大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法

《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》是中國建築工程總公司、深圳龍崗陽光金屬構件公司完成的建築類施工工法；作者分別是王貴軍、田茂荃、單彩傑、鐘燕、鄧騰精；適用範圍是淤泥、砂、黏土，最大對角線小於排泥管的直徑的礫石等土質的沉井取土下沉。

《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》主要的工法特點是操作簡單、勞動強度低、工效高；可在滲水性大，不可能排水開挖的砂礫石層中順利取土；也可在飽和水狀態下的粉細砂層、易於形成流砂的情況下代替人力開挖。

2008年1月31日，《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法
• 工法編號： YJGF215-2006
• 完成單位：中國建築工程總公司、深圳龍崗陽光金屬構件公司
• 主要完成人：王貴軍、田茂荃、單彩傑、鐘燕、鄧騰精
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2005-2006年度）

形成原因

《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》的形成原因是：

自1937年9月建成通車的杭州錢塘江大橋，到1991年12月28日江澤民同志為廣東汕頭海灣大橋開工典禮啟動開工按鈕，拉開了現代橋樑建設的序幕。隨著中國國民經濟的不斷發展，橋樑建設蓬勃發展，深基坑施工技術和施工難度也不斷的得到提高，沉井是深水基礎設計的慣用手法，同時沉井下沉時的土方開挖問題也是擺在建橋人面前的一個課題。自製空氣吸泥機在大型深水沉井中的套用是解決沉井下沉過程中土方開挖的一種有效手段。

工法特點

《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》具有操作簡單、勞動強度低、工效高；可在滲水性大，不可能排水開挖的砂礫石層中順利取土；也可在飽和水狀態下的粉細砂層、易於形成流砂的情況下代替人力開挖的特點。

操作原理

適用範圍

《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》適用於淤泥、砂、黏土，最大對角線小於排泥管的直徑的礫石等土質的沉井取土下沉。

工藝原理

《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》的工藝原理敘述如下：

空氣吸泥機由空氣輸送管、吸泥器、吸泥管、排泥管和射水管、射水頭及其聯結件組成（圖1）動力為空氣壓縮機和高壓水泵。

圖1 射水空氣吸泥機示意圖

空氣吸泥機是由空氣壓縮機輸送足夠風量進入吸泥器的風包內，並向吸泥機管內噴射，形成圓錐形高速氣流，向排泥管出口排放，從而帶走吸泥管和排泥管中的泥水和空氣。而在吸泥器下部造成負壓，產生吸力，將泥砂、石塊和水吸入吸泥管，隨同高壓氣流連續不斷排出排泥管外，達到除土的效果。如圖2所示。

圖2 空氣吸泥機工作原理圖

1）：，式中δ=水的比重=1；=空氣、水與泥砂或砂夾河卵石的混合物比重。

2）壓縮空氣的氣壓：以千克/平方厘米計。

3）H的深度與所吸出的土壤種類和供應的空氣壓力及風量有關，一般H不宜大於60米，也不宜小於5米。

4）h的高度不宜大於H的0.7倍。

施工工藝

操作流程

《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》的操作流程見圖3。

圖3 自製空氣吸泥機下沉的操作流程

自製空氣吸泥機的製做要點

《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》的自製空氣吸泥機的製做要點如下：

一、吸泥機的製做（以D250吸泥機為例），如圖4所示。

圖4 Φ250吸泥機

吸泥器由8毫米鋼板焊接的Φ600圓柱狀風包，從風包中通過Φ250吸泥管。在風包的中部的吸泥管上鑽有Φ5的小氣孔，小氣孔與管壁成45°，均勻分布在100毫米的範圍內，要求小氣孔的面積為送器管的淨面積的1.2~1.4倍。

排泥管和吸泥管直徑相同，排泥管制做成多節，用法蘭盤按照沉井吸泥深度連線。

高壓風管在水下部分可選用Φ49的無縫鋼管，水上外路部分採用高壓膠管，承受的壓力宜為送風壓力的2.0倍。

土質為黏土時，宜設定射水器。射水器由射水頭和高壓膠管組成，高壓水泵為動力。射水頭外形為圓錐體，小頭孔徑為20~30毫米，大頭孔徑為50毫米，錐面上設定小孔，小孔與管壁成45°，便於形成喇叭形水柱。射水管一般用Φ50無縫鋼管，一端穿過吸泥器的風包，並用法蘭盤連線，射水頭宜和吸泥管的下口取平。

高壓風管和高壓水管的鋼管部分和排泥管平行對稱設定，其長度基本一致。

二、自製空氣吸泥機數據參考

1.各種吸泥器的參考尺寸（表1）

2.各種直徑空氣吸泥機的參考技術規格（表2）

自製空氣吸泥機的使用

採用《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》施工時，吸泥機的效率決定於供給吸泥器的風量和風壓的大小，水的深度及射水器的噴射力。另外對經常移動吸泥機的位置也有很大的關係。空壓機和抽水機要就近安裝，儘量減少管路損失，保證氣壓在0.5兆帕下，以供給最大的風量和水量。水的深度越深越好，實踐證明：水深2米以下，吸泥效率極差，甚至吸不出水。2~4米效率較好；4~6米以上效果最佳。吸泥量決定於排水量中所含泥沙的濃度；濃度與基土性質和射水器的噴水力，水量，水壓及射水位置都有關係。除吸泥機本身設定的射水器以外，可根據土質和基底不同情況，另行設計不同形式的射水器。便於不同情況選擇使用。土質鬆散，流動性大，清底時，可以不用射水器。由於射水空氣吸泥機製造簡易，使用方便，不需要電力等優點，可以替代反循環旋轉鑽機的真空吸泥泵或用在類似的施工中，一機多用，效果明顯。

在實際施工中，沉井的刃腳和隔牆處，直管吸泥機很難完全完成除泥的使命，並且在沉井的下沉過程中，如果不及時將刃腳和隔牆處的端承力消除，沉井的下沉速度十分緩慢，甚至不能下沉；同時，如果沉井的刃腳、隔牆和轉角處除土不均勻，將存在沉井在下沉過程中出現傾斜的質量隱患，為此對沉井刃腳、隔牆和轉角直管吸泥機無法除泥的地方，可採用彎頭吸泥機（圖5）。

圖5 彎頭吸泥機示意圖

自製空氣吸泥機在大型深水沉井下沉過程中的運用

採用《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》施工時，空氣吸泥機在深水沉井下沉過程中對除土起著決定性的作用，可以完全代替人力直接除土。吸泥管口和噴水一般要離開吸泥面10~30厘米。過低易於堵塞，過高吸出的水濃度低，均影響吸泥效果。為此吸泥機應經常上下，左右移動，保持在最佳吸泥效果的位置上。為此，一般吸泥機都要和吊車、龍門吊等起吊設備配用，操縱吸泥機升降，定位吸泥機。根據觀看吸出的泥漿濃度大小或基底面高低情況，來變動吸泥機的位置，以保證吸泥機經常處於最佳工作狀態。為了使沉井均勻下沉，不發生偏斜，最好使用多台吸泥機在沉井內對稱同時或輪流吸泥，使基底深度衡推進。防止偏斜或變位等現象。為使井內水位經常保持高於井外水平面，應配備相應於吸泥機流量的抽水機，不斷地向井內補充水量。停機時應將吸泥機提升一定高度後，再關風和水閥，以防吸泥機和射水器堵賽或埋入土中。

大型深水沉井在下沉過程中需要謹慎，一般要求傾斜率不能大於沉井長邊的1.0%，中心點位移不能超過設計值的15厘米。一旦出現傾斜，需要經過考察和研究“對症下藥”，糾偏的方法有以下幾種。

一、如果是因為吸泥過程中沒有對稱施工造成的，採用吸泥機抽吸較高處的刃腳的土層，靠沉井自身下沉解決；

二、如果是因為地質的原因，沉井井壁摩擦力不均勻造成的沉井傾斜，糾偏處理的常用方法為：

採用專用高壓射水管，井壁外射水（射水深度一般在河/海床15~20米，可根據地址情況調整），用減少井壁側面摩擦力的辦法糾偏，效果不明顯時可採用反覆射水的辦法解決。

採用預先設定分區泥漿套的措施，根據傾斜和偏移情況灌入膨潤土漿，減小井壁摩擦力的措施。

採用預先設定分區空氣幕的措施，根據傾斜和偏移情況啟動空氣幕，克服井壁摩擦力的措施，通過順福橋對上述幾種措施的實際檢驗，空氣幕措施效果最明顯，著重介紹該糾偏方法。

空氣幕沉井的施工原理：從預先埋設在井壁四周的管道中壓入高壓空氣，此高壓空氣由設在井壁上的噴氣孔噴出，並沿井壁外表面上升溢出地面，從而在井壁周圍形成一層鬆動的含有氣體和水的液化土層，從而減少土對沉井外壁摩阻力，達到減小摩擦力的效果。

1.空氣幕系統

空氣幕沉井同普通沉井相比，僅在構造上增加了一套空氣幕系統，這套系統由氣龕、井壁中預埋管、壓風機、風包及地面管路等幾部分組成。

1）氣龕

氣龕是包括預築在沉井外壁上的凹槽和裡面的噴氣孔，其構造見圖6。

圖6 氣龕構造圖

2）氣龕的製做和安裝：

管材/加工：按設計尺寸，將預埋在井壁內的水平管和豎直管下料，短管的接長和端頭的封閉採用專門的塑膠焊槍和塑膠焊條焊接。

安裝預埋管：立好模板後，即可安裝預埋管首先在模板內放線，釘氣龕木模，再將環形管對氣龕木模中心安設，並用O形扒釘固定在模板上。最後安裝豎管，豎管和水平管的連線採用塑膠三通或四通，便於安裝。

鑽噴氣孔：拆模後，先在氣龕內找出外露的水平管，然後用手電鑽在上面鑽一個直徑為1毫米的小孔。鑽孔時應注意鑽通，並將周邊的毛刺清理乾淨，否則容易堵塞。

檢查氣龕：為了保證氣龕的通暢，每節沉井在下沉前，必須對新制氣龕進行壓氣檢查，發現氣龕不通，應採取措施進行補救。

3）壓風機

壓風機是提供高壓氣體的設備。壓力的大小視沉井下沉深度而定。

4）井壁預埋管

根據實際情況，沉井分成8部分埋設塑膠管，具體布置可參考圖7、圖8。

圖7 沉井空氣幕管子平面布置圖

圖8 空氣幕管道立面布置圖

5）風包

風包的作用是貯存高壓氣體，壓氣時防止壓力驟然降低，影響壓氣效果，起到穩定風壓的作用。

6）地面管路

它是用來聯結壓風機、風包和井頂的風管所組成的壓氣通路。

2.壓氣下沉

空氣幕沉井側面阻力的減少是有時間性的，即在壓氣時減少，停氣時又恢復因此在整個空氣幕沉井下沉過程中，當吸泥清除正面阻力後，還必須及時輔以壓氣，才能收到良好的下沉效果。吸泥過程中應加強對泥面的測量，隨時掌握泥面深度的變化，並注意配合壓氣，充分發揮空氣幕的作用，及時處理偏移。同時，上述幾種常用的糾偏措施主要作用為減小沉井井壁摩擦係數，同樣也是解決因為沉井下沉係數過小，提高下沉速度的有效措施。

順福橋沉井下沉到設計後，沉井傾斜為。0.031%≤1.0%，中心點位移為74毫米≤150毫米，滿足驗收要求。

• 沉井封底混凝土

採用《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》施工時，沉井下沉到設計標高后，澆築封底混凝土的工作也十分重要。同時，大型沉井的封底混凝土的澆築量很大，給深水沉井封底混凝土的澆築帶來很多困難，投入大，經濟效益低。順便介紹一種比較經濟的封底混凝土的施工技術（以順福橋沉井施工技術為例），如圖9~圖12所示。

圖9 封底混凝土分區平面圖

圖10 安裝L型預製分區模板立面圖（一）

圖11 安裝L型預製分區模板立面圖（二）

圖12 沉井封底混凝土澆築

採用這種分區澆築沉井封底混凝土的方法如同澆築一般的橋墩承台一樣方便，每次澆築混凝土的量可以控制在現場條件可以滿足的條件下，不必為澆築沉井封底混凝土而額外投入設備，減小成本投入，質量更有保證。

材料設備

《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》所用的材料及設備明細如下：

1.材料：纜風繩、鋼絲繩、密封橡膠墊。

2.設備：履帶吊車、17立方米/分鐘空氣壓縮機、補水水泵、高壓水泵、高壓射水管若干，氣割、電焊機等。

質量控制

《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》的質量控制要求如下：

1.照設計圖加工吸泥機，焊縫厚度≥母材厚度，保證吸泥機的抗拉強度。

2.吸泥管垂直控制：吊鉤掛在吸泥機重心點，保證吸泥機垂直。

3.吸泥機作業沉井內水深控制：沉井內水深不得低於井外水位2米，及時補水，避免翻砂。

4.吸泥機吸泥距泥面控制：在吸泥管上標識深度刻線，升降吸泥機時參照調整控制。

5.吸泥機作業風壓、風量保證：供風壓力不小於0.5兆帕，供風量不小於13~17立方米/分鐘。

6.吸泥機吸出泥量控制：吸泥時，吸泥機升降或水平移動調整到最佳出泥量。

7.高壓射水配合吸泥機：高壓射水壓力不小於1.2兆帕，射水孔作業前檢查，無堵塞現象。

8.沉井下沉過程中，為了保證沉井均勻下沉，吸泥深度嚴格執行預定方案的深度，一般按照50厘米/層的深度控制，避免沉井突然不均勻下沉，出現偏移和刃腳土層清除過深，造成嚴重的翻砂現象，給施工帶來不必要的困難。

9.嚴格執行邊吸泥邊檢查泥面標高的檢查制度，及時繪製基底土層標高圖，及時調整吸泥機的位置。

10.嚴格按照對稱吸泥的方式布置多台吸泥機的位置。

11.在沉井吸泥過程中實行現場工程值班制度，及時處理質量事故。

安全措施

採用《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

1.吊車升降吸泥機安全：按國家《起重作業安全規程》執行。

2.吊車、空氣壓縮機等設備作業安全距離：吊車、空氣壓縮機等設備距沉井外井壁大於5米，班組安全員監督。

3.高壓射水管、供風管：作業前檢查，重點管接頭，檢查結果完好，試供水、風，正常方可正式作業，作業過程中安全員檢查監督，出現異常情況立即停止供水風。

4.吸泥機出泥口方向安全：出泥口方向為非安全區，人、設備非安全半徑嚴禁停留，安全半徑應大於30米。

5.作業用電安全：按國家《施工現場用電安全規程》執行。

6.潛水員水下作業：按照2005年前已執行的水下作業規程施工，配備聯繫對講機。

環保措施

採用《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》施工時，吸泥機吸泥過程中，採用沉澱池或配備電動篩沙機處理泥漿；嚴禁將泥漿直接排入江河中。

效益分析

《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》的效益分析如下：

與常規的抓泥斗潛水員配合施工相比較，節約大量的勞動力、設備和材料，並提高了施工效率。一台空氣吸泥機在最深為36米的沉井中作業相當於10~15台最大抓泥量為2.0米的抓泥斗工作。

一台40噸履帶吊車一個台班的費用為130美元，燃油為40美元，總計170美元；每個抓泥斗的平均抓泥量為30立方米，需要1300個台班；

沉井刃腳及隔牆處使用潛水員作業，累計土方量為13000立方米，一個潛水員水下清除5立方米/班，需要2600班次潛水員，每班組按照50美元計算，累計潛水員費用為130000美元；

採用抓泥斗和潛水員施工費用為：170×1300+130000=350000美元。

採用自製空氣吸泥機，從開始下沉到設計標高，每個台班除泥量平均按照為120立方米，累計使用吊車的台班為320個台班，費用為170×320=54400美元，170立方米/分鐘的空氣壓縮機一個台班的折舊費用為40美元，燃油為50美元，空氣壓縮機的累計費用為（40+50）×320=28800美元，自製吸泥機的研製、加工、維護費用28800美元。

採用自製空氣吸泥機的費用為：54400+28800+28800=112000美元。

採用自製空氣吸泥機下沉沉井的效益為：350000-112000=238000美元。

注1：沉井下沉時採用抓泥斗或自製空氣吸泥，工人用量很少，計算效益費用時相互抵消。

注2：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算。

套用實例

《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》的套用實例如下：

中國建築工程總公司越南分公司在越南峴港市承接的順福懸索大橋的錨碇基礎為沉井基礎，外形尺寸為36×30×35.2（米），如圖13~圖15，表3所示。

圖13 順福橋大型深水沉井施工

圖14 自製空氣吸泥機下沉大型深水沉井示意圖

圖15 自製空氣吸泥機下沉大型深水沉井

大型深水沉井下沉過程中，成功運用了自製空氣吸泥機，取得良好的社會和經濟效益。

榮譽表彰

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《大型深水沉井採用自製空氣吸泥機下沉施工工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。