深水条件下大面积水下开挖施工工法2.doc

深水条件下大面积水下开挖施工工法
前言
水工建筑物经常遇到水下开挖基坑或渠道。在水深且土质坚硬的“铁板砂”或低液限碱性粘土时用普通挖泥船无法开挖，功效极低。在松嫩平原大庆地区水下高碱性低液限粘土及齐齐哈尔地区水下铁板砂水下开挖过程中总结了水下大面积开挖坚土工法。此工法主要利用耙吸挖泥原理，用铲斗先翻松水下坚硬的土层，再通过挖泥装置将挖松的土输送至岸上。水下开挖“铁板砂“或级配良好的砂砾石，可采用单斗挖掘机及挖泥船联合施工作业的方式，或采取改装链斗式挖泥船开挖。其原理是先用长臂挖对中密的铁板砂进行翻松，再用挖沙船进行开挖。当开挖水下坚硬的粘性土时，先用链斗将水下粘土挖起通过卸泥装置卸至船下集泥箱，在集泥箱内用绞刀把坚硬的土块搅碎成泥浆，再通过8吋泥浆泵将泥浆排到规划的弃渣场。即斗齿切土→链斗收集泥土→链斗输送泥浆至船上→泥浆箱收泥并搅碎→泥浆泵排放，相当于绞吸式、链斗式、普通三种挖泥船联合作业方式。
经多项工程实践证明该技术可节约大量人力、物力，不仅提前工期、而且经济效果显著。
1、工法特点
1.1施工功效高
水位较高的坚硬地层水下土方开挖，受水的深度影响，如采用常规水下施工方法，施工效率极低，甚至无法施工。采用本工法，集水下翻松、挖除水面、水面输送于一体，开挖效率显著提高，加快了施工进度。
1.2适用范围广
传统的水下挖掘施工针对不同的土质采取不同的设备，而本工法可挖掘砂性土、铁板砂、粘性土等土质及深水条件下的各种环境，应用的设备少。
1.3操作简单，调遣费用低
针对不同的水文地质条件改制水下开挖设备，开挖施工作业操作过程简单，设备调遣量小，费用低。
2、适用范围
适用于深水条件下的坚硬砂砾石层、细砂层、粘土层土质及其它土层的水下开挖。
3、工艺原理
根据耙吸挖泥船的工作原理，通过对挖泥船、抽砂船、挖砂船的技术改造，改制成适应特殊较复杂水文地质条件下的水下开挖机械。此设备可适应密实的级配良好细砾、坚硬粘土互层或其它不良地层土的水下开挖清理，具有绞吸式挖泥船、链斗式挖泥船、单斗、抽砂船的工作性能。
4、施工工艺流程及操作要点
4.1施工程序
水文地质条件调查→施工方案确定→水上开挖设备改制→施工作业区及弃渣场规划→施工区测量放样→水下土方开挖。
4.2水文地质条件调查
开挖前进行详细的水文地质条件调查，取得开挖区域详细的水文资料和地质资料，详细了解开挖区的土层情况和施工期的河水及地下水位变化情况。
4.3施工区测量放样
开挖前选用合适的测控仪器设备，在岸边或围堰上设置好控制点，确定施工放样及控制测量方法。
4.4水下开挖设备的改制
根据工程具体情况，调查分析水下开挖区域的地层岩性，结合常用的挖泥船、抽砂船、单勾等设备的工作原理及特点，研制适合本工程条件的水下开挖施工设备改造计划，改制开挖设备。
4.5基坑水下开挖
4.5.1岸边开挖
一般江河的岸边坡经多年的维护加固，岸边的水上、水下土方开挖采用挖掘机进行开挖，首先修筑临时便道，由挖掘机分多个施工作业面同时进行开挖，水下开挖料经岸边沥水后，再用挖掘机装自卸汽车外运到监理工程师或建设单位指定弃渣场。开挖时一次开挖不到设计深度时，水深在3.0m-5.0m采用长臂挖掘机进行开挖，挖掘机进不去及水深超过5.0m的区域采用挖砂船及挖泥船进行开挖至设计底高程，边坡按水下自然稳定坡角确定，一般在1:3-1:4，尽最大限度地减少用挖泥船进行水下开挖的工程量。
4.5.2河道开挖
河道中部陆地设备进不去时，采取水面行走式开挖设备施工。如果遇到多年沉积的级配良好细砾铁板砂或较硬粘土时，先用翻松装置进行翻松，再用经改制的挖泥（砂）船开挖。保证水下开挖的几何尺寸及高程，是水下开挖的关键质量控制点之一。开挖前先进行开挖试验，确定开挖船的布点、开挖方向。挖砂船开挖出的渣料，直接输送到岸上，经沥水后用装自卸车运送到指定的临时弃渣场。
在土方施工中，经常测量、校正平面位置、标高、边坡。待水下土方开挖完成后，用工作船统一进行基坑高程验收，对不平整的部位，用链斗进行扫平。经自检合格后报监理单位进行验收，验收合格后进行封底混凝土浇筑。

采用挖沙船进行基坑开挖施工示意图

挖沙船开挖作业施工平面布置图

挖沙船挖沙管
挖沙船挖沙管
挖沙船挖沙管
挖沙船挖沙管
10cm
180cm
180cm
180cm
180cm
开挖完成后地面高程线
基坑开挖完成后的纵断面剖面图
说明：
挖沙船在水面上的位置固定主要靠左右岸及上下游围堰上设置的锚，通过牵引棕绳。平整度控制是基坑水下开挖的关键环节之一，当水下开挖至设计高程以上50cm时，如上图。挖沙船的开挖刀口按间距180cm排列由一端向另一端推进，将开挖面的平整度控制在10cm之内。

4.5.3级配良好密实细砾层水下翻松方法
初步设计拟采用自制浮船，浮船上用18m长臂挖掘机对水下铁板砂进行翻松。其施工方法是在开挖区的两岸平行于泄洪闸轴线对称设锚固钢丝绳的锚具，通过两岸连接的一对钢丝绳来稳定浮船，长臂挖掘机在浮船上进行水上开挖作业。固定于浮船上的0.5m3长臂反铲挖掘机，根据开挖区域可在水上对水下用采砂船开挖不了的级配良好细砾实施翻松作业。如果有条件亦可使用承载力足够的拖船。
5、材料与设备
5.1主要材料
钢丝绳、钢管、型钢、钢板、绞刀、油筒、排泥管、浮筒、锚
5.2主要设备
机动快船、长臂挖掘机、抽砂船、泥浆泵、100-200t浮船、抽砂泵
6、质量控制
质量控制主要是水下开挖平整度控制措施。当采用挖砂船开挖时，先确定最深点，然后再向其它部位扩展。根据基坑内的水面水位情况在开挖接近基底设计高程时，加大测控的量测频次，提前确定吊绳入水深度，尽最大限度地防止超挖、欠挖。
岸边采用挖掘机进行开挖的部分，如用长臂挖掘机一次能挖至设计高程的区域或部位，根据水面高程确定长臂挖的长臂入水深度，由现场测量员进行跟踪监控，确保一次开挖至设计高程，不再用抽砂船进行开挖。
大面积水下开挖完成后，利用水下远红外观测仪进行测量，如有达不到高程的部位，再采用挖砂船进行找平，直至达到设计及规范要求。
7、安全措施
7.1、每处浇筑完后浮桥上木板要及时锁死，以免木板探头人员踩空，发生危险。
7.2、浮桥上两侧设置防护栏杆，防护栏杆高度≥1.1m，并且密挂安全网。
7.3、浮桥上的所有操作人员均穿救生衣，戴安全帽，操作浮桥上备用救生圈若干。
7.4、在混凝土浇筑区域周围备用2条船，以备应急时用。
7.5、混凝土拌合操作人员必须按照混凝土拌和机操作规程进行混凝土拌合操作。
7.6、配备专职安全员2名，24小时不间断检查、监督。
8、环保措施
（1）成立文明施工和环境保护领导机构,全面贯彻国家和有关部门关于文明施工、环境保护的法令、法规和规章制度。
（2）合理安排施工作业时间，附近居民休息时间尽可能不安排影响当地居民的作业，减少对周围居民生活的干扰。
（3）使用性能良好的机械设备，车辆驶进居民区时，要减速慢行，并禁鸣喇叭，降低机械噪声污染。
（4）生产、生活设施布置，按监理工程师签证批准的方案进行，尽可能减少对道路、耕地、绿地的占用。对工地范围的原有植被、树木、耕地、水利设施做好保护工作，不改变原有的生态环境。如确因施工需要使用征地范围以外的土地，须征得当事人或管理部门同意后方可使用。因施工需要使用当地公共设施时，以不影响周围居民正常生活为原则。
（5）加强施工现场管理，现场设备、材料堆放合理整齐，做到工完、料尽、场地清，开展经常性文明施工大检查和文明施工评比活动，奖励先进、惩罚落后，促进文明施工水平的提高。
（6）经常对施工道路维修、养护，保证施工道路畅通、完好。
（7）施工结束后，按发包人要求尽快清理施工现场，除业主同意外，拆除其它一切临时设施，清除建筑垃圾，恢复原来的地形地貌。
9、效益分析
9.1经济效益分析
深水条件下大面积基坑水下开挖施工大大提高了经济效益，一般情况下基坑开挖施工都需要在干地情况下施工，但由于施工部位位于地下水位线以下，降水费用昂贵，对于渗透系数大的地下土层，常规降水无法满足，又必须采取截渗措施，一个工程完成后，临时工程费用要远远大于主体工程的费用。采用大面积基坑水下开挖施工方法可以大大减少降水措施费用，又可提前工期。以齐齐哈尔市通阳街污水泵站工程为例作对比：
表5 经济效益对比表
比较内容
水下基坑开挖
降水条件下基坑开挖施工
降水费用
0
38万
开挖费用
6万
3万
总费用
6万
41万
节约费用
35万

9.2社会效益分析
深水条件下大面积水下基坑开挖施工为我国在低水位施工水工构筑物提供了施工方法和施工经验，通过节约工期，节省费用，对国民经济的发展起到了一定的促进作用，社会效益无法估量。
9.3技术效益分析
深水条件下大面积水下基坑开挖施工技术的应用和推广，为我国在低水位条件下拓宽了施工技术的领域，为深水条件下水工构筑物的施工提供了有效的施工方法，技术效益将非常可观。
10、应用实例
10.1北引渠首泄洪闸工程
10.1.1工程概况
北引渠首改建为有坝渠首，北引渠首位于现进水口下游约400m处。渠首枢纽由土坝、总干进水闸、船闸（预留位置）、泄洪闸、溢流坝、固滩和堤防等工程组成。北引渠首属大（一）型工程、Ⅰ等工程，主要建筑物泄洪闸为1级，土坝、溢流坝和总干进水闸级别为2级，固滩工程为3级，渠首枢纽工程设计洪水为50年一遇，校核洪水标准为200年一遇。泄洪闸正常运用水位176.20m，设计洪水位179.04m，校核洪水位179.73m，设计洪水流量为4629m3/s，校核洪水流量为5156m3/s。
泄洪闸位于嫩江主河床枢纽轴线桩号2+473.5-2+697处，为平底板开敞式闸，共12孔，每孔净宽16m，总净宽192m，泄洪闸纵轴线与水流方向一致以保证泄流平顺，堰型采用宽顶堰，闸底板与河底高程一致，高程为169.0m。泄洪闸主要由进口段、闸室段、消力池段、海漫段组成。
闸室结构采用钢筋混凝土“U”槽型式，闸室上下游底板设置齿槽，分缝设在闸墩上，止水采用铜片止水。闸墩及挡土墙设置排水孔以降低墙后水位。闸室段长22.5m，底板厚2.0m，中墩宽2.5m，为缝墩，边墩顶宽2.0m，底宽3.5m，墩顶高程181.80m；工作门为16.00m ×7.20m弧形钢闸门，液压式启闭机，检修门为平板钢闸门，门式启闭机，墩顶设7.0m宽交通桥。
10.1.2、主要工程量
本工程的主要工程量为：土方开挖283.3万m3，土方填筑80.32万m3，砂砾石填筑2.04万m3，钢筋制安3310t，混凝土11.27万m3，铅丝石笼8.83万m3，无纺布5.92万m2，土工布13.91万m2，工作闸门及埋件810t，检修闸门及埋件212.5t。
其中基坑水下砂砾料开挖工程量约为26万m3，其中主江道抽砂船开挖18万m3，两侧挖掘机开挖区域8万m3。
10.2大庆石化红旗泡泵站引渠水下开挖
大庆石化红旗泡泵站引渠位于红旗泡水库库区之内，引渠开挖区域内的土质多为坚硬含碱性粘土，液限指数小于零，经技术经济比较只能采取用挖泥船进行水下开挖。在开挖过程中，为确保工期，研改了集绞吸、链斗式挖泥船于一体的改型挖泥船，提高了功效，解决了引渠水下开挖技术难题。
10.2.1工程概况
红旗泡泵站引渠工程位于红旗泡水库库区内，长度665m，渠底宽度为35.42m ,渠底高程143.50m至140.00m,渠道两侧的边坡为1：3.0。开挖弃土场位于原泵站输水管堤的南侧库区，距开挖区平均运距为500m。水库正常蓄水位为148.00m。库底的地面高程143.50～146.00m,开挖方量为158586.00m3。开挖区域内的地层岩性主要以第四系更新统冲积层（alQ3）高液限粘土（黄色、灰黑色）为主，含碱量高，比较坚硬（R=150KPa），水下开挖的土质岩性类别为六类土，开挖难度较大。
渠道纵断面图

2m
2m
1m
1m
35.42m
1:3
1:3

10.2.2开挖方案比选
方案1：先在渠道的两侧填筑围堰，采取挖掘机挖除库底的芦苇根、原泵站施工时弃置的建筑垃圾等，然后用水力挖泥机开挖。
方案2：采用多条效率极低的小型绞吸式抽砂船开挖。引渠开挖区域的土质为含碱量高的坚硬粘土，不可取。
方案3：采用200m3/h绞吸式挖泥船开挖。该主要设备调遣费用高，安装、拆卸难度大，此方案施工效率较低。
方案4：采取改装链斗式挖泥船开挖。其原理是在链斗式挖泥船的水下开挖端增设绞刀，在链斗的出泥端增设集泥箱和泥浆泵。用绞刀把坚硬的土层搅碎，由链斗将搅碎的泥土倒入泥浆收集箱，在泥浆箱内设有泥浆搅拌器，将大块粘土团搅碎，再通过8吋泥浆泵将泥浆排到规划的弃渣场。即绞刀切土→链斗收集泥土→链斗输送泥浆至船上→泥浆箱收泥并搅碎→泥浆泵排放，相当于绞吸式、链斗式、普通挖泥船三种挖泥船联合作业。
此方案每条船主要的技术指标为：船长26m，宽5.5m，高2.6m，自重18t，载重160t，总装机240千瓦，产量设计为50m3--100 m3/h。适于砂土层、泥土砂层、黄黏土层、盐碱土等硬质土层。
经分析论证，优选方案4为本工程的开挖方案
10.2.3水下土方开挖施工
3.1工期及设备投入
每条船的施工产量90 m3/h，日作业工程量为530 m3/d，工期为2007年9月1日－2007年10月20日，投入2条改装的链斗式挖泥船进行该引渠的水下开挖，配50t工作桥1艘。6寸泥浆输送管1000m，浮箱600m。

3.2施工放样
采用Φ114×3.5钢桩进行放样定位。利用工作船，以河底为基准打入2m深，控制精度为±20cm。桩的纵向间距为50m，桩的横向间距为4m。钢桩上部用[12槽钢连接；钢桩不但起到定位作用，还起到固定牵引钢丝绳的作用。
3.3施工工艺
采取分段分层开挖方法，每段为50m长，每层50cm（绞刀为卧式，其直径为1m）。引渠顶高程为145.88m，分层10层开挖底高程为140.00m。每层工深度控制精度为15cm，单船行驶作业宽度为5m，船的行驶主要以卷扬机钢丝绳牵引，先施工需要护砌的渠道末端，逐渐向渠道的首端推进。船只作业结束，随之将定位桩拆除。
在水下土方开挖作业过程中，为防止黏泥粘链斗影响效率，在链斗的背面焊接除泥齿进行料斗的辅助卸泥。在集泥箱处设自动控制液面高度的加水装置、泥浆搅拌装置等。排泥管采用聚乙烯白塑料管，直接连至业主、监理指定的排放地。
利用1艘50t的机动船进行2艘作业船的辅助工作，如定位、加油、检修、交通等功能。
10.2.4工程质量保证措施
1）利用钢桩定位，尽量缩小分段开挖的距离，测量员跟踪进行监测，保证开挖的纵向几何尺寸，边线开挖与轴线的控制精度为20cm。
（2）每段开挖分层进行，按设计渠道的边坡采取台阶的形式控制边坡的坡度及开挖的深度，开挖深浅控制精度为15cm。
（3）设专人负责施工质量检测及质量记录工作，及时记录开挖区域土质岩性，开挖断面的实际情况，发现问题及时反馈处理。
10.2.5安全、环保措施
（1）施工作业船只及水上作业人员安全作业岗位证件齐全，具有安全作业许可。
（2）5级以上大风天停止水上开挖作业。
（3）救生衣、救生圈等水上安全作业设施齐全，设有专职水上安全监护员。
（4）运油、储油油筒采用不漏的新筒，保持船上清洁，防止对水库的水体产生污染。　　
（5）船只上的工作人员，严禁向水库内抛弃废物以及生活垃圾等文明施工。
对于必须采取水下开挖的坚硬含碱性粘质土的引渠工程，采取用该种经改制的挖泥船进行开挖，提高了功效，确保了工期，降低了工程施工成本，解决了水下开挖粘性土质引渠技术难题。

10.3齐齐哈尔通阳街污水泵站工程
10.3.1、工程简况
齐市通阳街污水泵站工程，位于齐齐哈尔市区通阳街。本地区属松嫩平原低平原区，地势由西北略向东南倾斜。污水泵站工程主要包括管理房161m2、钢混沉井一个、钢混导水井一个。其结构形式为，管理房砖混、沉水井和导水井为钢混。站址处地面高程为147.80m。沉井的井壁厚度为0.5m，井深12.65m，其砼标号C30F250P6，井内径10m，刃脚高度0.95m，底宽0.15m，刃脚部位最大厚度为0.7m，封底砼标号为C25。地下水位142.00m，沉井刃脚底设计高程为135.35m，即封底时沉井内的水深为6.7m～7.0m，封底砼的厚度为1.3m～1.6m。
10.3.2、基坑水下开挖施工
在设计位置预制沉井，当沉井井壁砼强度达到70%后开始进行沉井下沉施工，井内土料采用人工对称开挖，配合16t吊车吊筐外运。
为保证沉井在下沉过程中的相对位置和垂直度，在井壁内侧沿周长等距离挂4条铅垂线，在整个下沉过程中随时监控4条垂线的垂直度及时调整下沉方向。
当下沉到地下水位后在沉井内对称挖集水坑，采用水泵明排降低地下水位，然后继续人工对称挖土下沉。为保证降水的连续性，随时备用4台水泵在井内待用。随着沉井的下沉地下涌水量不断增加，随时增加水泵数量。
根据岩土工程勘察报告，高程140.82m至135.32m为粉细砂及圆砾层，适合抽砂船作业。抽砂船座落在井中间，将沉井中间部位的砂砾抽出，形成锅底坑，刃脚靠井壁的自重逐渐下沉，再抽砂，再下沉，直至下沉到设计标高。然后停止抽砂，用抽砂船大致整平，满足设计要求即可。
当沉井下沉到设计高程后，把井内做成设计的锅底形状后再把水泵及抽砂船逐个撤出使水位渐渐的恢复到地下水位高程142.00m，待水位稳定后开始进行水下封底砼的施工。