基于大面积水下基坑开挖的特点分析与对策

李 华

(黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江 大庆 163000)

1 工程特点分析

1)泄洪闸工程区内地下水为第四系松散层孔隙水，分为上、下两层，上层为第四系全新统松散层孔隙潜水，含水层由级配良好细砾组成，极强透水性;下层为第四系中更新统孔隙承压水，含水层由级配不良细砾组成，承压水头高8.60～11.40 m，顶板埋深12.80～13.40 m。如采取常规的排水开挖，下层承压水将顶穿相对不透水层，而扰动闸基础，故泄洪闸基础开挖必须选择在水下进行。

2)围堰内闸室基坑土方开挖总量为3.9万m3，水下级配细砾开挖工程量较大，闸室部位最深开挖底高程为166.00 m，如江水位为176.50 m，则基坑内水下最深达10.5 m，当水深超过8 m时，抽砂船开挖的效率极低。

3)在169.01～172.18 m高程以下有4.95～9.80 m厚连续分布、中密的级配良好细砾，比较密实，需提前翻松后才能用抽砂船开挖，水下开挖难度大。

4)在两岸存在大量冻土，并进行原码头及护岸拆除。

2 采取的对策

对于主体基坑土方开挖工程的施工，采取挖掘机及挖泥船联合施工作业的方式，中间部位先用长臂挖对中密的铁板砂进行翻松，再用挖泥船进行开挖，岸边位置采用单勾、反铲及长臂挖掘机进行开挖。

3 主要施工方案

4月30日前枯水期嫩江水位在174.00 m左右，基坑挖深在江水面以下为8 m，汛期在设计标准内挖深为12.02 m，汛前期为10.21 m，所以在不同的嫩江当时水位的水下开挖亦是影响工程进程的关键。在江底169.01～172.18 m顶高程有4.95～9.80 m厚连续分布、中密的级配良好细砾，对这层已经板结的密实的砾石层，不仅坚硬而且水下开挖深度大，所以其开挖难度较大。

3.1 基础开挖布置

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，由挖掘机在两侧同时开挖，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，采用长臂挖掘机开挖，最后用挖砂船挖至设计底高程，边坡按水下自然稳定为止，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。

闸室水下砂砾开挖根据设计单位给定的地质资料，开挖地层砂砾由级配良好的细砾组成，为黄色、饱和、中密连续分布坚硬板结地层，如直接采用挖泥船或采砂船进行开挖效率极低。采取先用长臂挖掘机对该开挖层进行翻松后，再用挖泥船及采砂船进行开挖的施工方案。

基坑内砂砾料开挖随着开挖区域内的水深不同，采用不同的施工方法:岸边挖掘机可作业的部位水深在3.0 m之内的采用普通挖掘机进行开挖，水深在3.0～5.0 m采用长臂挖掘机进行开挖;挖掘机进不去及水深超过5.0 m的区域采用挖砂船及挖泥船进行开挖。

闸室段基础开挖宽度为22.5 m，长度为228.65 m，基础开挖底高程为轴线右侧166.0 m，轴线左侧166.50 m，开挖工程量约为3.9万m3，其中主江道抽砂船开挖 0.78万m3，挖掘机开挖区域3.1万m3。闸室开挖分为2个开挖区域，即闸室一区，二区。闸室轴线右侧(Ⅰ区)开挖底高程为166.00 m，轴线左侧(Ⅱ区)开挖底高程为166.50 m。

1)主江道抽砂船开挖区域，按照抽砂船的生产效率180m3/d·台×5台=900m3/d计算，需要9 d时间。

2)挖掘机开挖区域工程量为3.1万m3，上部4.0 m采用普通挖掘机开挖，共计开挖方量约为1.8万m3，普通反铲挖掘机的生产效率按照1 500 m3/d计算，需要12 d时间;4.0 m以下采用长臂挖掘机紧跟其后，一次开挖到位，共计开挖方量约为1.3万m3，长臂挖掘机功率为 500 m3/d·台，需要长臂挖掘机施工26 d。

闸室段基础开挖的2个施工区域同时施工，按照最大施工时间计算需要26d，即2010年6月25日—7月21日闸室段部位基础开挖全部完成。

3.2 级配良好密实细砾层水下翻松方法

租用能够承载长臂挖掘机的200 t拖船一艘，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拖船，长臂挖掘机在水上开挖作业。固定于浮船上的0.5 m3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。

3.3 闸室基坑水下土方开挖方法

江底经过翻松后的区域再采用50 m3/h抽砂船施工开挖方案。当开挖水深超过8.0 m施工困难时，主要采取两种方法解决:①对抽砂船进行配重，降低抽砂船的吸程;②加快截渗工程施工进度，提前进行基坑内抽水，降低基坑内的开挖作业水面。保证泄洪闸水下开挖的几何尺寸及高程，是泄洪闸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。挖砂船开挖出的砂砾料，直接输送到岸上，再用推土机集堆淋水，然后用装载机装自卸车运送到围堰外的建设单位指定的临时弃渣场，用推土机将渣料集堆。

水下开挖出的土方的临时堆料场设置在下游围堰与大江右岸的沙坑(可以临时堆放10万m3)和下游围堰与导流明渠之间的沙坑内(可临时堆放2万m3);待沥水后由挖掘机装自卸翻斗车运至指定弃渣场。

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，用链斗式挖泥船进行扫平。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。

3.4 冻土开挖

每施工段均需要配备1～2台带松土器的挖掘机，先翻松挖除上层冻土，然后采用反铲挖掘机进行水下土方开挖。

基坑的岸上部分已经发生冻结，加之尼尔基水库冬季为国家东北电网调峰发电放水，导致工程区域江段的水位变化每天在1.0 m左右，增加了冻土开挖量。为了加快施工进度需要进行冻土开挖，采用带松土器的单钩液压挖掘机首先对上部冻层进行翻松挖除，后面紧跟反铲挖掘机进行水下砂砾料开挖，最后采用长臂挖掘机及抽砂船进行开挖到位。

3.5 岸边护岸及码头拆除

在开挖区域在江道岸边有混凝土码头及多年累积施工的固床抛石护岸3106.45 m3，钢筋混凝土码头33.6 m3，素混凝土面57.8 m3，在进行岸边开挖之前需进行拆除。水下部分冻土及混凝土采用液压冲击镐先破碎，其余部分用液压单钩钩松，再用反铲挖掘机挖除，对3.0 m以下普通钩机挖不到的部位采用索铲及长臂挖掘机进行护岸块石的拆除。拆除的碴料经岸边沥水后，用挖掘机装自卸翻斗车运至指定弃渣场。

3.6 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。

通过采用上述综合开挖方案，使泄洪闸工程顺利完成了复杂地质条件下大面积基坑开挖，对加快泄洪闸工程建设，降低工程成本，提高工程质量，实现工程项目的早日投运和效益的发挥起到了决定性作用，经济效益十分显著。