徐方勇

（中國(guó)電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300384）

1 工程概況

該工程位于霍山縣新建北外環(huán)路高橋?yàn)扯紊?，雙灣大橋在路線K6+100～K6+750東西向跨越東淠河，主河槽寬度約600m，浸灘約300m，橋全長(zhǎng)923.8m，橋?qū)?6.5m，共25跨。其中5-21#橋墩位于河道內(nèi)，系梁及墩柱施工采用36m×6.5m鋼板樁圍堰，河水深6～10m，圍堰內(nèi)需要清底約3m深，內(nèi)基坑清理完成后深9～13m，施工作業(yè)平臺(tái)距圍堰底14～18m，圍堰內(nèi)有6道鋼支撐，底部有6根直徑1.8m的樁基礎(chǔ)。河床主要覆蓋中粗砂、卵石，層厚為4.8～9.9m，卵石粒徑為2～20cm。

2 方案比選

鋼圍堰內(nèi)清底工序是制約后期整個(gè)工期的關(guān)鍵，為了盡快進(jìn)行系梁墩柱的施工工作，加快鋼板樁圍堰周轉(zhuǎn)，縮短工期、節(jié)省成本，對(duì)現(xiàn)有水下清淤施工技術(shù)進(jìn)行了比較和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。目前鋼圍堰內(nèi)清底現(xiàn)有施工技術(shù)有氣舉吸泥法、長(zhǎng)臂挖掘機(jī)清挖法等。由于該工程鋼圍堰體積小，且圍堰內(nèi)有6根樁基礎(chǔ)及多道鋼支撐，采用挖泥船、水下挖掘類機(jī)械設(shè)備難以操作，若將圍堰內(nèi)的水排完后采用人工配合機(jī)械法清理，施工安全風(fēng)險(xiǎn)增大，且施工速度慢、費(fèi)用高。

為此，必須選擇一種體積小、地面控制水下吸泥的設(shè)備，比如潛水吸砂泵。先后采用了吸砂泵和常規(guī)氣舉吸泥法進(jìn)行了清淤效果試驗(yàn)。由于該河段距離下游橡膠壩僅230m，河底砂石固結(jié)，砂卵石層深厚，使用吸砂泵和常規(guī)的氣舉法吸砂排泥法剛開(kāi)始時(shí)排出泥沙效果很好，能高濃度輸送，但隨著清底深度增加，泥沙固結(jié)并夾雜鵝卵石，排砂濃度變低且吸砂泵葉輪容易被卵石卡死。試驗(yàn)表明潛水吸砂泵和常規(guī)氣舉吸泥法只能將基坑內(nèi)表層泥沙排出，不能滿足施工需要。

為提高清淤設(shè)備的效率，降低清淤施工成本，對(duì)常規(guī)氣舉裝置進(jìn)行了改進(jìn)，給原有氣舉裝置增加了高壓水射流和機(jī)械攪拌裝置，很好地解決了砂石層固結(jié)問(wèn)題，順利地把砂卵石排至鋼圍堰外。

3 聯(lián)合氣舉裝置設(shè)計(jì)說(shuō)明

3.1 氣舉定義及工作原理

氣舉是利用供氣設(shè)備向管道內(nèi)注入高壓氣體將泥沙舉升至圍堰外面排出。其原理是用空壓機(jī)供氣，通過(guò)空氣緩沖罐用高壓軟管連接鋼管進(jìn)入排泥管下口附近，注入管道內(nèi)的高壓氣體與泥沙混合，在管內(nèi)和管外形成強(qiáng)大氣壓差，將泥砂順管“舉”出圍堰外。

3.2 聯(lián)合氣舉裝置的組成

聯(lián)合氣舉裝置包括空壓機(jī)、穩(wěn)壓罐、排泥管、攪拌裝置、高壓噴水裝置?？諌簷C(jī)進(jìn)氣管的起始端連接在空壓機(jī)的出口，進(jìn)氣管的末端位于排泥管的下端管口附近；支架固接在排泥管的下端；攪拌裝置安裝在支架中，攪拌裝置包括兩個(gè)電機(jī)和兩個(gè)攪拌頭；電機(jī)支撐安裝在支架中，每個(gè)電機(jī)的輸出軸上連接一個(gè)攪拌頭；噴水裝置包括一個(gè)高壓水泵，高壓水泵的出口連接兩根出水管，出水管的下端卡接在支架上（見(jiàn)圖1、圖2）。

圖1 聯(lián)合氣舉清淤裝置系統(tǒng)圖

圖2 A部分放大圖

3.3 聯(lián)合氣舉裝置設(shè)備選擇

（1）氣舉設(shè)備。氣舉設(shè)備選用的螺桿空氣壓縮機(jī)，容積流量12.4m3/min，額定排氣壓力0.8MPa。為保證氣壓穩(wěn)定和使用安全，采用容積2.1m3的空氣緩沖罐，通過(guò)緩沖罐用一根φ30mm高壓軟管連接鋼管給向排泥管供氣，為防止進(jìn)氣管堵管和阻擋砂石，進(jìn)氣鋼管斜向上進(jìn)入排泥管。為減少卵石堵塞排泥管，管道采用直徑φ300mm的鋼管，為適應(yīng)不同水深和方便拆卸清理，管道采用法蘭連接，長(zhǎng)度根據(jù)空壓機(jī)清孔覆蓋范圍和基坑深度決定。

（2）高壓射水裝置。高壓射水裝置包括高壓水潛水泵、出水管和噴嘴，用φ50mm鋼管將高壓水泵出水口引至排沙管下口兩側(cè)，并用φ50mm×20mm的異徑管作為噴嘴，利用高壓泵噴射流擾動(dòng)固結(jié)泥沙。

（3）攪拌裝置。攪拌裝置包括兩個(gè)電機(jī)和兩個(gè)攪拌頭，每個(gè)電機(jī)的輸出軸上連接一個(gè)攪拌頭；電機(jī)需采用380V、7.5kW、防水等級(jí)IPX8級(jí)的電機(jī)防水電機(jī)；攪拌葉輪選用高硬度的高鉻鑄鋼材質(zhì)，耐磨、耐腐，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。攪拌裝置用鋼支架固定在排泥管上，用以擾動(dòng)固結(jié)砂石層，配合高壓水射流在排泥管周圍形成介質(zhì)比重大的湍流，通過(guò)排泥管排至圍堰外。

3.4 清淤程序

該工程中由于圍堰空間小、鋼支撐多，為提高效率，清淤裝置使用時(shí)采用吊車配合，將該清淤裝置放入圍堰內(nèi)，氣舉裝置中的空壓機(jī)和緩沖罐放置在水面上的操作臺(tái)，待設(shè)備攪拌裝置到達(dá)砂面時(shí)，開(kāi)啟空壓機(jī)開(kāi)始供氣，注入排泥管內(nèi)的高壓氣體與泥沙混合，在管內(nèi)和管外形成強(qiáng)大氣壓差，將泥沙排出；再根據(jù)排泥濃度確定開(kāi)啟高壓水泵和攪拌裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓使其達(dá)到最佳排沙效果，通過(guò)排泥管下水深度判斷清底高程。該清淤裝置應(yīng)用于體積較大區(qū)域作業(yè)時(shí)可在圍堰上架設(shè)導(dǎo)軌滑動(dòng)操作。

4 氣舉設(shè)備匹配性理論驗(yàn)算

4.1 驗(yàn)算依據(jù)

取臨界值：管內(nèi)外壓力平衡時(shí)存在如下關(guān)系式：

式中：ρ混為正常吸泥過(guò)程中排泥管內(nèi)混合物密度；hf為沿程水頭損失；hb為彎頭局部水頭損失；h0為禁止?fàn)顟B(tài)下壓力平衡時(shí)混合物的高度。

混合物最初獲得的動(dòng)能最后轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和排泥高度所具有的的勢(shì)能。能量守恒公式：

式中：m混為混合物質(zhì)量；v混為混合物獲得的平均速度；h1為實(shí)際混合物的排泥高度。

4.2 驗(yàn)算過(guò)程

（1）混合物的平均流速：

式中：V混為每分鐘排出混合物的流量。

經(jīng)過(guò)施工中分析知，吸泥過(guò)程中，設(shè)備排出的混合物的流量V混=3.5m3/min，排泥管直徑為φ300mm，則r=0.15m，求得v混=0.83m/s。

（2）求混合物密度ρ混（體積數(shù)據(jù)取1min內(nèi)輸出量）。

取ρ砂=2.0g/cm3，ρ水=1.0g/cm3；用于圍堰內(nèi)補(bǔ)水的離心泵流量160m3/h，V水=160/60=2.67m3/min；V砂=V混-V水=3.5-1.67=0.83m3/min；空壓機(jī)供氣系數(shù)取0.8。求得ρ混=0.32g/cm3。

（3）求沿程水頭損失hf。管斷面為圓形，則：

式中：hf為沿程水頭損失；f為圓管摩阻系數(shù)，f=8gn2/R1/3；D為圓管直徑；R為水力半徑，R=D/4；n為糙率系數(shù)，查表取0.014；L為沿程長(zhǎng)度，L=20m。求得hf=0.085m。

（4）求局部水頭損失hb。

式中：fb為損失系數(shù)，彎管角度為90°時(shí)fb=1。

求得：hb=0.035m。

（5）把v混代入能量守恒公式（2），根據(jù)基坑深，取h1=15m，求得h0=15.07m。

（6）把h0和hf+hb帶入壓力平衡公式（1）求得h水位差=3.1m。

得出結(jié)論：在采用上述選定設(shè)備時(shí)，當(dāng)鋼圍堰內(nèi)水位差大于3.1m時(shí)，吸泥深度即可達(dá)15m，且水位差越大吸泥深度越大，由此理論驗(yàn)算，說(shuō)明該工程氣舉法所選設(shè)備規(guī)格、性能是匹配的、合理的，滿足工程要求。

5 聯(lián)合氣舉清淤法的優(yōu)越性

該套聯(lián)合氣舉清淤法有以下明顯優(yōu)越性。

（1）和傳統(tǒng)清淤工藝相比，該聯(lián)合氣舉清淤裝置中未配置砂石泵，避免了卵石、石塊等較大固體卡塞吸砂泵葉輪損壞設(shè)備的問(wèn)題，且該清淤法具有操作簡(jiǎn)單、安全環(huán)保、低耗高效、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

（2）該聯(lián)合氣舉清淤法在吸泥管底口兩側(cè)加裝了攪拌裝置和高壓射水裝置，利用輔助裝置對(duì)板結(jié)的砂石層進(jìn)行破碎鉆進(jìn)和攪拌，不僅大大提高了清淤效率，且大大增加了該清淤法對(duì)不同質(zhì)地的適應(yīng)范圍。

6 結(jié)束語(yǔ)

在該工程中通過(guò)研究和試驗(yàn)，改進(jìn)了一套聯(lián)合氣舉清淤施工工藝，解決了鋼圍堰深基坑內(nèi)砂礫石清理的施工技術(shù)問(wèn)題。在清淤過(guò)程中對(duì)排出的砂卵石尺寸進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，大部分集中在60～80mm，最大尺寸不超過(guò)150mm。該套聯(lián)合氣舉清淤施工工藝實(shí)現(xiàn)了具有比潛水砂石泵、常規(guī)氣舉法吸泥法更為優(yōu)越的使用價(jià)值和適用范圍，除用于圍堰內(nèi)清淤外，還可以用于河道清淤、水庫(kù)大壩泥沙清理、各類沉淀池清理等，可在類似清淤工程中推廣應(yīng)用。