CN108457277A - 一种大范围深厚淤泥开挖施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大范围深厚淤泥开挖施工方法，包括明沟挖掘，通过湿地挖掘机在淤泥层开挖排水沟，并将挖设集水坑，通过水泵将从排水沟排入的抽排水设备出；排水晾晒，通过排水沟将淤泥层积水排出，并将流塑性淤泥层晾晒为软塑性/可塑性淤泥层；道路施工，采用砂卵砾石填筑施工通道，并通过下基坑道路将其与公路连接；开挖运输，挖运设备行至施工通道进行淤泥层开挖施工。本发明采用湿地挖掘机开挖“网格状”排水沟集水引排至集水坑，再通过抽排水设备排至集水坑以外，运输砂砾石料填筑“鱼刺状”道路，使开挖运输设备能到达作业面的每一个角落后进行开挖，达到各段轮换交替进行各工序施工。

Description

一种大范围深厚淤泥开挖施工方法
技术领域
本发明涉及水利水电施工领域，尤其涉及一种大范围深厚淤泥开挖施工方法。
背景技术
目前传统淤泥开挖施工方法为：在淤泥不具备承载力的情况下常规施工设备无法深入条件下，在开挖范围周边尽量设置排水沟和集水坑对周边淤泥进行排水，但对于大范围的淤泥开挖工程的中部却无能为力，只能采取自周边向中间逐步蚕食的方法进行一层的开挖，或者采用填筑大量砂砾石料形成临时施工道路到达中部，但由于淤泥承载力极低，且具有流动性，其填筑工程量将达到开挖量的2～3倍以上，施工效率却并不高。
其效果缺陷：施工过程中等待淤泥失水、晾干、干硬的时间长，且不可控制，施工效率低下；需要填筑大量砂砾石料形成临时施工道路，附加成本高；由于淤泥的流动性造成边坡开挖易出现滑坡、裂缝等问题，施工质量得不到保障，施工安全问题也较为突出。
导致效果缺陷的技术缺陷：在淤泥不具备承载力的情况下常规施工设备无法深入条件下，也就无法干预土体排水，造成施工效率低下。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种大范围深厚淤泥开挖施工方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种大范围深厚淤泥开挖施工方法，包括以下步骤：
S1、明沟挖掘，通过湿地挖掘机在淤泥层开挖排水沟，并将挖设集水坑，通过水泵将从排水沟排入的抽排水设备出；
S2、排水晾晒，通过排水沟将淤泥层积水排出，并将流塑性淤泥层晾晒为软塑性/可塑性淤泥层；
S3、道路施工，采用砂卵砾石填筑施工通道，并通过下基坑道路将其与公路连接；
S4、开挖运输，挖运设备行至施工通道进行淤泥层开挖施工。
具体地，所述排水沟为“网格状”结构，包括主排水沟和次排水沟，两条所述主排水沟分别平行设置在淤泥层施工面的两侧，所述主排水沟均与所述集水沟连通，多条所述次排水沟均与所述主排水沟连通。
优选地，所述主排水沟的断面尺寸为底宽1.5m、顶宽4m和深度3m，所述次排水沟的端面尺寸为底宽1.5m、顶宽3m和深度1.5m～3m，相邻的所述次排水沟之间的间距为15m～20m。
进一步，上述步骤S2中还包括回填加固，针对所述排水沟的壅塞、坍塌部段，向该部段回填反滤料加固。
具体地，所述施工通道为“鱼刺状”结构，包括主干道和支路，所述主干道设置在所述淤泥层施工面的中轴线上，多个所述支路设置在所述主干道的两侧，且与所述主干道连通。
优选地，位于所述主干道同一侧的多个所述支路平行设置，且遍及所述淤泥层施工面的各个角落，所述主干路的路宽不小于9m，相邻的两个所述支路之间的距离为10m～15m，所述支路的路宽不小于6m，所述主干道和所述支路的厚度均不小于0.7m。
本发明的有益效果在于：
本发明所述大范围深厚淤泥开挖施工方法采用水陆两用湿地挖掘机在淤泥层上开挖“网格状”排水沟集水引排至集水坑，再通过抽排水设备排至集水坑以外，在淤泥逐渐失水，流动性逐渐降低，土体具备一定的承载能力后，运输砂砾石料填筑“鱼刺状”道路，使开挖运输设备能到达作业面的每一个角落后进行开挖，达到各段轮换交替进行各工序施工，达到了快速、高效、安全的施工效果。
附图说明
图1是本发明所述的大范围深厚淤泥开挖施工方法的施工示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明作进一步说明：
本发明一种大范围深厚淤泥开挖施工方法，包括明沟挖掘，通过湿地挖掘机在淤泥层1开挖排水沟，并将挖设集水坑4，通过水泵将从排水沟排入的抽排水设备出；排水晾晒，通过排水沟将淤泥层1积水排出，并将流塑性淤泥层1晾晒为软塑性/可塑性淤泥层1；道路施工，采用砂卵砾石填筑施工通道，并通过下基坑道路8将其与公路7连接；开挖运输，挖运设备行至施工通道进行淤泥层1开挖施工。
下面提供具体的实施例对此进行进一步说明。
以亚曼苏水电站尾水渠施工为例，亚曼苏水电站尾水渠全长3.7km，最大挖深约54m，其地质为出露具二元结构的上更新统冲洪积(Q3 2al+pl)低液限粘土层及上更新统冲洪积(Q3 1al+pl)砂卵砾石层，由于地下水位线较高，导致部分低液限粘土层呈饱和状态，土质呈流塑状的淤泥状态，湿陷性强烈，既不宜作为渠基持力层，也无法直接运行常规开挖设备，且保水性好，泌水缓慢，短期排水效果不佳。该项目淤泥覆盖尾水渠长度达3km，最大宽度120m，最大深度达13m，淤泥总量约80万m3，范围大，淤泥深厚，施工难度相当大。
水陆两用湿地挖掘机是一种适用于陆地、沼地、淤泥、及浅水工作的多用途工程机械，仰仗底盘浮箱的强健浮力和较低的接地比压，可以在湿陷性强烈、承载力较低的施工场地进行作业。对于水利水电工程遇到的大范围深厚淤泥需要按照水工设计要求开挖成型，在其它施工机械无法进入的条件下，湿地挖掘机是一个很好的选择。
根据地勘资料，呈塑性的粘土地基承载力为0.1Mpa～0.15Mpa，遇水泥化呈流塑状后其承载力更低，加上传统挖掘机履带无排泥功能，在深厚淤泥条件下根本无法行走和停驻，而宽度上百米的大范围淤泥也让任何施工机械鞭长莫及。
湿地挖掘机采用1台现代225长臂挖掘机改装，该机工作重量约22t，加上浮箱重量14.5t，按照在淤泥状态下行走及工作，单个浮箱尺寸选7700×1500×1500mm，最大吃水深度1.0m，则其接地比压仅为15.8Kpa，加上浮箱封闭可产生35t以上的浮力，完全满足承载力要求。
将长臂挖掘机原有行走装置改装为浮箱后，仍具有陆地行走能力，同时可以在淤泥作业面上自由行走，通过系统规划排水、开挖等工序调配，利用湿地挖掘机可以实现大面积淤泥开挖的快速施工。
采用网格状明沟排水是考虑到淤泥土质较细，孔隙率低，泌水缓慢，依靠自然排水效率极低。通过亚曼苏水电站尾水渠作业面现场实测数据可知：在淤泥层1表面无积水的情况下依靠自然泌水挥发，在月总降雨量小于10mm、水面蒸发量达220mm的气候状态下，淤泥含水率降至30％以下，1m深度范围内的淤泥状态从流塑状变为软塑状～可塑状的时间需要25天以上。这样的速度根本无法满足施工要求。
“网格状”明沟排水是利用湿地挖掘机在大面积淤泥层1上开挖出1～2条主排水沟2，断面尺寸底宽1.5m、顶宽4m、深3m，另在全作业面开挖网格状次排水沟3，断面尺寸底宽1.5m、顶宽3m、深1.5～3m，间距15～20m，并与主排水沟2相连，将整个作业面的淤泥泌水通道打通连接，引排至邻近集水坑4，再通过抽排水设备抽排至基坑以外。
网格状排水沟整体布局要考虑后期施工通道的布设，交错布置互不影响，同时要根据集水坑4的位置综合考虑排水走向，确保集水坑4均衡排水。
在开挖排水沟过程中，由于淤泥体具有流动性，局部会出现壅塞、坍塌等情况，为避免多次开挖可针对该部位回填反滤料的方法保持整体排水通道的通畅。
“网格状”明沟排水可以缩短大面积淤泥泌水通道，尽快形成明沟排水，降低地下水位，使土体尽早失水，从而减小流动性、增加承载力，为后续开挖施工和边坡稳定创造条件。通过在亚曼苏水电站尾水渠现场实验，同等条件下达到上述排水效果仅需要8～12天。
通过上述明沟排水和短时间晾晒后，淤泥已经逐渐失水成淤泥质土，其流动性和承载力逐步向着具备开挖运输设备能够在上面作业的条件变化。但是，在深厚淤泥条件下要完全靠明沟排水完成达到直接施工的条件却不现实。开挖运输设备尤其是自卸汽车对地基承载力要求较高，对于湿陷性强烈的低液限土基础不经处理几乎无法达到其施工条件，再加上降雨天气的影响，必须要对路基采取人工干预的方法快速形成施工通道，才能具备施工条件。
在大范围淤泥开挖过程中，挖运设备需要顾及作业面的各个角落。根据常用挖掘设备特性，按最大开挖深度3m，最大挖掘半径6～8m计算，开挖道路采用鱼刺状布置，主干路5路宽不小于9m，主干路5边每10～15m设置一条支路6，整体布置成鱼刺形，与主路连接遍及作业面各个角落。
道路就地取材采用砂卵砾石填筑，根据淤泥失水别承载力情况确定填筑厚度，根据亚曼苏水电站尾水渠开挖试验结果，按淤泥失水后承载力达到0.1Mpa以上的条件，道路填筑厚度一般不小于70cm，支路6路宽不小于6m，若遇到淤泥层1设备容易沉陷时，将在淤泥表面直接填筑厚度不小于1.5m的砂砾石。
整体工程开挖采用分段依次开挖排水沟→晾晒→铺筑施工道路→开挖运输的顺序进行施工，各段间轮换进行流水作业，可以实现资源和施工进度的最优效果。
其达到的有益效果为：
淤泥在土木工程中一直是一个比较难处理的问题。任何地质条件遇有地下水对建筑物的地基处理要求和施工难度都会成倍增加。而低液限土遇水呈淤泥状态，加上泌水缓慢，湿陷性强烈，施工过程中需要投入大量的时间、人力、物力，效果却差强人意。
引进水陆两用湿地挖掘机不仅可以尽早让淤泥全范围形成系统的排水通道，争取必要的淤泥失水时间，而且可以保护边坡，避免因渗水出现管涌、滑坡等地质问题；“鱼刺状”开挖道路可以节省道路修整成本，从而实现快速、高效、安全的施工效果。通过这此经验的总结，实践证明在大范围深厚淤泥开挖施工中采用水陆两用湿地挖掘机和“鱼刺状”道路是经济可行的，该施工方法施工效率高、安全可靠，在以后的类似条件工程中值得推广。
亚曼苏水电站尾水渠于2017年4月开始进行淤泥开挖试验及湿地挖掘机的组装，期中克服雨季对开挖作业的影响等困难，于2017年8月完成淤泥开挖，历时4个月完成总量80万m3的淤泥开挖，每月平均开挖方量为20万m3，且开挖过程中安全、质量可控。
本施工方法相比于常规直接填筑道路再分层进行开挖的淤泥开挖方法对比如下：
1、直接成本对比
(1)湿地挖掘机+“网格状”排水沟+“鱼刺状”施工道路方法施工成本分析
该方案投入湿地挖掘机1台，设备购买、改装拆除费用共约20万元；
湿地挖掘机投入“网格状”排水沟挖设共4个月，120个台班，费用按15万元计；
鱼刺状施工道路共填筑约25万m3，费用估算为350万元。
抽排水费用，按每月20万元计，共计80万元；
淤泥开挖费用，由于淤泥经过处理变为软塑状～可塑状，挖运难度降低，80万m3淤泥开挖费用共计1000万元。
综上本方法施工直接成本为1465万元。
(2)常规直接填筑道路再分层进行开挖的淤泥开挖方法施工成本分析
淤泥直接进行道路填筑厚度要达到1.5m以上才能满足施工机械要求，道路宽度要保证在8m以上(填筑道路靠近边缘承载力骤降，无法承载机械)，其填筑总量预计达到40万m3，费用估算为560万元。
采用该方法填筑厚度增加，相应有效开挖效率降低30％以上，同时流塑态的淤泥运输、卸车的效率均有所降低，对开挖效率影响降低达20％以上，则施工工期预计会延长1倍以上，按8个月完成施工计算，抽排水费用将达到160万元，淤泥开挖单价也会增加1倍以上，则80万m3淤泥开挖费用达2000万元。
综上本方法施工支接成本为2720万元。
2、总计节约费用。通过上述直接成本计算，亚曼苏水电站尾水渠淤泥开挖采用湿地挖掘机+“网格状”排水沟+“鱼刺状”施工道路方法施工累计节约成本约：2720万元-1465万元＝1255万元。
本专利采用现场组装一台水陆两用湿地挖掘机用于在淤泥层1上开挖“网格状”明沟集水引排至分段设置的集水坑4，再通过抽排水设备排至基坑以外。在淤泥逐渐失水，流动性逐渐降低，土体具备一定的承载能力后，运输砂砾石料填筑“鱼刺状”道路，使开挖运输设备能到达作业面的每一个角落后进行开挖。通过一系列现场试验与改进，结合对分段分层的调整和控制，最终达到各段轮换交替进行各工序施工，达到了快速、高效、安全的施工效果。
相对于传统施工方法，本技术方案具有如下优点：
(1)快速高效。采用湿地挖掘机可以直接在作业面任何部位作业，实现尽早让淤泥全范围形成系统的排水通道，从而争取必要的淤泥失水时间，实现全范围淤泥快速失水硬化，从而为及时进行道路填筑、挖装运输创造条件。相比传统被动等待淤泥自然失水的施工方法减少了等待淤泥失水的时间；相比大量填筑砂石料的施工方法在淤泥挖运时降低了流动性从而增加了设备的利用效率，增加了开挖时作业面承载力，另结合“鱼刺状”最优施工道路填筑规划节省了砂石料填筑附加量70％以上。由此实现了大范围淤泥开挖的快速高效施工。
(2)经济效益好。对比传统施工方法，本工法缩短了施工等待时间，提高了施工设备的利用率，减少了施工道路砂石填筑量，节约了抽排水费用，可节约成本投资一半以上。
(3)安全可靠。本工法在淤泥失去流动性后，土体具有一定强度和塑性以后再进行开挖施工，边坡稳定性更好，确保了工程安全。
(4)质量可控。本工法开挖时淤泥淤泥失去流动性后，具有一定强度和塑性，边坡修整成型效果好，质量可控。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大范围深厚淤泥开挖施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、明沟挖掘，通过湿地挖掘机在淤泥层开挖排水沟，并将挖设集水坑，通过水泵将从排水沟排入的抽排水设备出；
S2、排水晾晒，通过排水沟将淤泥层积水排出，并将流塑性淤泥层晾晒为软塑性/可塑性淤泥层；
S3、道路施工，采用砂卵砾石填筑施工通道，并通过下基坑道路将其与公路连接；
S4、开挖运输，挖运设备行至施工通道进行淤泥层开挖施工。
2.根据权利要求1所述的一种大范围深厚淤泥开挖施工方法，其特征在于：所述排水沟为“网格状”结构，包括主排水沟和次排水沟，两条所述主排水沟分别平行设置在淤泥层施工面的两侧，所述主排水沟均与所述集水沟连通，多条所述次排水沟均与所述主排水沟连通。
3.根据权利要求2所述的一种大范围深厚淤泥开挖施工方法，其特征在于：所述主排水沟的断面尺寸为底宽1.5m、顶宽4m和深度3m，所述次排水沟的端面尺寸为底宽1.5m、顶宽3m和深度1.5m～3m，相邻的所述次排水沟之间的间距为15m～20m。
4.根据权利要求1所述的一种大范围深厚淤泥开挖施工方法，其特征在于：上述步骤S2中还包括回填加固，针对所述排水沟的壅塞、坍塌部段，向该部段回填反滤料加固。
5.根据权利要求1所述的一种大范围深厚淤泥开挖施工方法，其特征在于：所述施工通道为“鱼刺状”结构，包括主干道和支路，所述主干道设置在所述淤泥层施工面的中轴线上，多个所述支路设置在所述主干道的两侧，且与所述主干道连通。
6.根据权利要求4所述的一种大范围深厚淤泥开挖施工方法，其特征在于：位于所述主干道同一侧的多个所述支路平行设置，且遍及所述淤泥层施工面的各个角落，所述主干路的路宽不小于9m，相邻的两个所述支路之间的距离为10m～15m，所述支路的路宽不小于6m，所述主干道和所述支路的厚度均不小于0.7m。
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