性及对周边环境的影响。

S32临时地道标高下的土层情况如图1所示。

图1 临时地道标高下的土质情况

S32地道基坑除表层土(2.5 m深)以外剩余土层均适用于水冲法/挖机喂斗法施工，共计需约3万m2。

2 地质条件与结构

选定浦东机场T3航站楼东绕水渠的东南末端和东绕道路的下穿地道段，作为试验段。并且思考如何运用整个T3场地内的施工废水、施工期内的雨水、基坑降水，以及回收泥浆成土时候外排的淅出水[6]。东绕水渠与东绕道路与浦东机场T3航站楼的基坑位置如图2所示。

图2

3 水冲法工艺

3.1 原理

通过取水管道从外部引入清水至项目现场基坑内，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，使泥浆和泥块相混合，当达到足够均匀混合后，采用泥浆泵(泰安泵)及其输泥管将其吸送至回填区的泥库，完成场内土方外运工作，如图3所示。

图3

水力冲挖施工时泥浆泵设置在场内最低点，水枪是围绕泵体由高向低处扫射，土体高差不宜大于2 m[1]。配合机械开挖与修边。放坡坡度(高宽比)不宜大于1∶0.33[2]。因此作业时明渠基本能满足支护施工要求。

3.2 引水与蓄水

由于管线长、作业高低差大，根据项目特性必须设置接力泵，本工程由于高差大，因此在基坑边设第一个接力泵(电力)，其次以每2 km设置一台柴油接力泵(图3d)(过程管线无电源考虑)。因水力冲挖需要高压水泵冲泥而需要水源，因此取土场内需设置临时蓄水池，在就近围场河设置抽水泵站，并挖渠引水至蓄水池，如图4a、图4b所示。

同时为T3航站楼积累技术储备，本项目排水渠特设立300 m长度水冲法出土试验区。试验区域设置400 m长泥浆管路，将泥浆输送至临时土方卸点，沉积后利用挖机及土方车外运至土方卸点。泥浆管路由采取3条线路，每条线路1台22 kW的泥浆泵，配合2台4 kW清水泵抽运至附近临时泥库中，每条线路24h出土量为300～400 m3，临时土方卸点如图4c所示。

3.3 工艺流程和特点

水冲法施工时，无论明渠还是地道，坑内都会有大量的泥浆。为了防止基坑内泥浆将抗侧移的土体浸泡软化，采用“先中央，后四周，分层冲挖”的原则。并且，尽量减少基坑周边被泥浆浸泡的时间，保证基坑的稳定[3]。水冲法开挖的流程：首先测量放线定位，挖机去除表层填土，再布置给水、出土路由及相关设备，挖机除去表层填土，采用水冲法出土，小挖机协助翻土，坑内淤积水或降雨后需要降水，降水完成开始结构施工。

对于排水渠而言，推荐选取200 m为一个工作段，其中50 m一个施工搭接段。每段施工工序：轻型井点布置，再降水，再土方开挖，最后结构施工。施工工期如图5所示。

图5 排水渠(或浅层河流)水冲法开挖施工工期图

轻型井点降水三排布置，每50 m有3套，如图6所示。坑内井管降水1周后拔除；坑外井管待侧墙及底板施工完成后拔除。拔除的井管转移至下个工作段继续使用。

图6 一个工作段(200m)上的轻型井点布置图

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征：不受雨天影响施工(特大暴雨除外)，工期可控；不受交通道路影响，无防尘、交通安全风险低；泥浆泵可附带明排水，应能减免基坑降水措施；施工成本比干挖陆运低；泵功率大，用电配备要求高；施工时需要有取水和排水要求；有管线布设区域场地。

3.4 出土方案与工效分析

充分考虑设备的不同以及材质管线的不同，以及坡度，土质等因素影响，水冲法的效率会有区分。并且水冲法的挖土方式也可以与机械的开挖和运输方式相互配合。就挖土和出土的工法与工效作如下对比：

方案1设想，传统机械方式出土。在S32临时地道施工现场开设5个工作面同步进行土方开挖工作，每工作面设置一台长臂挖机配合一台小型挖机，每工作面理论日最大出土量为800 m2所有工作面共同出土日理论最大出土总量为4 000 m2，施工现场每小时共计出13台满载土方车。

方案2设想，喂斗法与常规挖土结合，如图7a所示。S32临时地道施工现场同样开设5个工作面同步开挖，每工作面设置一台长臂挖机配合一台小型挖机，但基坑外设置一台土斗，接泥浆泵及一根DN400PVC管，通过挖机→土方车→土斗→泥浆泵→管道进入卸土点围堰。

图7

方案3设想，水冲挖土和管道出土,如图7b所示。S32临时地道基坑水冲法施工期间由新建及原排水渠取水，考虑0.9的给水损耗，共需水量约为0.5 m3/s。基坑内出土布置三根支管，总管布置一根DN400PVC管，理论日出土量为4 000 m3。

三种方案的优缺点总结见表1。

表1 出土方式优缺点对比

3.5 末端泥库

初步计算泥库面积489.5万m2，泥库围堰堆高2 m，场内实际堆高1.5 m计算，实际库容326.3万m2，满足要求。泥库位置与泥库围堰方法如图8所示。

图8

泥库围堰初步设置两种方案。泥库围堰方案一：泥库围堰堆高不超过2 m，拟采取土坝进行围护。泥塘放样时，在实地采用全站仪放泥塘外边线及围堰横断面，并用白石灰划出。施工前用推土机平整场地，清除障碍，修筑泥塘施工进场便道，开设排水沟。围堰修筑采用挖掘机、推土机结合人工修筑。筑堰施工由低处开始，按水平方向高处逐层铺平夯实。

为防止围堰出现冲刷和漏水，用编织袋填土护坡加固。对围堰的安全要引起足够重视，做到万无一失。同时在施工中确保做到下述工序：堰基上的杂草、树根、腐殖土层等清除干净；围堰填筑前，将堰基上表层土翻松，然后填新土予以压实；泥库内侧沿线布置塑料薄膜，防止渗漏；坝顶围堰周边设置临边围护，防止无关人员进入泥库，且设专人24 h值守巡护；泥库设置3级沉淀池，经过沉淀合格后，方可排入围场河中循环利用[4]。

4 注意事项

水冲法的关键在与确保被冲土体的安全，避免滑坡等事故[5]。此外，由于高压电缆排管为本地区居民区供电的主电缆，搬迁需要时间。且13根3.5万V高压电缆事关附近地区居民的主要供电缆，为高压电缆。在围护体施工时，对电缆的保护至关重要，特殊节点需：

过路处理(管道开槽暗埋，路面钢板保护)；

过河过滑行道处理(管道桥下敷设强排)；每套吹土设备配备独立管道，管道每2 km设置一台柴油接力泵(过程管线无电源考虑)。

使用水力冲洗挖土，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，可能影响施工车辆进出，如图9所示。而掉入泥浆池也是工人在抽泥浆时候不得不考虑的安全问题。虽然如此，在明暗渠、浅层河流以及地道和隧道的开挖中，水冲法仍是值得推广的方法。

图9 水力冲挖明渠或浅层河流的现场施工案例

5 总结与展望

水冲法在最适宜开挖明渠和浅层河流。要在每一工作断面上设置轻型井点降水。在开挖地道时候，要注意周边的排水和地道的渗水情况，做好防水。末端的泥库先用挖机塑形，再采用编织袋围堰或土工布围堰。