老黏土地層吸泥裝置研究及應用

肖伯強，李送根，胡義新，萬火清

老黏土地層吸泥裝置研究及應用

肖伯強，李送根，胡義新，萬火清

（中交二航局第六工程分公司，湖北武漢430014）

文章以廈漳同城大道九龍江特大橋2號主墩承臺施工為背景，針對水下老黏土清理的難題，提出一種破除水下老黏土的沖泥器及其施工方法，采用高壓水和高壓空氣結合的方式沖擊老黏土，有效改善了沖泥效果，提高了吸泥效率。

老黏土；水下吸泥；施工

0 引言

1 工程概況

廈漳同城大道九龍江特大橋西溪主橋為獨斜塔空間扭背索斜拉橋，處于九龍江入?？?，主塔所在2號主墩承臺尺寸24 m伊30.5 m伊6 m，其下設18根直徑2.8 m的鉆孔灌注樁基礎，基礎施工采用先平臺后板樁圍堰的方法進行。樁基施工完成后，施打鋼板樁，其后進行水下清基和封底混凝土澆筑。2號主墩所處河床下臥5～8 m厚紅褐色老黏土層（海灣長年淤積而成），硬塑～堅硬狀，含少量Fe、Mn氧化物及較多灰白色團塊狀高嶺土，強度較高，具中偏低壓縮性，局部具弱膨脹性。地質鉆探參數如表1，主墩承臺平面布置如圖1所示。

表1 地質鉆探參數表Table 1The parameter list of geological drilling

圖1 平面布置圖Fig.1Layout plan

2 方案比選

方案比選主要針對較難清理的第四系晚更新世老黏土進行，目前，水下清理土層的施工方法主要有3種：機械清除、砂石泵抽除、高壓水+空壓機氣舉排除。所以，僅對上述3種方法及新型施工方法進行比較。

2.1 機械清除

機械清除分兩類形式，第一類為抓斗法施工，第二類為長臂挖機法施工?，F在常用的是做功抓斗，由支撐繩和閉合繩配合進行，支撐繩控制抓斗本身上下移動，閉合繩控制瓣的閉合。常用形式有2瓣、6瓣、8瓣抓斗。

抓斗法施工的優點是方法簡單，但抓斗施工并不能抓干凈，且較硬、較大塊的土體抓取比較困難。

長臂挖機常用于深基坑開挖，臂長有15 m、18 m、21 m、24 m、27 m等，長臂挖機的租賃費用較高。長臂挖機受臂長的影響，斗容量都不大，一般在0.3～0.5 m3之間，水下挖泥又受到現場空間、水等因素影響，每斗約0.20 m3左右（含水混合體）。

優點同樣是方法比較簡單，但費用高，施工受距離、深度和空間的控制（只能施工基坑上層的一部分），且在圍堰周邊易形成“倒三角區”狀土體無法挖除。

2.風險像素體系評估過程。風險像素指標，先按歸一值原則進行變化，轉化后的數值即為扣分值，分別以紅、橙、藍、綠來劃分4個風險等級表示。紅色等級為風險最高，綠色等級為風險最低，具體規則如下。

2.2 砂石泵抽除

大功率離心式砂石泵和潛水式泥漿泵是以電為動力，馬達旋轉帶動變速器輸出扭矩，帶動葉輪，葉輪置于殼體中，殼體接吸漿管及排泥管，通過葉輪轉動將泥、砂、水混合物吸出輸出。為實現更高效的水下吸泥，也常采取砂石泵絞、吸結合的方法[5]，這樣能夠較大幅度地提高生產效率，給項目建設帶來直接的經濟效益。

本法主要針對比較板結的砂性土、礫類土，一般最大粒徑不宜超過30～40 mm，否則易造成砂石泵砂輪片破壞，或造成堵管、破管等。對砂性土的施工效率高，且不受水深的影響，投入較為經濟。同時，不適宜黏性土、強黏性土等結合性較強的土層。

2.3 高壓水+空壓機

高壓水配合空壓機組合裝置由水泵高壓輸水系統和空壓機反壓系統兩大塊組成?？諌簷C將壓縮空氣送至基坑底，排出的氣體與基底松散狀土層顆粒、水混合形成含大量氣泡的漿氣混合液，漿氣混合液因其比重小而上升，在吸泥套管內混合器底端形成負壓，下面的混合液在負壓的作用下不斷上升，并在氣壓動量的聯合作用下形成流動，將基底泥渣排出。同時，采用高壓水對基坑底土體進行射水沖散，加快漿氣混合液的生成，促進施工效率。氣、水組合更大地提高了施工效率，根據施工需要，可以配備多臺空壓機并聯形成低壓環境，適用于較大粒徑的抽吸，最大粒徑可達200 mm，但正因為依托氣壓影響，空氣吸泥法受水深度影響，一般適宜8 m以上的水深。除細砂層以外，空氣吸泥法的施工效率較砂石泵法更快。

優點是板樁周圍和護筒周圍會清理的比較干凈，缺點是工藝較復雜。由于受到水深的影響，在水泵功率一定的情況下，基底水壓的沖擊力有一定的局限性，射水的范圍和力度受限，因而針對結合性較強的老黏土，施工速率較慢。

2.4 “氣推水”沖泥器法

改變以往僅采用高壓水沖擊水下基底土體的做法，采用高壓水和高壓空氣相結合的結構形式。內管通水，外管通氣，打破常規氣、水分離的做法，在出水口外側，設置高壓氣體“助推”水力，加大射水速率和力度，擴充作業范圍，克服迅速沖散老黏土較困難的難題，有效改善了沖泥效果，提高了吸泥效率。

3 構造及實施步驟

從以上方案分析，結合本項目特點，“氣推水”沖泥器法對克服老黏土具有明顯的優越性，將有效提高施工工效，降低施工成本。

3.1 結構形式

所設計的破除水下老黏土的沖泥器，利用兩種型號的無縫鋼管做成雙層噴管，鋼管之間上端封口，一側設置進氣管（無縫鋼管，與雙層噴管成45毅夾角）。其中雙層噴管設計為內管通水，外管通氣，雙層鋼管之間采用3孔準12 mm螺旋螺栓沿圓周均勻限位，且每間隔3 m布置1層，錯位布置。噴頭同樣采用雙層管，上部設置4個（分2層90毅錯開布置，層間距400 mm，即每層2個），底部設置1個，噴頭總高度800 mm。噴頭端部噴嘴同樣采用3孔準12 mm螺旋螺栓沿圓周均勻限位，噴嘴方向呈現十字面，見圖2。準12 mm的螺紋孔、噴氣及噴水的噴嘴采用車床工廠加工。

圖2 “氣推水”設計圖Fig.2The structure of water driving air

3.2 實施步驟

上述破除水下老黏土的沖泥器的施工方法，包括以下步驟：1）噴水管頂部連接高壓水泵，進氣管連接空壓機，通過控制繩將沖泥器置入水中與河床接觸；2）高壓水泵和空壓機同時通電，高壓水和高壓空氣結合沖擊老黏土；轉動控制繩，使沖泥器的沖泥面形成1個圓面；3）待沖泥面的半徑達到5 m左右時，操作控制繩使沖泥器移動，直至沖泥器的沖泥范圍覆蓋整個水下待挖面。

4 施工關鍵技術

4.1 裝配式構件精加工

裝配式構件精加工主要包括進氣管、水管噴頭、氣管噴頭及螺紋孔，加工精度需控制在依0.5 mm。鋼管壁厚不低于設計要求，確保連接位置焊縫連續焊滿，交叉部位采用剖口熔透焊，制作完成后進行焊縫檢查，通過后對沖泥器進行氣密性及水密性試驗，確保結構不漏水、不漏氣[6-7]。

4.2 安裝要求高

“氣推水”設計形成的沖擊力較大，因此，對整套結構安裝要求也較高?，F場需分節拼裝時，為了保證安裝準確，將各構件提前編號。安裝過程中需保證各構件連接牢靠。

5 結語

廈漳同城大道西溪主橋2號主墩圍堰吸泥采用“氣推水”自制水下沖泥器施工，有效解決了高黏聚力厚層老黏土的清理難題，保證了施工工期。通過方案分析、結構設計和施工技術研究，筆者對該結構有以下幾點體會：

1）該沖泥器結構作為一種新型的吸泥裝置，在以往吸泥裝置的基礎上，解決了老黏土破除的技術難題，同時具有安全可靠、施工便捷、經濟適用等優點。該結構形式尤其在老黏土地質條件下具有較大的應用價值。

2）該沖泥器結構在加工及安裝過程中均對精度要求較高，是施工中應該關注的重點。

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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.

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[5]趙理志.一種絞吸挖泥船水下泵吸泥管：中國，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，鋼結構設計規范[S]. GB 50017—2003,Code for design of steel structures[S].

[7]GB 50205—2001，鋼結構工程施工質量驗收規范[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

肖伯強（1969—），男，湖南湘潭人，高級工程師，總工程師，路橋專業。E-mail：401223514@qq.com