徐玉桂，張 軍，王志華，申志福*

（1.南京江北新區(qū)中心區(qū)發(fā)展有限公司，江蘇 南京211899；2.南京工業(yè)大學 交通運輸工程學院，江蘇 南京211816）

引言

隨著立體城市開發(fā)理念的深入實踐，高層建筑地上室、綜合管廊、地上商場、地上交通樞紐等地上空間開發(fā)工程在全國各大、中型城市快速推進。部分城市在區(qū)位優(yōu)勢明顯的區(qū)域規(guī)劃了大規(guī)模、集中連片地上空間開發(fā)，如南京江北新區(qū)核心區(qū)、廣州萬博商務區(qū)等。地上空間集中開發(fā)周期短，土方量大，這必然引起短期內巨量土方的消納難題。傳統機械土方開挖方式效率低、工期長、土方運輸難，地上空間開發(fā)造價極高；棄土一直以來采用卡車運輸，形成了龐大的重型渣土車隊伍，對市政道路、交通安全構成極大隱患，并造成城市環(huán)境污染等一系列問題。過去，工程棄土一般采用集中堆填處理；而目前，有限的棄土受納空間與不斷增長的棄土產量間形成了強烈矛盾，棄土受納堆放成為城市建設難題?！皟A倒難”導致“亂傾倒”，伴隨著大量“非法受納場”而來的是耕地、林地、河流被破壞、被污染，形成了“棄土圍城”的局面。無序堆納甚至可引發(fā)如滑坡等重大災難。

因此，革新地上空間集中開發(fā)中的土方工程技術成為降低工程成本、提高開發(fā)效率的關鍵。本文介紹一套適用于集中連片地上空間開發(fā)中的基坑土方工程新技術，包括土方水力沖挖、棄土高效運輸、棄土資源化利用三個緊密銜接的部分。首先介紹該套技術的原理和關鍵技術，隨后介紹其在工程實踐中的應用。

1 基坑土方水力沖挖技術

1.1 基本原理

水力沖挖是利用水泵產生高壓水流并由水槍射流將土方在原位切削、破碎、混合形成泥漿，并由泥漿泵吸排至地表泥漿池的土方開挖方法[1]。水力沖挖工藝設備由水泵、高壓水槍、切削頭、泥漿泵、軟管、泥石分離制漿機等組成。當土質較軟、含水量高時，可直接采用高壓水槍切削、破碎、混合土體，由泥漿泵吸排。當土質較硬時，可配合切削頭一邊絞碎土體、一邊加水混合攪拌制漿，也可由挖掘機配合翻挖，再利用高壓水槍將土塊切削、破碎、混合，然后由泥漿泵吸排。

此外，一般表層多為素填土或雜填土，含較多不同粒徑混凝土塊、碎磚塊、塊石等；部分較深地層中可能含較大卵、礫石甚至更大的孤石。這類土層不適宜直接使用水力沖挖法，但可采用水力切削松動土體并（或）由挖掘機挖土，通過泥石分離設備進行制漿，分離出的固體物可作為場內道路、內支撐、底板墊層，也可運輸至破碎廠破碎后作為道路水穩(wěn)層、混凝土骨料等?；觾人嗤良庸虆^(qū)土方宜采用挖掘機送入泥石分離制漿機進行絞碎、制成泥漿。

水力沖挖技術流程如圖1所示。由技術原理可知，該方法適用于飽和砂土、飽和黏土為主的場地中有支護基坑的土方開挖。不適用于濕陷性黃土、鹽漬土、膨脹土、遇水軟化巖、地上水位較深場地的基坑工程。

圖1 水力沖挖技術流程圖

1.2 技術要點

施工前，應對各層土的可沖挖性質進行詳細分析。當現場地質條件極為復雜、土質堅硬時，應進行試沖挖，并對試挖條件和參數做好監(jiān)測和記錄，對試挖的效能和設備的性能作出評價。

當沖挖拌和泥漿性狀較好時，采用泥漿泵將泥漿抽取至泥漿池；當泥漿較稀不利于泥漿泵工作時，宜用渣漿泵進行抽取作業(yè)。

水力沖挖也應按照分層、分段、分塊、對稱、均衡、限時的方法，確定沖挖順序；應采取可靠測量措施控制沖挖深度，每層支撐底標高以上30-50cm厚土層預留不沖挖，該土層用人工和挖掘機配合開挖，確保不發(fā)生超挖土方、少擾動坑底土體。開挖過程中的臨時邊坡坡度按計算確定并考慮動水沖刷坡表效應。沖挖好的土體需采取土工布覆蓋等形式確保開挖面不坍塌、不滑坡。

水力沖挖與疏干降水宜穿插作業(yè)。水沖法施工過程中坑內土體無需進行疏干降水，當沖挖至支撐梁底或結構底板底以上0.5m時再進行疏干降水，降至結構底標高以上1m。水力沖挖過程中應注意保護基坑內降水井；沖挖過程中每半天啟動一次排水泵持續(xù)20分鐘，防止降水井因泥漿進入而發(fā)生淤積。高壓水槍沖挖至降水井周邊1m范圍內即停止，管井外圍土體留作機械或人工整修時開挖，防止泥漿倒灌影響管井降稅效率，預防死井。降水井及井點降水抽出的水可匯集到蓄水池后采用高壓水泵供給高壓水槍沖挖土方，物盡其用。

在水力沖挖具備一定作業(yè)面后，應采用挖掘機及時破除支撐梁墊層混凝土，防止重物墜落。挖掘機在基坑內破除支撐梁墊層時，由于基坑內表層土基本處于飽和狀態(tài)，挖掘機極易發(fā)生沉陷事故，必要時須鋪設鋼板。

水力沖挖過程中應著重關注是否發(fā)生流砂、涌土或坑底隆起失穩(wěn)；一旦發(fā)生，應立即停止基坑挖土，進行堆料反壓。土方沖挖過程本身為帶水作業(yè)，沖挖土方時可將地上連續(xù)墻或圍護樁沖刷干凈，有利于觀察墻體是否有滲水、裂縫、變形等現象。

1.3 與傳統的機械土方開挖對比

與傳統的挖掘機開挖、倒土相比，水力沖挖開挖土方速度快、效率高，且降低揚塵及減少噪音優(yōu)勢明顯，兩者詳細對比如表1所示。

表1 機械開挖與水力沖挖對比

2 棄土高效運輸

傳統的土方工程在施工現場裝運卡車，利用卡車陸運方式運輸至指定的渣土堆填場地。眾所周知，傳統的土方運輸方式可能引起道路損壞、環(huán)境污染、交通擁堵及事故、監(jiān)管困難以及堆填事故等諸多問題。

相比較于棄土的傳統處置方式，水力沖挖形成的泥水混合物采用密閉管道運輸則不存在以上問題。如圖2所示，棄土管道運輸的基本原理是將土方開挖作業(yè)面沖挖出的泥漿和通過泥石分離制漿機制作的泥漿，通過輸泥軟管輸送至加壓站前的集漿池，泥漿集中后由加壓泵通過輸泥主管道輸送至臨時堆放區(qū)供資源化利用，或直接運送至吹填區(qū)進行生態(tài)堆填。在臨近航道區(qū)域，可將管道運輸與船運相結合，實現更大范圍棄土的經濟運輸，便于后期資源化利用。與卡車運輸相比，管道運輸在技術、成本、環(huán)境等方面有顯著優(yōu)勢，二者詳細對比見表2。

表2 卡車運輸與管道運輸的效益比較

3 棄土資源化利用

3.1 棄土利用現狀

傳統的棄土利用路徑包括吹填造地，礦坑生態(tài)修復，路堤回填，低洼地改造等，相當于將棄土作為巖土工程回填材料[2-3]。沿海、沿江等經濟發(fā)達地區(qū)地上空間開挖產生的棄土、水力沖挖的棄土含水量高、流動性強，雖可進行一定的泥水分離處理，但含水量仍很高，很難采用傳統的利用方式消納，也難以直接參與區(qū)域土方平衡。因此，目前對棄土的利用比例很低，利用水平不高，資源化產品開發(fā)深度不夠。本節(jié)介紹棄土資源化利用的主要途徑，如圖3所示。

圖2 棄土運輸路徑示意圖

3.2 棄土固化

將高含水量棄土與固化劑混合可形成強度明顯提高的優(yōu)質回填土。固化劑以水泥為主要成分，外加劑可包括粉煤灰、礦渣、水玻璃、石膏、生石灰、硅粉等固廢材料。將棄土與固化劑和EPS顆粒（聚苯乙烯泡沫，一種輕質固體廢棄物）混合，可形成輕質高強的EPS回填土，其強度和變形特性具有可控性，可以根據工程需要選擇合適的配比以滿足不同力學特性要求[4-5]。這些優(yōu)質回填土可作為路堤、地上結構回填材料等。

3.3 輕質陶粒生產

發(fā)泡燒結陶粒是通過高溫燒結棄土與外加劑混合物形成輕質粒狀材料。陶粒在回轉窯中經800-1050℃高溫燒結過程中，部分成分轉換為氣體迫使顆粒膨脹，形成蜂窩狀的氣孔結構，外表面熔化燒結形成較堅硬的外殼，最終形成一種疏松多孔的輕質顆粒。陶粒具有核-殼結構，陶粒輕質性源自核心顆粒的多孔結構，高強性由外殼與內核材料強度共同控制。燒結陶粒過程耗能較高。為此，已有學者開展免燒輕質陶粒制備研究，其核心是以免燒方式形成多孔內核以及核-殼結構組合[6-7]。

3.4 輕質陶粒應用

自1960年來，輕質陶粒在美國就已被廣泛用作土工回填材料[8]。試驗表明，陶粒土（由陶粒構成的粗粒土）的內摩擦角大于35°，表觀粘聚力約為10kPa[9]，陶粒土與土工格柵的界面摩擦角高達48°[10]。陶粒土密度低，內摩擦角高，透水性好。陶粒土作為回填材料可減小甚至消除附加應力、減少墻背土壓力，在軟土路堤、擋墻結構、邊坡工程等工程實踐中都有極大應用潛力，是一種優(yōu)質土工回填料[11]。

圖3 棄土資源化利用示意圖

以陶粒為起點可進一步開發(fā)一系列綠色生態(tài)建材產品。如海綿城市建設中的路面透水磚，以免燒輕質陶粒作為路面磚骨料，使得路面磚需具有良好的透水性和力學性能，可減少豎向荷載，提高保水性，充分發(fā)揮濕熱調節(jié)功能。這種輕質透水磚可用于一般人行道、行車路、停車場、廣場、噴水池、庭院地板、公園人行走道等。陶粒也可作為輕質混凝土骨料，作為屋頂隔熱板、輕質內外墻、隔音屏等。

4 應用案例

南京湖南路某深基坑位于城中鬧市區(qū)，開挖面積約3萬m3，開挖深度約23m，土方約60萬m3，傳統機械開挖實施效率極低。場地主要為淤泥質土、粉土、粉質黏土，地上水位在地表上2-3m，選用水力沖挖。項目配置2套水力沖挖設備，每套設備每小時可出土約500m3，項目實施不受天氣影響、環(huán)保限制及重大社會活動約束，可24小時不間斷作業(yè)，每天可出土約20000m3。泥漿輸送三泵雙管的組合模式，管道采用直徑355mm的PE硅膠管，根據基坑開挖進度要求開啟單管或者雙管輸泥，運行時兩道輸泥管流量達到3360m3/h，每小時可輸送土方約1000～1200m3。輸泥管道沿河岸內側布置，在沿途起伏的高點位置安裝排氣閥，防止主泵開機時管道內氣壓過大造成破壞，主管道每隔1km安裝壓力表，根據管道運行時各壓力表讀數計算沿途壓力降低，分析判斷管道運行狀態(tài)。管道將泥漿輸送至長江大橋上游裝船，通過長江水路運輸至鎮(zhèn)江某農場進行低洼地改造。項目實施過程中系統運行平穩(wěn)，沒有任何泥漿泄露現象，節(jié)省工期1/3，降低工程造價15%。

5 結論

土方水力沖挖、管道運輸及資源化利用是解決大規(guī)模集中連片地上空間土方開挖運輸與利用問題的系統解決方案。近年來，這一系統化解決方案在工程實踐中的應用日益增大，其優(yōu)勢開始受到各方肯定。該方案使得地上空間開發(fā)工程費用比傳統的方式大為節(jié)省，而且處理棄土的效率是傳統方式的數倍以上，基本可以實現零排放，無噪音，且不會污染和破環(huán)市政道路，也避免了渣土車招人詬病的車輛傷亡事故，在節(jié)能環(huán)保、安全生產、城市建設管理等方面的社會效益不可估量。本文論述的土方工程系統解決方案完全切合現代化城市綠色、循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展的理念，在工程建設行業(yè)將起到創(chuàng)新引領的示范作用。

圖4 基坑土方水力沖挖、運輸與處置實施過程