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(qū)錢江世紀(jì)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?xùn)|西長560m，南北寬320m，開挖深度9～14m。該項目環(huán)保要求高，傳統(tǒng)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(jī)械配合土方機(jī)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(zhì)條件

根據(jù)勘探結(jié)果可知，場地可劃分為9個工程地質(zhì)層，包括20個工程地質(zhì)亞層和4個夾層，本工程開挖區(qū)域主要開挖至土層②2，②4，開挖深度范圍內(nèi)主要為砂質(zhì)粉土，性能指標(biāo)如表1所示。

表1 土層性能指標(biāo)

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(zhǔn)確，需使用現(xiàn)場施工產(chǎn)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(jī)械設(shè)備與施工方法，在現(xiàn)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(xiàn)場泥漿樣本進(jìn)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(xiàn)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(jù)計劃總工期和現(xiàn)場所需出土量，可計算得到為滿足工期需要而必須達(dá)到的日出土量S(m3)，根據(jù)實測泥漿密度可得泥漿中水土體積比β，再結(jié)合日出土量需求，可計算得到為滿足工期要求而必須實現(xiàn)的日泵送泥漿量。經(jīng)計算，本工程日出土量需0.6萬m3，結(jié)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(xù)作業(yè)。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(jù)砂石泵功率要求設(shè)置配電柜與機(jī)房確保砂石泵正常運轉(zhuǎn)。根據(jù)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?，F(xiàn)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(yè)，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(shè)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(xiàn)場輸送到15km以外棄土場，1套沖土設(shè)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(jìn)行沉淀，沉淀出的清水經(jīng)檢測達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后排入周邊河流，沉淀出的砂土需要倒運到更遠(yuǎn)的渣土收納場所，因已經(jīng)遠(yuǎn)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(nèi)水力機(jī)械配置

4.1 泵管選擇與場內(nèi)布置原則

根據(jù)砂石泵揚程計算泵管的管內(nèi)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(jīng)檢測在20℃時14MPa靜液壓強(qiáng)作用100h可不裂不滲，而砂石泵在輸送管內(nèi)產(chǎn)生的最大壓強(qiáng)為1.08MPa，泵管本身具有較大安全系數(shù)。采用10個φ16mm管道法蘭，可保證在14MPa靜液壓強(qiáng)作用下接頭不漏不滲?，F(xiàn)場2個土方隊伍，根據(jù)勞務(wù)分區(qū)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(nèi)主泵管，盡可能減少以后移主泵管的次數(shù)。

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(xiàn)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(zhuǎn)換頭，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換頭、清水支管再經(jīng)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)池，泥漿中轉(zhuǎn)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(jīng)過若干次加壓最終到達(dá)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(jīng)過若干次加壓最終到達(dá)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(yè)中，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與沖土作業(yè)的連續(xù)性，可設(shè)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(xiàn)場產(chǎn)生的泥漿抽排出，一般泥漿池與清水池會設(shè)置兩個獨立的池體。經(jīng)過實際操作發(fā)現(xiàn)，由于施工現(xiàn)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(jīng)常會小于泥漿流出量，繼而導(dǎo)致泥漿池水位過低，發(fā)生砂石大泵空轉(zhuǎn)的情況。若根據(jù)泥漿水位頻繁地開關(guān)砂石大泵，又會縮短砂石大泵的使用壽命，整個泵管系統(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)池是1個由鋼板焊接而成的池體，池體的中部設(shè)有隔離板，隔離板兩側(cè)的空間分別形成泥漿池和清水池。隔離板上設(shè)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(nèi)的清水流入泥漿池中，達(dá)到提升泥漿池水位的目的，泥漿池的底部設(shè)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(cè)面的上部，用于給清水池供水，清水流出管接于清水池側(cè)面的下部，用于給高壓水槍供水。泥漿流入管接于泥漿池側(cè)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(cè)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(jī)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(shè)置增壓泵才能實現(xiàn)流體的長距離輸送?，F(xiàn)有技術(shù)對密度變化的泥漿在泵送時水頭損失的預(yù)估通常只是理論值，經(jīng)檢測與實際情況的偏差較大，因而在設(shè)置泥漿增壓泵時容易發(fā)生增壓泵數(shù)量過少導(dǎo)致無法輸送，或增壓泵設(shè)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(jīng)過現(xiàn)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(xiàn)場沖出的泥漿進(jìn)行泵送試驗，測量一定長度泵管段兩端的地形高度差、管內(nèi)壓強(qiáng)差及管道長度，計算得到泥漿單位距離的水頭損失。

2)根據(jù)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(jù)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(jù)總水頭損失及增壓泵的揚程計算得到所需的增壓泵數(shù)量及間距設(shè)置，并進(jìn)行對應(yīng)配置。根據(jù)測試，本項目需考慮較大的泥漿沿途輸送壓力損失。根據(jù)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(nèi)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(yīng)以不影響交通與市政綠化為原則，若項目周邊河網(wǎng)密集四通八達(dá)，可把輸送泥漿的泵管部分或全部布置在河道內(nèi)，泵管在河道內(nèi)布置時可用柔性繩索拴住泵管，使泵管在一定范圍內(nèi)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(yīng)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(shè)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(jù)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(dá)到國家四類水標(biāo)準(zhǔn)所需的時間。本工程圍堰的容量根據(jù)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(xiàn)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?shù)骄徒脑潦占瘓龅?。通常至少需要安?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(shè)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(shè)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(shè)定觀測點，每天定時觀測圍堰的沉降與位移情況，當(dāng)沉降>4cm、位移>2cm時報警停止泥漿輸入。

6 結(jié)語

超遠(yuǎn)距離土方配制泥漿泵送運輸施工技術(shù)，可實現(xiàn)挖土與土方運輸作業(yè)不受天氣及時間的限制，可全天候作業(yè)，大大加快了施工進(jìn)度。砂石泵及清水泵均為無污染的用電設(shè)備，無擾民的噪聲和廢氣污染，消除機(jī)械挖土所產(chǎn)生的噪聲、廢氣、揚塵及油耗，改善了勞動作業(yè)條件，符合綠色節(jié)能及環(huán)保要求?？紤]了工期與流量平衡的場地內(nèi)、外水利機(jī)械配置能在滿足工期的前提下，最大程度實現(xiàn)節(jié)約能源、保護(hù)設(shè)備、降低成本、增加效率的效果，具有良好的社會效益及應(yīng)用前景。