1、水下坚硬土地基开挖施工工法1、前言水工建筑物施工时，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开挖功效极低，甚至无法开挖。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铁板砂水下开挖过程中总结了水下坚硬土地基开挖施工工法。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挖出输送至岸上。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
2、，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。2、工法特点2.1 施工功效高水位较高的坚硬地层水下土方开挖，受水深度的影响，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、挖出水面、水上输送于一体，开挖效率显著提高，施工费用较低。2.2 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
3、多种特殊土质及深水条件下的各种环境，投用的设备少。2.3 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，机动灵活。3、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。4、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翻松、挖出水面、水上输送于一体的水下开挖机械。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。5、施工工艺流程及操作要点5.1 施工程序水
4、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质量检测。5.2 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。5.3 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。5.4 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。5.5 基坑水下开挖5.5.1 岸边开挖一般江河
5、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，最大限度地减少用挖泥船进行水下开挖的工程量。5.5.2 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
6、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 5.5.2-1、5.5.2-2 如下：挖沙船开挖作业施工平面布置图 5.5.2-1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
7、180cm180cm180cm180cm开挖完成后地面高程线基坑开挖完成后的纵断面剖面图 5.5.2-1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，通过牵引绳前进。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采用自制浮船，如果有条件亦可使用承载力足够的拖船，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建筑物轴线对称设锚固钢丝绳的锚具，通过两岸连接的一对
8、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。固定于浮船上的两台 0.4m3长臂反铲挖掘机，一台固船一台翻松，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。4.5.4 粘土水下开挖方法对链斗挖沙船时行改造，在收砂前臂加设切土刀，为防止黏泥粘链斗影响效率，在链斗的背面焊接除泥齿装置进行料斗的辅助卸泥，船体下部设集泥箱，集泥箱内装有绞刀并设泥浆泵。在开挖区域的前后设锚，改型挖泥船通过钢丝绳固船并起到牵引的作用，层层开挖，直到设计深度。在水下土方开挖作业过程中，在集泥箱处设自动控制液面高度的加水装置，自动上水，实现切土刀切土，链斗挖泥，集泥箱收泥，绞刀搅拌打碎泥团，泥
9、浆泵排泥联合作业。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。6、材料与设备6.1 主要材料钢丝绳、钢管、型钢、钢板、绞刀、油筒、排泥管、浮筒、锚。6.2 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、链斗式挖沙船。7、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，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
10、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。8、安全措施8.1 现场施工作业人员须提前进行安全教育，船员持证上岗。施工作业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，5 级以上大风天停止水上开挖作业。8.2 船边设置防护栏杆，防护栏杆高度1.1m，长臂挖掘机在浮箱上保证留有足够的工作面。8.3 船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、杆、绳子等若干，保证水上安全作业设施齐全。8.4 在施工区域周围备用 2 条工作船，以备应急时
11、用。8.5 及时与当地海事部门联系，取得水上水下施工作业的支持与帮助。8.6 水上开挖要设专人看护，设专职安全员 2 名，24 小时不间断地进行现场检查、监督、指导。9、环保措施9.1 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。9.2 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。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。9.3 加强施工现场管理，现场设备、材料堆放合理整齐，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。9.4 合理规划施工现场，开挖弃
12、渣堆放整齐。经常对施工排水通道及道路进行维修、养护，保证水路及施工道路畅通、完好。9.5 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。10、效益分析10.1 经济效益分析水下坚硬土地基开挖施工工法不但缩短了排降水时间，施工工效较传统的水下开挖措施显著提高了，施工成本降低。10.2 社会效益分析水下坚硬土地基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，低碳环保，社会效益明显。10.3 技术效益分析水下坚硬土地基开挖施工技术的应用和推广，解决了长期困扰施工领域水下粘土及硬质土开挖技术难题，
13、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。11、应用实例11.1 北引渠首泄洪闸工程11.1.1 工程概况泄洪闸工程位于北引渠首枢纽轴线桩号（2+473.5-2+69 处嫩江主河道上，共 12 孔，每孔净宽 16m，总净宽 192m，由进口段、闸室段、消力池段、海漫段组成。由于基底承压水头高，渗透系数大(500m/d)，经过多次专家技术论证，采用水下开挖基坑，水下浇筑混凝土压重基础处理施工方案，于 2010 年末已完成主体工程的基坑水下开挖及封底混凝土施工。11.1.2 开竣工日期开工时间为 2009 年 11 月 22 日，竣工时间为 201
14、1 年 10 月 31 日，基坑内水下土方开挖完工日期为 2010 年 8 月 31 日。11.1.3 实物工程量本工程的主要工程量为：土方开挖 2003500m3，水下土方开挖 1082458m3，占总开挖土方量的 54%。主体工程基坑内水下土方开挖工程量约为 26 万 m3，其中级配良好砂砾石开挖 18 万 m3，粘土水下开挖 57379m3，其它土水下开挖 22621m3。11.1.4 应用效果及存在问题主体基坑土方开挖采取的是挖掘机及挖泥船联合施工作业的方式，中间部位先用长臂挖对中密的铁板砂进行翻松，再用挖泥船进行开挖。粘土水下开挖采用改型挖泥船进行开挖。岸边位置采用单勾、反铲及长臂挖
15、掘机进行开挖。实践证明，选用合理的施工方法，合适的施工机具，不仅加快了施工进度而且保证了工程的施工质量、安全，具有很好的推广应用价值。11.2 大庆石化红旗泡泵站引渠水下开挖11.2.1 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143.50146.00m。11.2.2 开竣工日期本工程开工日期为: 2007 年 5 月 10 日，竣工日期为: 2007
16、 年 11 月 30 日。11.2.3 水下开挖工程量为 158586m311.2.4 应用效果及存在问题开挖区域内的地层岩性主要以第四系更新统冲积层（alQ 3）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。经技术经济分析，采取改装链斗式挖泥船开挖。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。本工程采取分段分层开挖方法，每段为 50m 长，每层 50cm
17、（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。施工作业结束，随之将定位桩拆除。本工程采用改装链斗式挖泥船进行水下开挖不仅提高了功效，解决了引渠水下开挖技术难题。11.3 齐齐哈尔通阳街污水泵站工程11.3.1、工程概况齐市通阳街污水泵站工程，位于齐齐哈尔市区通阳街。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 6.7m7.0m，封底砼的厚度为1.3m1.6m。
18、11.3.2 开竣工日期开工日期: 2005 年 7 月 10 日，竣工日期: 2005 年 11 月 10 日。11.3.3 水下开挖土方量为 2283 m311.3.4、应用效果及存在问题根据岩土工程勘察报告，地基高程 140.82m 至 135.32m 为粉细砂、铁板砂及圆砾层，所以选用了抽砂船作业。抽砂船座落在井中间，在抽砂船枪头部位安装铁板砂破碎装置，人为提前把水下铁板砂打碎，再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。此工法在齐市通阳街污水泵站工程进行了成功应用，实践证明，选用合理的施工方法，合适的施工机具，不仅加快了施工进度而且保证了工程的施工质量、安全，具有很好的推广应用价值。水下坚硬土地基开挖施工工法编制单位：黑龙江省水利水电工程总公司
