水下開(kāi)挖法在市政工程深基坑施工中的應(yīng)用

廖維剛

（四川路通路橋科技股份有限公司，四川廣漢618300）

1 引言

水下開(kāi)挖法在沉管隧道工程和水工工程中應(yīng)用較多，由于該類(lèi)工程難度大且專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，因此對(duì)施工工藝和技術(shù)要求都相對(duì)較高。另一方面，由于城市化水平的不斷提升，市政工程的壓力日益增加，作為城市發(fā)展和運(yùn)作的動(dòng)力，隨著城市用地壓力愈發(fā)緊張，市政工程開(kāi)始重視對(duì)隧道和地下工程的開(kāi)發(fā)，但由于部分地區(qū)地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，特別實(shí)在超厚強(qiáng)透水地層進(jìn)行施工建設(shè)時(shí)，傳統(tǒng)的深基坑施工工藝難以有效保障工程質(zhì)量，常規(guī)的開(kāi)挖法存在安全隱患，且工程造價(jià)也令財(cái)政部門(mén)難以承受。目前，盡管水下開(kāi)挖法在市政工程中的應(yīng)用尚未普及，但隨著深基坑工程數(shù)量不斷提升，關(guān)于水下開(kāi)挖法在市政建設(shè)中的應(yīng)用必將成為新的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)研究水下開(kāi)挖法在深基坑施工中的應(yīng)用情況，能夠積累理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)提升市政工程建設(shè)質(zhì)量具有重要意義。

2 水下開(kāi)挖法的適用條件

水下開(kāi)挖法更多適用于水工工程和隧道工程中，近年來(lái)隨著我國(guó)市政工程的建設(shè)環(huán)境日趨復(fù)雜，許多市政工程項(xiàng)目需要面臨深基坑施工的情況，傳統(tǒng)的開(kāi)鑿工藝受到技術(shù)限制，難以保障工程項(xiàng)目的可靠性與施工質(zhì)量，特別是在南方一些地下水環(huán)境相對(duì)復(fù)雜的城市市政工程建設(shè)中，經(jīng)常面臨著高水位深基坑或基坑地質(zhì)環(huán)境存在透水地層的情況，進(jìn)而對(duì)施工工藝提出了改進(jìn)和創(chuàng)新要求[1]。水下開(kāi)挖法在深基坑工程中的應(yīng)用是近年來(lái)用于解決市政工程技術(shù)難題的解決方案，要研究其應(yīng)用情況，首先要對(duì)水下開(kāi)挖法的適用條件有正確的認(rèn)識(shí)[2]。

一般情況下，水下開(kāi)挖法的應(yīng)用需要市政工程項(xiàng)目具備以下幾個(gè)基本特征：①工程施工地區(qū)臨近地表水系，地下水系發(fā)達(dá)或工程與地下水環(huán)境具有一定的聯(lián)系；②工程基坑分布有超厚強(qiáng)透水地層，傳統(tǒng)的豎直隔斷手段難以保障工程項(xiàng)目的正常建設(shè)，地層滲透系數(shù)較高；③基坑深度超過(guò)30m以上，普通的深基坑施工工藝難以適用。傳統(tǒng)的基坑施工工藝基本以隔斷方式來(lái)解決水系問(wèn)題或以支護(hù)手段來(lái)應(yīng)對(duì)水平抗力，而水下開(kāi)挖法本質(zhì)上是以一種“自平衡”工藝來(lái)解決深基坑施工過(guò)程中面臨的困難，能夠在一定程度上提升市政工程的抗風(fēng)險(xiǎn)能力和可靠性，相比傳統(tǒng)施工技術(shù)的工程造價(jià)也會(huì)顯著降低。筆者建議，施工團(tuán)隊(duì)在考慮水下開(kāi)挖法應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保工程項(xiàng)目具備下述特征：首先，基坑深度大、面積可控，即開(kāi)挖深度在30m以上，面積小于1000m2的工程；其次是工程要臨近于江河水系；最后是施工地帶地下水系發(fā)達(dá)，基坑與地下水或地表水系有一定聯(lián)系[3]。

3 A市風(fēng)井工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

本文以南方某副省級(jí)城市隧道風(fēng)井工程為例，闡述水下開(kāi)挖法在市政工程深基坑施工中的應(yīng)用情況。該市（以下簡(jiǎn)稱(chēng)A市）過(guò)江隧道臨近長(zhǎng)江沿岸，采用NS雙線(xiàn)盾構(gòu)法進(jìn)行建設(shè)。該隧道N線(xiàn)長(zhǎng) 4396m，S線(xiàn)長(zhǎng) 5840m，隧道內(nèi)徑12.85m，盾構(gòu)隧道外徑13.78m。其中該隧道的N線(xiàn)穿過(guò)江心的R島，市政規(guī)劃人員計(jì)劃在R島上建立一座風(fēng)井，作為人員疏散通道。其中風(fēng)井平面設(shè)計(jì)為圓形，內(nèi)外直徑分別為27.5m和30.2m。底板埋深22.756m，基坑深度46.213m，屬于超深基坑工程項(xiàng)目[4]。

3.2 施工方案及流程

由于江心水系環(huán)境復(fù)雜，施工場(chǎng)地土質(zhì)條件基本為粉質(zhì)黏土。下面為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人設(shè)計(jì)的基坑施工方案：風(fēng)井開(kāi)挖深度46.213m，使用1.5m厚的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。為保障風(fēng)井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及功能性，設(shè)計(jì)人員在基坑內(nèi)設(shè)置了多道環(huán)梁層，頂冠梁截面為1.5m*2.5m，環(huán)梁截面1.3m*1.6m。該項(xiàng)目風(fēng)井施工工序具體如下：①對(duì)江心隧道段進(jìn)行清場(chǎng)，保持施工現(xiàn)場(chǎng)平整度，為大型開(kāi)鑿設(shè)備預(yù)留出空間，同時(shí)為避免河道水面上漲對(duì)施工造成影響，臨時(shí)對(duì)江心島設(shè)置圍堰擋板；②先對(duì)基坑的旋噴樁進(jìn)行加固，再進(jìn)行圍護(hù)連續(xù)梁和頂冠梁建設(shè)；③基坑開(kāi)挖。基坑的開(kāi)挖順序設(shè)置為分層開(kāi)挖，自上而下直到第三道環(huán)梁位置。在經(jīng)過(guò)工程單位檢驗(yàn)后確?；迎h(huán)梁強(qiáng)度達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以后，再向基坑內(nèi)注水，使坑內(nèi)水位超出地下水位1.5m以上。在注水過(guò)程中如出現(xiàn)異常情況，如水位不受控制等情況，應(yīng)由項(xiàng)目經(jīng)理及時(shí)叫停并回灌護(hù)臂液漿以保障基坑穩(wěn)定。④開(kāi)挖完成后對(duì)坑壁和基底進(jìn)行清理，使內(nèi)壁和坑底保持平整后進(jìn)行混凝土澆筑對(duì)基坑進(jìn)行封底，最后清理積水完成全部工作[4]。

4 F市站區(qū)間風(fēng)井工程實(shí)例分析

4.1 工程概況

F市位于我國(guó)東南沿海地區(qū)，市政部門(mén)計(jì)劃在市內(nèi)某地鐵站區(qū)建設(shè)一處風(fēng)井工程，設(shè)計(jì)開(kāi)鑿深度約45m，長(zhǎng)寬分別為26.8m和19.5m。F市所在地土層結(jié)構(gòu)自下而上分別為卵石層、砂層、素填土和雜填土。臨近區(qū)域地下水系復(fù)雜，相對(duì)水深約為3.6-5.8m，水位標(biāo)高4.2m-8.5m，風(fēng)井項(xiàng)目屬于超深基坑工程，且水位互補(bǔ)關(guān)系明顯。經(jīng)工程組研討決定，該站區(qū)間風(fēng)井項(xiàng)目采用水下開(kāi)挖法進(jìn)行施工[5]。

4.2 施工設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)初期為降低風(fēng)險(xiǎn)，選擇了減壓排水法與懸掛圍護(hù)相結(jié)合的處理方案，基坑尺寸為26.8m*19.5m，深度45m，圍護(hù)墻厚度1.5m。地下連續(xù)墻的施工需要進(jìn)行槽壁加固，封底采用三翼高壓旋噴設(shè)備，直徑850mm，樁心間距650mm，使用降水井進(jìn)行排水減壓。在方案論證階段，要首先對(duì)基坑排水情況進(jìn)行試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，再將經(jīng)核算后的成果進(jìn)行論證。降水井的設(shè)計(jì)方面，采用直徑0.295m降水井設(shè)備，單位降水能力為5000m3/d。依據(jù)工程規(guī)模需求，至少需要同時(shí)布置12口降水井才能滿(mǎn)足布井需求，但受到基坑尺寸限制，無(wú)法滿(mǎn)足工程降水井布置要求。費(fèi)用方面，據(jù)工程造價(jià)部門(mén)計(jì)算，該基坑每日降水量打到60000m3以上，按6個(gè)月的工期計(jì)算，該項(xiàng)目共需要電費(fèi)330.85萬(wàn)元。

水下開(kāi)挖施工使用兩級(jí)開(kāi)挖法，首先對(duì)第一級(jí)已封底的基坑進(jìn)行降水，然后在第二級(jí)基坑采用水下開(kāi)挖。具體流程如下：①第一級(jí)基坑開(kāi)挖，加固基底和地墻并進(jìn)行降水操作；②向基坑內(nèi)注水使其超過(guò)坑外地下水位1m以上，開(kāi)挖至二級(jí)基底；③進(jìn)行水下混凝土澆筑并封底；④對(duì)基坑進(jìn)行清理并鑿除殘留的砂質(zhì)和泥漿，同時(shí)對(duì)項(xiàng)目穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)，在風(fēng)井內(nèi)進(jìn)行風(fēng)道和緊急通道建設(shè)[7]。

5 水下開(kāi)挖法在市政工程深基坑施工中的應(yīng)用情況

5.1 水下開(kāi)挖工藝

在A(yíng)市風(fēng)井工程中，水下開(kāi)挖法使用的是高壓旋噴機(jī)具作為開(kāi)鑿設(shè)備，使用的是三翼鉆頭進(jìn)行施工。在開(kāi)挖時(shí)先在旋噴器上安裝三翼鉆頭，旋噴機(jī)在工作時(shí)會(huì)對(duì)土體施加高壓水流，再配合三翼鉆頭的攪動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生對(duì)土體的切割和粉碎作用，可將黏土轉(zhuǎn)化為質(zhì)地均勻的泥漿。隨后聯(lián)動(dòng)低壓旋噴器和高壓水泵，保持下沉幅度和旋轉(zhuǎn)進(jìn)度的同步，最后待工用黏土全部打碎為泥漿后，將潛水渣漿崩放在旋噴設(shè)備一側(cè)進(jìn)行排漿。開(kāi)挖的過(guò)程要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)順序進(jìn)行，并且速度要控制在1.2-1.5m/d，開(kāi)挖的過(guò)程中基坑內(nèi)的水位要始終保持高于地下水位1.5m。所有參與水下基坑開(kāi)挖的設(shè)備相對(duì)深度高差不應(yīng)超過(guò)1.2m，才能保持開(kāi)挖面的平整均勻，保障風(fēng)井質(zhì)量。

5.2 深基坑養(yǎng)護(hù)與抗浮底板設(shè)計(jì)

施工過(guò)程中降水和地下水環(huán)境的變化可能導(dǎo)致坑內(nèi)積水，此時(shí)坑底的水壓高出承載負(fù)荷，在封底和接縫處容易出現(xiàn)滲水問(wèn)題，可能造成安全隱患，因此有必要在接縫處或圍護(hù)墻外增設(shè)抗剪槽來(lái)分擔(dān)水平壓力。其具體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。除抗浮底板外，施工部門(mén)還應(yīng)當(dāng)重視對(duì)基坑的清理，在澆筑后殘存的泥漿和雜質(zhì)會(huì)破壞土層均勻性和平整度，應(yīng)當(dāng)由專(zhuān)業(yè)的水下清理人員攜帶高壓水槍或刷壁器對(duì)基坑護(hù)壁和底層進(jìn)行清除，保障封底與地下連續(xù)墻的承接度，提升建筑穩(wěn)定性。

圖1 抗剪槽設(shè)計(jì)示意圖

5.3 混凝土澆筑

混凝土澆筑時(shí)基坑開(kāi)挖的后續(xù)步驟，如果市政工程項(xiàng)目選擇了水下開(kāi)挖工藝，則混凝土澆筑的流程也要隨之發(fā)生改動(dòng)。水下混凝土澆筑需要使用導(dǎo)管將已經(jīng)攪拌完成的混凝土輸送到基坑內(nèi)提前設(shè)計(jì)好的位置進(jìn)行澆筑，在業(yè)內(nèi)也被稱(chēng)為“滿(mǎn)堂紅”。一般情況下水下混凝土澆筑使用的導(dǎo)管為專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)的內(nèi)徑25cm，外徑35cm的無(wú)縫鋼管，導(dǎo)管的鋪設(shè)間距保持在4-5m，澆筑的過(guò)程要反復(fù)控制導(dǎo)管的位置，并且對(duì)澆筑情況進(jìn)行測(cè)量。首次澆筑之前要對(duì)每根導(dǎo)管的灌注量進(jìn)行計(jì)算，按照由外向內(nèi)的順序進(jìn)行澆筑；導(dǎo)管的位置調(diào)動(dòng)嚴(yán)格依據(jù)事先計(jì)算好的標(biāo)高進(jìn)行處理，要保證定位的準(zhǔn)確以及導(dǎo)管升降幅度的協(xié)同性。中間要對(duì)每次澆筑的混凝土材料用量以及導(dǎo)管位置進(jìn)行記錄和測(cè)量，并在下一次澆筑時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保障水下混凝土澆筑的質(zhì)量。最后，要對(duì)已經(jīng)基本成型的澆筑面進(jìn)行補(bǔ)救，使?jié)仓姹３制秸o(wú)裂痕。使用水下開(kāi)挖法對(duì)混凝土澆筑的工藝要求很高，施工時(shí)要把握技術(shù)流程和要點(diǎn)，提升應(yīng)用質(zhì)量。

6 結(jié)論

水下開(kāi)挖法適用于臨近地表水系和基坑地帶含透水地層的深基坑工程，在施工過(guò)程中要嚴(yán)格依照正確的施工工藝和作業(yè)流程進(jìn)行施工，做好水下開(kāi)挖施工設(shè)計(jì)，混凝土澆筑和基坑地層的養(yǎng)護(hù)，秉承“自平衡”理念進(jìn)行深入研究，加強(qiáng)大面積、超深基坑的應(yīng)用調(diào)研，更好地推動(dòng)市政工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展。望本文研究?jī)?nèi)容得到相關(guān)技術(shù)部門(mén)和施工企業(yè)的重視，在深基坑項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中做好實(shí)地考察，結(jié)合企業(yè)技術(shù)條件和施工現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)方案進(jìn)行反復(fù)的論證和調(diào)研，訂制出適合施工環(huán)境的技術(shù)方案，保障市政工程深基坑施工可控性與可行性。