基于工期與流量平衡的基坑沖土泵送開挖水力機械配置技術*

周建民，柴干飛，危 鼎，陳志剛，何德海，周海貴，龔扎力根白音，危 松

(1.蕭山奧博投資有限公司，浙江 杭州 310000； 2.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200120)

1 工程概況

杭州奧體中心主體育館、游泳館項目位于杭州市蕭山區錢江世紀城，總建筑面積39.69萬m2，基坑開挖面積約15萬m2，土方量約200萬m3，基坑東西長560m，南北寬320m，開挖深度9～14m。該項目環保要求高，傳統土方開挖方法難以滿足工期及綠色施工要求，項目計劃采用水力機械配合土方機械的沖土泵送開挖方法，但必需解決工期要求與流量平衡問題。

2 工程地質條件

根據勘探結果可知，場地可劃分為9個工程地質層，包括20個工程地質亞層和4個夾層，本工程開挖區域主要開挖至土層②2，②4，開挖深度范圍內主要為砂質粉土，性能指標如表1所示。

表1 土層性能指標

3 基于工期的砂石泵配備分析

3.1 泥漿密度確定

為計算泵送泥漿出土效率需要知道高壓水槍沖出泥漿的密度，從而計算出每m3泥漿所含土的體積。為了計算準確，需使用現場施工產生土方的待測泥漿樣本，本項目在測試時使用計劃采用的水力機械設備與施工方法，在現場合適處沖出1個深度0.5m、容積大約10m3的泥漿坑，由于泥漿在不同深度處密度不同，使用自制泥漿密度計如圖1所示，便于在泥漿坑不同深度的多點位置對現場泥漿樣本進行測量，并計算平均值，泥漿的水土比計算步驟如下：從工程地勘報告中獲得現場飽和土容重G土(本項目值為1.9t/m3)；計算泥漿樣本中水土體積比β，取多次測量平均值，G水為水容重，一般取固定值1t/m3，本工程β取值為0.3 ～0.45m3。

圖1 自制泥漿密度檢測工具

3.2 砂石泵、清水泵選型及配備

根據計劃總工期和現場所需出土量，可計算得到為滿足工期需要而必須達到的日出土量S(m3)，根據實測泥漿密度可得泥漿中水土體積比β，再結合日出土量需求，可計算得到為滿足工期要求而必須實現的日泵送泥漿量。經計算，本工程日出土量需0.6萬m3，結合在本工程開挖工況下每m3泥漿中含有0.3～0.45m3的土，可計算得出本工程日泵送泥漿量至少需2.0萬m3。選擇流量為1 100m3/h、功率為280kW的砂石大泵2臺，12h連續作業。理論泵送泥漿量為2.64萬m3/d，出土量為0.8～1.2萬m3/d，根據砂石泵功率要求設置配電柜與機房確保砂石泵正常運轉。根據水與土的比例選擇清水泵流量，一般清水泵流量約為砂石大泵流量的0.5～0.7，本工程采用2臺流量為486m3/h、功率為110kW、揚程54m的清水大泵。現場安排2個土方隊伍，每個土方隊伍各配置1臺砂石大泵與清水大泵，每天12h輪班沖土作業，共配備24個高壓水槍手，16個清理垃圾雜工，6個電工，4個管理人員。

1套沖土設備包括若干個加壓與沿程增壓的砂石大泵、清水泵及若干排污管。本項目將泥漿從現場輸送到15km以外棄土場，1套沖土設備包括4個砂石大泵，1個清水大泵，15km長的PPC排污管，3個砂石小泵，3個清水小泵，12個高壓水槍手，若干各類管道。

泥漿被泵送到收納場后需要進行沉淀，沉淀出的清水經檢測達到相關標準后排入周邊河流，沉淀出的砂土需要倒運到更遠的渣土收納場所，因已經遠離城市中心，土方的處理費用可降至城市中心土方開挖費用的1/4～1/3。

4 考慮流量平衡的場地內水力機械配置

4.1 泵管選擇與場內布置原則

根據砂石泵揚程計算泵管的管內壓力，泵管可采用聚乙烯壓力管。本項目采用的聚乙烯壓力管，經檢測在20℃時14MPa靜液壓強作用100h可不裂不滲，而砂石泵在輸送管內產生的最大壓強為1.08MPa，泵管本身具有較大安全系數。采用10個φ16mm管道法蘭，可保證在14MPa靜液壓強作用下接頭不漏不滲。現場2個土方隊伍，根據勞務分區與主泵管只拆不加的原則，一次性沿場地周邊布置好場地內主泵管，盡可能減少以后移主泵管的次數。

4.2 高壓水槍與清水小泵配置

為了盡快形成下一道工序的工作面，需要在現場多地點同時沖土，這樣就需要在多點配置高壓水槍。本項目采用兩種方式配置高壓水槍。

1)方案1 如圖2所示，每臺110kW清水大泵直接與φ315mm PPC清水主管相連，清水主管一端與水源相連用于取水，另一端接轉換頭，轉換頭上接有9～12路支管接頭，支管接頭連接φ100mm PPC清水支管，清水支管末端接高壓水槍，高壓水槍利用清水大泵的泵壓沖土，9～12個高壓水槍分為3組在3處地點同時沖土，清水由水源、清水大泵、清水主管、轉換頭、清水支管再經人工操控的高壓水槍噴出沖土。

圖2 高壓水槍連接方案1

2)方案2 如圖3所示，采用清水大泵將清水抽到1個清水池中，再用3臺功率為45kW、揚程65m的清水小泵從清水池中抽水加壓沖土。

圖3 高壓水槍連接方案2

4.3 砂石小泵選擇與配置

在各沖土點抽走泥漿的砂石設備配置方式也有兩種，第1種方案如圖4所示：在各沖土點的泥漿坑里設置砂石小泵，砂石小泵的功率22kW、揚程34m。砂石小泵將泥漿坑里的泥漿抽至泥漿中轉池，泥漿中轉池通過φ400mm PPC泥漿主管與砂石大泵相連，泥漿通過砂石大泵加壓后往場外輸送，在場外輸送過程中泥漿可經過若干次加壓最終到達泥漿接納場。第2種方案如圖5所示，在各沖土點的泥漿坑里放置砂石小泵與φ400mm PPC泥漿主管直接相連，再與砂石大泵相連，泥漿直接通過砂石大泵加壓后往場外輸送，在場外輸送過程中泥漿也可經過若干次加壓最終到達泥漿接納場。

圖5 砂石小泵布置方式2

4.4 考慮流量平衡的清水泥漿共用水池配置

在利用高壓水沖土泵送泥漿的基坑開挖作業中，為保證系統的穩定性與沖土作業的連續性，可設置泥漿池與清水池，不斷地為高壓水槍提供清水，同時不斷地將施工現場產生的泥漿抽排出，一般泥漿池與清水池會設置兩個獨立的池體。經過實際操作發現，由于施工現場砂石小泵損壞、工人休息暫停沖土等因素，泥漿池的泥漿流入量經常會小于泥漿流出量，繼而導致泥漿池水位過低，發生砂石大泵空轉的情況。若根據泥漿水位頻繁地開關砂石大泵，又會縮短砂石大泵的使用壽命，整個泵管系統中的泥砂也易沉淀堵塞泵管。為解決這一問題，可使用泥漿清水共用中轉池，如圖6所示。

圖6 泥漿清水共用池立面

泥漿清水共用中轉池是1個由鋼板焊接而成的池體，池體的中部設有隔離板，隔離板兩側的空間分別形成泥漿池和清水池。隔離板上設有可開合的閘門，通過開啟閘門可使泥漿池和清水池連通，從而在泥漿池水位低的情況下，可通過打開閘門讓清水池內的清水流入泥漿池中，達到提升泥漿池水位的目的，泥漿池的底部設有泥漿攪拌裝置，避免泥漿沉淀。清水主泵管連接在清水池側面的上部，用于給清水池供水，清水流出管接于清水池側面的下部，用于給高壓水槍供水。泥漿流入管接于泥漿池側面的上部，用于把砂石小泵抽取的泥漿注入泥漿池，砂石大泵主泵管接于泥漿池側面的下部，用于把泥漿用砂石大泵抽至場外指定地點。

5 考慮水頭損失的場地外水力機械布置

為把泥漿泵送到場外指定的收納地點，需要在場外長距離布置輸送泵管。但在長距離泥漿泵送過程中，由于各種黏滯阻力與地形變化等因素，流體在泵送時會有壓力損失，即水頭損失，需要沿程設置增壓泵才能實現流體的長距離輸送。現有技術對密度變化的泥漿在泵送時水頭損失的預估通常只是理論值，經檢測與實際情況的偏差較大，因而在設置泥漿增壓泵時容易發生增壓泵數量過少導致無法輸送，或增壓泵設置過多造成資源浪費的情況。

5.1 沿程增壓泵揚程計算與配置

經過現場試驗，形成了長距離泥漿輸送增壓泵揚程計算與配置方法，步驟如下。

1)使用選定型號的增壓砂石泵，對現場沖出的泥漿進行泵送試驗，測量一定長度泵管段兩端的地形高度差、管內壓強差及管道長度，計算得到泥漿單位距離的水頭損失。

2)根據場地情況得到輸送距離及輸送起點與終點的高度差，然后根據泥漿每單位距離的水頭損失計算得到輸送中泥漿的總水頭損失。

3)根據總水頭損失及增壓泵的揚程計算得到所需的增壓泵數量及間距設置，并進行對應配置。根據測試，本項目需考慮較大的泥漿沿途輸送壓力損失。根據試驗與分析計算可得，本項目粉砂泥漿在聚乙烯壓力管道內由于摩擦沿途水頭損失為0.012～0.016m/m，15km的運輸管道由于摩擦總共需要損耗180～240m的水頭，需要沿程增壓3次，每次增壓揚程在50～60m。

5.2 場外沿程泥漿泵管布置

場外沿程輸送泥漿泵管的布置應以不影響交通與市政綠化為原則，若項目周邊河網密集四通八達，可把輸送泥漿的泵管部分或全部布置在河道內，泵管在河道內布置時可用柔性繩索拴住泵管，使泵管在一定范圍內可運動，確保泵管在泵送泥漿時可沉入河底，在排空泥漿檢修時又能浮出水面方便檢修。在過各種河閘時采取相應處理方法如懸掛、固定彎管等將泵管抬起，不影響河閘工作。

5.3 場外收容泥漿圍堰設置

場外泥漿輸送管最終將泥漿泵送至泥漿集中處理點，處理點的泥漿容量需根據泥漿日輸送量、泥漿沉淀速度及沉淀后渣土處理速度，由計算得到泥漿沉淀速度為泥漿沉淀后的清水達到國家四類水標準所需的時間。本工程圍堰的容量根據泥漿日輸送量及沉淀后粉砂處理速度確定為6萬m3。沉淀出的清水可用泵抽回至現場泥漿清水共用池中再次利用，或滿足排放要求后也可直接排到周邊的河道里。排完清水的渣土用土方車運輸到就近的渣土收集場地。通常至少需要安排2個泥漿集中處理點輪換使用。

為增加處理點的泥漿容量，一般需要在處理點周圍設置臨時圍堰，臨時圍堰的大小與高度由處理點的泥漿容量確定，圍堰做成梯形上窄下寬，上部寬度與蓄積泥漿高度成正比，圍堰由土分層碾壓堆積而成，在圍堰接觸泥漿的面，鋪設1層0.6mm的薄膜，防止泥漿滲入圍堰，在圍堰的中部與兩端設定觀測點，每天定時觀測圍堰的沉降與位移情況，當沉降>4cm、位移>2cm時報警停止泥漿輸入。

6 結語

超遠距離土方配制泥漿泵送運輸施工技術，可實現挖土與土方運輸作業不受天氣及時間的限制，可全天候作業，大大加快了施工進度。砂石泵及清水泵均為無污染的用電設備，無擾民的噪聲和廢氣污染，消除機械挖土所產生的噪聲、廢氣、揚塵及油耗，改善了勞動作業條件，符合綠色節能及環保要求。考慮了工期與流量平衡的場地內、外水利機械配置能在滿足工期的前提下，最大程度實現節約能源、保護設備、降低成本、增加效率的效果，具有良好的社會效益及應用前景。