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        管道輸水工程開槽穿越河流的開挖及降排水研究

        2017-02-05 02:21:05陳亮
        東北水利水電 2017年1期
        關(guān)鍵詞:井點(diǎn)挖泥船挖掘機(jī)

        陳亮

        (遼寧省水利廳,遼寧沈陽(yáng)110003)

        管道輸水工程開槽穿越河流的開挖及降排水研究

        陳亮

        (遼寧省水利廳,遼寧沈陽(yáng)110003)

        河流穿越工程成功與否的關(guān)鍵工作是施工導(dǎo)流與施工期降排水。遼河穿越工程施工,采用挖掘機(jī)結(jié)合挖泥船的開挖方案,在保證效率的同時(shí)降低了成本;采用井點(diǎn)降水的方式,在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),合理確定井點(diǎn)降水參數(shù),成功在2.5 km的河床內(nèi)實(shí)現(xiàn)全部干地施工;通過(guò)科學(xué)合理的導(dǎo)流、降水、開挖方案,成功壓縮工期4個(gè)月,節(jié)約建設(shè)成本約300萬(wàn)元。

        管道輸水工程;穿越河流;挖泥船開挖;井點(diǎn)降水

        1 工程概況

        河流穿越工程作為各類線性工程的組成部分,決定著工程的建設(shè)工期與經(jīng)濟(jì)效益,甚至整個(gè)工程的成敗,而河流穿越工程的施工期降排水是決定整個(gè)工程成敗的關(guān)鍵。某工程穿越遼河段,位于遼寧省沈陽(yáng)市法庫(kù)縣境內(nèi),屬于遼河中游地區(qū)。工程從東至西穿越遼河,工程樁號(hào)C093+533.6—C096+050,線路長(zhǎng)2.5 km,設(shè)計(jì)采用4根直徑3.2 m的鋼管同槽布置,鋼管外包鋼筋混凝土。主河床寬度為170 m,其余皆為灘地施工。鋼管單節(jié)長(zhǎng)度12 m,重24 t/節(jié),焊接接口。

        管道工程穿越河流的方式,主要分開槽施工和不開槽施工兩大類,該工程根據(jù)工程實(shí)際并結(jié)合投資評(píng)價(jià),采用開槽施工方式。

        2 水文氣象及地質(zhì)條件

        工程所在地區(qū)多年平均氣溫為6.8℃,最高氣溫為35.9℃,最低氣溫為-30.5℃。最大凍土深度大于1.50 m。遼河枯水期汛后流量為229 m3/s。

        管道斜穿河道,地貌單元為河漫灘地貌,主要由第四紀(jì)全新統(tǒng)沖洪積組成,地勢(shì)開闊,地形起伏較大,地面高程67.0~72.5 m,在穿越段附近,河流成S形流向下游側(cè),分別于左岸穿越段的下游側(cè)及右岸穿越段的上游有河道變化形成大型河灣水域與主河道相連;河道兩側(cè)建有防洪堤壩。

        地下水位埋深為2.6~3.0 m,河床與河道兩側(cè)地下水位標(biāo)高相差不大。地下水類型為第四系孔隙潛水,主要接受大氣降水及地表水補(bǔ)給,并以地下水徑流的方式排泄于下游,主要含水層為粉細(xì)砂層,中等透水性,洪水期河水補(bǔ)給地下水。2013年8月16日特大洪水后,地下水埋深明顯提高,目前實(shí)測(cè)埋深約為1.2 m。

        飽和粉細(xì)砂地層施工中易產(chǎn)生流砂、管涌等現(xiàn)象,并且具有高度的靈敏度、觸變特性,極易造成沉降過(guò)大或塌方現(xiàn)象。

        遼河主河床段與管線穿越段橫斷面地形相對(duì)河灘部分略低,最大高差為3 m,最小高差為1 m,斷面有不規(guī)則起伏,河床斷面最大通水量為220 m3。

        3 施工降排水

        3.1 溝槽降排水

        地下水控制工程的主要方法有基坑明溝排水、輕型井點(diǎn)降水、噴射井點(diǎn)降水、電滲井點(diǎn)降水、深井井點(diǎn)降水等幾種。該工程結(jié)合實(shí)際情況,選擇輕型井點(diǎn)降水作為主要降水措施。

        輕型井點(diǎn)降水系在工程處圍豎向埋設(shè)一系列井點(diǎn)管深入含水層內(nèi),以連接管與集水總管連接,再與真空泵相連,進(jìn)行抽水,使地下水位降低到基坑底以下。主要設(shè)備由井點(diǎn)管、連接管、集水總管及抽水設(shè)備等組成。該法具有機(jī)具設(shè)備較簡(jiǎn)單,使用靈活,裝拆方便,降水效果好,可防止流砂發(fā)生提高邊坡穩(wěn)定,降水費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)。[7]

        重要的參數(shù)有滲透系數(shù)、井點(diǎn)布置、埋置深度、涌水量計(jì)算等,下面分別予以簡(jiǎn)要介紹。

        3.1.1 滲透系數(shù)

        根據(jù)建筑施工計(jì)算手冊(cè)表3-1,結(jié)合工程的地質(zhì)條件,滲透系數(shù)K值在1~20 m/d之間,結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn),該工程取6 m/d。

        3.1.2 井點(diǎn)布置

        根據(jù)基坑平面形狀與大小、地質(zhì)和水文情況、工程性質(zhì)、降水深度等而定。當(dāng)基坑(槽)寬度小于6 m,且降水深度不超過(guò)6 m時(shí),可采用單排井點(diǎn),布置在地下水上游一側(cè);當(dāng)大于6 m或土質(zhì)不良、滲透系數(shù)較大時(shí),宜采用雙排井點(diǎn),布置在基坑(槽)的兩側(cè)。[7]

        結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)情況,該工程為單排布置,間距6 m,管徑30 cm。

        3.1.3 埋設(shè)深度

        工程溝槽最深13 m,要求地下水位降到槽底0.5 m以下,且基槽遠(yuǎn)離井點(diǎn)一側(cè)要求降深低于開挖基底不少于0.5 m,綜合考慮最小降深為13.5 m。

        管井的埋置深度應(yīng)根據(jù)降水深度及含水層所在位置決定,一般必須將濾水管埋入含水層內(nèi),并且比開挖基坑(溝、槽)底深0.9~1.2 m以上。

        式中:H——井點(diǎn)管的埋置深度,m;H1——井點(diǎn)管埋設(shè)面至基坑底面的距離,取13 m;h——基坑中央最深挖掘面至降水曲線最高點(diǎn)的安全距離,一般為0.5~1.0 m;L——井點(diǎn)管中心至基坑中心短邊距離,m;i——降水曲線坡度,與土的滲透系數(shù)、地下水流量等因素有關(guān),根據(jù)工程實(shí)測(cè)確定位0.3;l——濾水管長(zhǎng)度,取2 m。

        H計(jì)算出后,為安全計(jì),再增加1/2濾管長(zhǎng)度。井點(diǎn)管露出地面高度,一般取0.2~0.3 m。經(jīng)計(jì)算,H≥20.7 m,取H=21 m。

        3.1.4 涌水量計(jì)算

        根據(jù)建筑施工計(jì)算手冊(cè),基槽滲水量:

        式中:Q——單井涌水量;K——滲透系數(shù);H0——有效帶深度;R——抽水影響半徑;S——水位降低值;X0——井點(diǎn)的半徑。

        根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可知,馬道處降水管井所覆蓋的溝槽寬度約36.5 m,溝槽長(zhǎng)度暫定為100 m,實(shí)際開挖時(shí)根據(jù)開挖長(zhǎng)度延長(zhǎng)管井布置位置即可。開挖溝槽的長(zhǎng)寬比小于5,故可以將開挖溝槽假想成為半徑為X0的大井,X0=(36.5×100÷3.14)×0.5 =34.1 m。經(jīng)計(jì)算,Q=6 321 m3/d。

        3.2 抽水設(shè)備選擇

        管井井點(diǎn)降水每一個(gè)管井單獨(dú)用1臺(tái)水泵進(jìn)行抽水以降低地下水位。由于工程降水深度較大,考慮到潛水泵安裝簡(jiǎn)便、耗能少、效率高、成本低,可采用深井泵式潛水泵。根據(jù)管井井點(diǎn)的進(jìn)水量,選用潛水泵型號(hào)為150QJ32-30。

        3.3 打井強(qiáng)度分析

        馬道開挖完成后,在馬道上開挖降水管井,管井間距為6 m,深度16 m,直徑30 cm,粉細(xì)砂部位采用粘土封口,膨潤(rùn)泥漿固壁成井。300 m溝槽共102眼井,根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),單臺(tái)打井機(jī)施工強(qiáng)度為4眼/d。投入5臺(tái)打井機(jī)用時(shí)5.2 d即可完成打井任務(wù),實(shí)際安排7 d。

        3.4 注意事項(xiàng)

        由于溝槽上開口較寬,溝槽四周地下水位比較高,在整個(gè)施工過(guò)程中不間斷有帶壓水流向開挖面,因此施工降水應(yīng)從挖泥船開挖完第二層上岸后開始,持續(xù)到分段回填施工結(jié)束。在該過(guò)程當(dāng)中,注意馬道處井點(diǎn)降水速度大于基坑底部降水,這樣可以保證地下水滲透壓力不會(huì)作用在溝槽邊坡上,從而保證溝槽邊坡穩(wěn)定。

        4 溝槽開挖

        4.1 穿越段施工斷面設(shè)計(jì)

        遼河穿越段溝槽開挖深度為8~12 m,溝槽分兩層布置,溝槽底層開挖高度為5 m,開挖坡比動(dòng)荷載一側(cè)1.00∶1.75,靜荷載一側(cè)開挖坡比為1.0∶1.5;溝槽底層上口寬34.5 m,兩側(cè)各預(yù)留2 m寬的馬道,溝槽頂層開挖高度為3~6 m,開挖坡比動(dòng)荷載一側(cè)1.00∶1.75,靜荷載一側(cè)開挖坡比為1.0∶1.5,溝槽頂口約寬59.3 m。穿越輸水管線為4× DN3200鋼管,管道設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa,管間距為4 m,管線路長(zhǎng)2 260 m,單節(jié)供應(yīng)長(zhǎng)度12 m,重24 t/節(jié)?;A(chǔ)為10 cm厚C20混凝土墊層,鋼管360°外包C30混凝土(直徑處50 cm厚);樁號(hào)C93+615.1~C94+890和樁號(hào) C95+067~C95+911為河灘部分,樁號(hào)C94+890~C95+067為主河床部分。斷面設(shè)計(jì)圖見圖1。

        溝槽土方開挖按照300 m一個(gè)循環(huán)進(jìn)行開挖,具體開挖分為3層,表層0.5 m部分土方開挖,采用挖掘機(jī)開挖,裝載機(jī)運(yùn)輸至表層土的堆土區(qū)。

        圖1 管線穿越縱斷面設(shè)計(jì)圖

        4.2 第一層開挖

        1)平面布置

        采用2臺(tái)液壓反鏟將開挖溝槽處的剝離表土以下4 m部分,沿縱向退挖甩土出槽后,再用裝載機(jī)運(yùn)至堆土區(qū)。 第一層開挖后初步形成的開挖溝槽,在溝槽蓄水后,為第二層挖泥船開挖創(chuàng)造下水作業(yè)條件。

        2)功效分析

        第一層開挖配備為3臺(tái)1.6 m3挖掘機(jī)和5臺(tái)ZL50裝載機(jī)。開挖深度4 m,開挖方量61 200 m3。采用挖掘機(jī)開挖、裝載機(jī)將開挖土倒運(yùn)至堆土區(qū),推土運(yùn)距最大140 m、最小100 m。

        裝載機(jī)每天工作20 h可運(yùn)土1 528 m3,5臺(tái)裝載機(jī)用時(shí)8.29 d可運(yùn)輸完成;挖掘機(jī)每天工作20 h,可挖土3 440 m3土方,3臺(tái)挖掘機(jī)5.9 d可完成開挖。施工周期按照9 d安排,平均每天開挖33 m。

        4.3 第二層開挖

        第二層開挖至溝槽底高程以上1 m,該層開挖高度6 m,溝槽深度按管道埋深6 m覆土考慮。主要采用挖泥船開挖,輔以挖掘機(jī)開挖,挖泥船開挖時(shí)預(yù)留馬道部分和邊坡開挖不到設(shè)計(jì)開挖邊線的部分采用挖掘機(jī)開挖整修到位。

        1)挖泥船

        穿越遼河土方開挖采用挖泥船開挖,挖泥船也可叫作抽沙平臺(tái),是指利用水力的作用,將高壓水槍噴射出的水柱沖起的淤泥(或細(xì)沙、海沙等)在水泵的作用下由管道輸送到目的地,船與抽沙設(shè)備一體,成本低、效率高,能從水下0~30 m抽沙;易可破泥層,從深水中提取泥砂。絞吸挖泥船具有挖掘、輸送和沙漿處理各個(gè)工序一次性完成的能力,能夠進(jìn)行連續(xù)抽砂作業(yè)。

        挖泥船在該層開挖過(guò)程中主要作用是降水和開挖最中間部位(運(yùn)距最遠(yuǎn))的土方,為了避免挖泥船開挖時(shí)造成邊坡塌方和超欠挖現(xiàn)象,開挖邊線略小于設(shè)計(jì)開挖邊線,開挖邊坡為1∶1,一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)度為300 m。挖泥船布置見圖2。

        圖2 挖泥船斷面布置示意圖

        2)液壓反鏟修整邊坡

        挖泥船在進(jìn)行第二層土方開挖時(shí),挖泥船開挖每層開挖深度為2 m左右,基坑水位隨著開挖高程降低而降低,即當(dāng)進(jìn)行挖泥船第二層開挖時(shí),其第一層開挖2 m邊坡已經(jīng)裸露出來(lái),由于挖泥船開挖基坑高程低于裸露邊坡,所以土壤中的地下水也滲透至開挖基坑中,裸露邊坡地下水含量比較低,此時(shí)采用傳統(tǒng)土方設(shè)備開挖,最終形成設(shè)計(jì)開挖斷面,見圖3。

        圖3 邊坡修整斷面布置示意圖

        3)功效分析

        該工序使用1700型挖泥船型挖泥船開挖。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)和廠家提供指標(biāo)可知,一臺(tái)挖泥船開挖強(qiáng)度為設(shè)備功率20%,由此可以及時(shí)每天工作20 h,1700型挖泥船日開挖6 800 m3/d。第二層開挖方量為52 500 m3,1臺(tái)挖泥船用時(shí)7.8 d即可完成開挖。考慮設(shè)備檢修等影響因素,該工序?qū)嶋H施工安排12 d。

        邊坡整修開挖方量為4 920 m3,1臺(tái)挖掘機(jī)用時(shí)1.5 d即可完成開挖。邊坡開挖和修整作業(yè)基本與挖泥船同時(shí)進(jìn)行,不占用總的直線工期,僅占用緊后工期。此工序使用挖掘機(jī)開挖和裝載機(jī)倒運(yùn),溝槽兩側(cè)各用2臺(tái)挖掘機(jī)開挖,每2臺(tái)通過(guò)倒運(yùn),其功效等于1臺(tái),另外2臺(tái)分別位于堆土區(qū)用于堆土,可以滿足開挖強(qiáng)度要求。

        4.4 第三層開挖(基底整修)

        挖泥船開挖溝槽時(shí),出于對(duì)基礎(chǔ)底部的保護(hù),溝槽底部留有1 m厚的土體,當(dāng)采用井點(diǎn)降水達(dá)到溝槽底部0.5 m以下時(shí),此時(shí)采用液壓反鏟結(jié)合裝載機(jī)等設(shè)備,開挖邊坡下半部分和溝槽底部,最終形成設(shè)計(jì)斷面?;撞糠珠_挖土通過(guò)裝載機(jī)運(yùn)輸?shù)綔喜鄣囊欢祟^。在溝槽端頭通過(guò)挖掘機(jī)進(jìn)行倒運(yùn),運(yùn)至溝槽上開口開挖邊線以外。

        4.5 土方開挖總結(jié)與注意事項(xiàng)

        采用土方設(shè)備和挖泥船結(jié)合作業(yè),不但可以提高開挖速度,減少土方倒運(yùn)量,降低施工成本,同時(shí)還可以有效控制開挖成形的控制,有效控制超挖,杜絕出現(xiàn)欠挖。

        施工前由測(cè)量工程師放出溝槽上口開挖邊線,在溝槽兩端設(shè)置開挖的兩端打樁做醒目標(biāo)記;推土機(jī)依照溝槽開挖線進(jìn)行表土的清理施工,開挖溝槽。

        溝槽開挖采用跳格法,依照劃分的施工段進(jìn)行溝槽開挖。

        挖泥船將高壓水槍噴射出的水柱沖起的淤泥(或細(xì)沙等)在水泵的作用下由排砂管道輸送到土方堆存區(qū)域,采用2 m3挖掘機(jī)進(jìn)行堆土。

        將開挖的表層土堆放在河流的迎水面一側(cè),在堆土的過(guò)程中,按照上述圍堰標(biāo)準(zhǔn)修筑施工圍堰。因河水已經(jīng)通過(guò)導(dǎo)流明渠排往下游側(cè),此圍堰作為施工安全防護(hù)措施存在。

        5 結(jié)語(yǔ)

        該工程按上述方案實(shí)施施工與降排水,2014年2月成功截流,2014年11月完成土方開挖112萬(wàn)m3、降水井840眼、管道安裝10 068 m、混凝土澆筑9.7萬(wàn)m3等主要建設(shè)任務(wù),成功實(shí)現(xiàn)了遼河穿越施工,并壓縮工期4個(gè)月,節(jié)約工程投資約300萬(wàn)元。

        通過(guò)對(duì)遼河穿越工程實(shí)例的介紹與分析,得出以下結(jié)論:

        1)河流穿越工程是線性工程的關(guān)鍵工作;施工導(dǎo)流與施工期降排水是河流穿越工程的關(guān)鍵工作;粉細(xì)砂類地質(zhì)條件適合井點(diǎn)降水,在理論計(jì)算基礎(chǔ)上結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),合理確定降水井參數(shù),實(shí)踐效果非常好,主河床內(nèi)能夠全部實(shí)現(xiàn)干地施工。

        2)溝槽開挖采用反鏟挖掘機(jī)與挖泥船相結(jié)合,在保證效率的同時(shí),提高了經(jīng)濟(jì)性,使工程成本大幅降低,值得系統(tǒng)研究及推廣。

        [1]何玉.大管徑PCCP管道穿越大型河流的施工技術(shù)[J].水利水電技術(shù),2015,66(10).

        [2]張宏偉,王澤.長(zhǎng)輸煤氣管道大開挖穿越河流的施工[J].煤氣與熱力,2003,23(5).

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        [4]張國(guó)慧,劉志強(qiáng).大伙房水庫(kù)輸水工程穿越太子河段鋼管施工[J].水利科技,2015(01).

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        2016-03-29

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