深水条件下大面积水下开挖施工工法修订稿.docx

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深水条件下大面积水下开挖施工工法修订稿

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深水条件下大面积水下开挖施工工法

深水条件下大面积水下开挖施工工法

前言

水工建筑物经常遇到水下开挖基坑或渠道。

在水深且土质坚硬的“铁板砂”或低液限碱性粘土时用普通挖泥船无法开挖，功效极低。

在松嫩平原大庆地区水下高碱性低液限粘土及齐齐哈尔地区水下铁板砂水下开挖过程中总结了水下大面积开挖坚土工法。

此工法主要利用耙吸挖泥原理，用铲斗先翻松水下坚硬的土层，再通过挖泥装置将挖松的土输送至岸上。

水下开挖“铁板砂“或级配良好的砂砾石，可采用单斗挖掘机及挖泥船联合施工作业的方式，或采取改装链斗式挖泥船开挖。

其原理是先用长臂挖对中密的铁板砂进行翻松，再用挖沙船进行开挖。

当开挖水下坚硬的粘性土时，先用链斗将水下粘土挖起通过卸泥装置卸至船下集泥箱，在集泥箱内用绞刀把坚硬的土块搅碎成泥浆，再通过8寸泥浆泵将泥浆排到规划的弃渣场。

即斗齿切土→链斗收集泥土→链斗输送泥浆至船上→泥浆箱收泥并搅碎→泥浆泵排放，相当于绞吸式、链斗式、普通三种挖泥船联合作业方式。

经多项工程实践证明该技术可节约大量人力、物力，不仅提前工期、而且经济效果显着。

1、工法特点

施工功效高

水位较高的坚硬地层水下土方开挖，受水的深度影响，如采用常规水下施工方法，施工效率极低，甚至无法施工。

采用本工法，集水下翻松、挖除水面、水面输送于一体，开挖效率显着提高，加快了施工进度。

适用范围广

传统的水下挖掘施工针对不同的土质采取不同的设备，而本工法可挖掘砂性土、铁板砂、粘性土等土质及深水条件下的各种环境，应用的设备少。

操作简单，调遣费用低

针对不同的水文地质条件改制水下开挖设备，开挖施工作业操作过程简单，设备调遣量小，费用低。

2、适用范围

适用于深水条件下的坚硬砂砾石层、细砂层、粘土层土质及其它土层的水下开挖。

3、工艺原理

根据耙吸挖泥船的工作原理，通过对挖泥船、抽砂船、挖砂船的技术改造，改制成适应特殊较复杂水文地质条件下的水下开挖机械。

此设备可适应密实的级配良好细砾、坚硬粘土互层或其它不良地层土的水下开挖清理，具有绞吸式挖泥船、链斗式挖泥船、单斗、抽砂船的工作性能。

4、施工工艺流程及操作要点

施工程序

水文地质条件调查→施工方案确定→水上开挖设备改制→施工作业区及弃渣场规划→施工区测量放样→水下土方开挖。

水文地质条件调查

开挖前进行详细的水文地质条件调查，取得开挖区域详细的水文资料和地质资料，详细了解开挖区的土层情况和施工期的河水及地下水位变化情况。

施工区测量放样

开挖前选用合适的测控仪器设备，在岸边或围堰上设置好控制点，确定施工放样及控制测量方法。

水下开挖设备的改制

根据工程具体情况，调查分析水下开挖区域的地层岩性，结合常用的挖泥船、抽砂船、单勾等设备的工作原理及特点，研制适合本工程条件的水下开挖施工设备改造计划，改制开挖设备。

基坑水下开挖

一般江河的岸边坡经多年的维护加固，岸边的水上、水下土方开挖采用挖掘机进行开挖，首先修筑临时便道，由挖掘机分多个施工作业面同时进行开挖，水下开挖料经岸边沥水后，再用挖掘机装自卸汽车外运到监理工程师或建设单位指定弃渣场。

开挖时一次开挖不到设计深度时，水深在3.0m-5.0m采用长臂挖掘机进行开挖，挖掘机进不去及水深超过5.0m的区域采用挖砂船及挖泥船进行开挖至设计底高程，边坡按水下自然稳定坡角确定，一般在1:

3-1:

4，尽最大限度地减少用挖泥船进行水下开挖的工程量。

河道中部陆地设备进不去时，采取水面行走式开挖设备施工。

如果遇到多年沉积的级配良好细砾铁板砂或较硬粘土时，先用翻松装置进行翻松，再用经改制的挖泥（砂）船开挖。

保证水下开挖的几何尺寸及高程，是水下开挖的关键质量控制点之一。

开挖前先进行开挖试验，确定开挖船的布点、开挖方向。

挖砂船开挖出的渣料，直接输送到岸上，经沥水后用装自卸车运送到指定的临时弃渣场。

在土方施工中，经常测量、校正平面位置、标高、边坡。

待水下土方开挖完成后，用工作船统一进行基坑高程验收，对不平整的部位，用链斗进行扫平。

经自检合格后报监理单位进行验收，验收合格后进行封底混凝土浇筑。

采用挖沙船进行基坑开挖施工示意图

初步设计拟采用自制浮船，浮船上用18m长臂挖掘机对水下铁板砂进行翻松。

其施工方法是在开挖区的两岸平行于泄洪闸轴线对称设锚固钢丝绳的锚具，通过两岸连接的一对钢丝绳来稳定浮船，长臂挖掘机在浮船上进行水上开挖作业。

固定于浮船上的0.5m3长臂反铲挖掘机，根据开挖区域可在水上对水下用采砂船开挖不了的级配良好细砾实施翻松作业。

如果有条件亦可使用承载力足够的拖船。

5、材料与设备

主要材料

钢丝绳、钢管、型钢、钢板、绞刀、油筒、排泥管、浮筒、锚

主要设备

机动快船、长臂挖掘机、抽砂船、泥浆泵、100-200t浮船、抽砂泵

6、质量控制

质量控制主要是水下开挖平整度控制措施。

当采用挖砂船开挖时，先确定最深点，然后再向其它部位扩展。

根据基坑内的水面水位情况在开挖接近基底设计高程时，加大测控的量测频次，提前确定吊绳入水深度，尽最大限度地防止超挖、欠挖。

岸边采用挖掘机进行开挖的部分，如用长臂挖掘机一次能挖至设计高程的区域或部位，根据水面高程确定长臂挖的长臂入水深度，由现场测量员进行跟踪监控，确保一次开挖至设计高程，不再用抽砂船进行开挖。

大面积水下开挖完成后，利用水下远红外观测仪进行测量，如有达不到高程的部位，再采用挖砂船进行找平，直至达到设计及规范要求。

7、安全措施

、每处浇筑完后浮桥上木板要及时锁死，以免木板探头人员踩空，发生危险。

、浮桥上两侧设置防护栏杆，防护栏杆高度≥1.1m，并且密挂安全网。

、浮桥上的所有操作人员均穿救生衣，戴安全帽，操作浮桥上备用救生圈若干。

、在混凝土浇筑区域周围备用2条船，以备应急时用。

、混凝土拌合操作人员必须按照混凝土拌和机操作规程进行混凝土拌合操作。

、配备专职安全员2名，24小时不间断检查、监督。

8、环保措施

（1）成立文明施工和环境保护领导机构,全面贯彻国家和有关部门关于文明施工、环境保护的法令、法规和规章制度。

（2）合理安排施工作业时间，附近居民休息时间尽可能不安排影响当地居民的作业，减少对周围居民生活的干扰。

（3）使用性能良好的机械设备，车辆驶进居民区时，要减速慢行，并禁鸣喇叭，降低机械噪声污染。

（4）生产、生活设施布置，按监理工程师签证批准的方案进行，尽可能减少对道路、耕地、绿地的占用。

对工地范围的原有植被、树木、耕地、水利设施做好保护工作，不改变原有的生态环境。

如确因施工需要使用征地范围以外的土地，须征得当事人或管理部门同意后方可使用。

因施工需要使用当地公共设施时，以不影响周围居民正常生活为原则。

（5）加强施工现场管理，现场设备、材料堆放合理整齐，做到工完、料尽、场地清，开展经常性文明施工大检查和文明施工评比活动，奖励先进、惩罚落后，促进文明施工水平的提高。

（6）经常对施工道路维修、养护，保证施工道路畅通、完好。

（7）施工结束后，按发包人要求尽快清理施工现场，除业主同意外，拆除其它一切临时设施，清除建筑垃圾，恢复原来的地形地貌。

9、效益分析

经济效益分析

深水条件下大面积基坑水下开挖施工大大提高了经济效益，一般情况下基坑开挖施工都需要在干地情况下施工，但由于施工部位位于地下水位线以下，降水费用昂贵，对于渗透系数大的地下土层，常规降水无法满足，又必须采取截渗措施，一个工程完成后，临时工程费用要远远大于主体工程的费用。

采用大面积基坑水下开挖施工方法可以大大减少降水措施费用，又可提前工期。

以齐齐哈尔市通阳街污水泵站工程为例作对比：

表5经济效益对比表

比较内容

水下基坑开挖

降水条件下基坑开挖施工

降水费用

0

38万

开挖费用

6万

3万

总费用

6万

41万

节约费用

35万

社会效益分析

深水条件下大面积水下基坑开挖施工为我国在低水位施工水工构筑物提供了施工方法和施工经验，通过节约工期，节省费用，对国民经济的发展起到了一定的促进作用，社会效益无法估量。

技术效益分析

深水条件下大面积水下基坑开挖施工技术的应用和推广，为我国在低水位条件下拓宽了施工技术的领域，为深水条件下水工构筑物的施工提供了有效的施工方法，技术效益将非常可观。

10、应用实例

北引渠首泄洪闸工程

北引渠首改建为有坝渠首，北引渠首位于现进水口下游约400m处。

渠首枢纽由土坝、总干进水闸、船闸（预留位置）、泄洪闸、溢流坝、固滩和堤防等工程组成。

北引渠首属大

（一）型工程、Ⅰ等工程，主要建筑物泄洪闸为1级，土坝、溢流坝和总干进水闸级别为2级，固滩工程为3级，渠首枢纽工程设计洪水为50年一遇，校核洪水标准为200年一遇。

泄洪闸正常运用水位176.20m，设计洪水位179.04m，校核洪水位179.73m，设计洪水流量为4629m3/s，校核洪水流量为5156m3/s。

泄洪闸位于嫩江主河床枢纽轴线桩号2++697处，为平底板开敞式闸，共12孔，每孔净宽16m，总净宽192m，泄洪闸纵轴线与水流方向一致以保证泄流平顺，堰型采用宽顶堰，闸底板与河底高程一致，高程为169.0m。

泄洪闸主要由进口段、闸室段、消力池段、海漫段组成。

闸室结构采用钢筋混凝土“U”槽型式，闸室上下游底板设置齿槽，分缝设在闸墩上，止水采用铜片止水。

闸墩及挡土墙设置排水孔以降低墙后水位。

闸室段长22.5m，底板厚2.0m，中墩宽2.5m，为缝墩，边墩顶宽2.0m，底宽3.5m，墩顶高程181.80m；工作门为16.00m×7.20m弧形钢闸门，液压式启闭机，检修门为平板钢闸门，门式启闭机，墩顶设7.0m宽交通桥。

本工程的主要工程量为：

土方开挖万m3，土方填筑万m3，砂砾石填筑万m3，钢筋制安3310t，混凝土万m3，铅丝石笼万m3，无纺布万m2，土工布万m2，工作闸门及埋件810t，检修闸门及埋件。

其中基坑水下砂砾料开挖工程量约为26万m3，其中主江道抽砂船开挖18万m3，两侧挖掘机开挖区域8万m3。

大庆石化红旗泡泵站引渠水下开挖

大庆石化红旗泡泵站引渠位于红旗泡水库库区之内，引渠开挖区域内的土质多为坚硬含碱性粘土，液限指数小于零，经技术经济比较只能采取用挖泥船进行水下开挖。

在开挖过程中，为确保工期，研改了集绞吸、链斗式挖泥船于一体的改型挖泥船，提高了功效，解决了引渠水下开挖技术难题。

红旗泡泵站引渠工程位于红旗泡水库库区内，长度665m，渠底宽度为35.42m,渠底高程143.50m至140.00m,渠道两侧的边坡为1：

。

开挖弃土场位于原泵站输水管堤的南侧库区，距开挖区平均运距为500m。

水库正常蓄水位为148.00m。

库底的地面高程～146.00m,开挖方量为158586.00m3。

开挖区域内的地层岩性主要以第四系更新统冲积层（alQ3）高液限粘土（黄色、灰黑色）为主，含碱量高，比较坚硬（R=150KPa），水下开挖的土质岩性类别为六类土，开挖难度较大。

方案1：

先在渠道的两侧填筑围堰，采取挖掘机挖除库底的芦苇根、原泵站施工时弃置的建筑垃圾等，然后用水力挖泥机开挖。

方案2：

采用多条效率极低的小型绞吸式抽砂船开挖。

引渠开挖区域的土质为含碱量高的坚硬粘土，不可取。

方案3：

采用200m3/h绞吸式挖泥船开挖。

该主要设备调遣费用高，安装、拆卸难度大，此方案施工效率较低。

方案4：

采取改装链斗式挖泥船开挖。

其原理是在链斗式挖泥船的水下开挖端增设绞刀，在链斗的出泥端增设集泥箱和泥浆泵。

用绞刀把坚硬的土层搅碎，由链斗将搅碎的泥土倒入泥浆收集箱，在泥浆箱内设有泥浆搅拌器，将大块粘土团搅碎，再通过8寸泥浆泵将泥浆排到规划的弃渣场。

即绞刀切土→链斗收集泥土→链斗输送泥浆至船上→泥浆箱收泥并搅碎→泥浆泵排放，相当于绞吸式、链斗式