水下开挖法在市政工程深基坑施工中的应用

孙智勇

（福州市城市地铁有限责任公司，350001，福州∥高级工程师）

水下开挖法在市政工程深基坑施工中的应用

孙智勇

（福州市城市地铁有限责任公司，350001，福州∥高级工程师）

随着城市基建发展，市政工程中出现越来越多的高水位、超厚强透水地层中的深基坑。结合两个采用水下开挖法施工的市政深基坑工程，分析了市政工程中采用水下开挖法的可行性、适应性、及难点问题。在市政工程引入水下开挖法，能够有效解决超厚强透水地层中深基坑施工难题。

市政工程；深基坑；水下开挖法

Author＇s address Fuzhou Urban Metro Co.，Ltd.，350001，Fuzhou，China

0　引言

水下开挖法主要应用于水工工程、沉管隧道工程中，具有难度大、专业性强等特点。该法在水工工程中积累了不少成功经验。文献［1］介绍了垂直升降式升船平台船坞工程的水下开挖施工技术。文献［2］介绍了国内同类工程之最——中船上海长兴岛造船基地一期工程港池的陆上和水下相结合的土方开挖施工方案。文献［3］依托引嫩扩建渠首泄洪闸工程的水下基坑工程，成功解决了地下水渗透系数大等复杂地质难题以及水下大面积开挖难题。文献［4］对北引渠首泄洪闸工程，采用土埌水下翻松、挖除、水面输送集于一体的水下开挖技术，显著提高了开挖效率，补充和完善了地质条件复杂的水下大面积基坑开挖技术；另外，水工工程基本解决了从淤泥到硬岩地层的水下开挖技术。文献［5］利用水下开挖法成功地完成了水闸水下淤泥开挖。文献［6-8］则对水下硬岩开挖技术进行了探讨。总之，水下开挖工法在水工工程中，积累了从工艺到监控的一整套技术［9-10］，并在南水北调中线干线一期穿黄隧道工程的竖井工程中，采用水下开挖技术成功开挖了国内50 m深的超深基坑［11］。

水下开挖技术在城市市政工程中的应用较少。但目前市政工程中，深基坑工程越来越多地遇到高水位、超厚强透水地层的情况，如采用常规开挖法，则为满足基底的抗承压水突涌安全系数，往往会采取超深竖向或水平帷幕截断地下水，其施工难度非常大，造价也非常高。

本文重点结合南京纬三路过江隧道梅子洲风井工程以及福州地铁2号线金祥站—橘园洲站区间风井工程，对高水位、超厚强透水地层中的深基坑采用水下开挖法开挖进行研究。

1　工程案例

1.1南京纬三路过江隧道梅子洲风井工程

1.1.1工程概况

南京纬三路过江隧道位于纬七路过江通道下游5 km、南京长江大桥上游4.5 km处，按N、S双线盾构法修建。其中，N线长4 930 m，S线长5 530 m。盾构隧道内径为13.3 m，外径为14.5 m。

隧道S线下穿梅子洲，并在岛上设中间风井，即梅子洲风井。该风井还兼作紧急情况下人员疏散逃生的通道。过江隧道所在区域位置关系示意图见图1。梅子洲风井位于梅子洲尾部一水塘中，其设计里程为SDK6+761.400—SDK6+790.60。风井平面呈圆形，外直径为29.2 m，内直径为26.8 m，底板埋深约为21.152 m。基坑开挖深度为44.452 m。

图1　平面示意图

1.1.2工程地质及水文体质

梅子洲风井所在场地地层岩性以全新统灰色和灰褐色粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂以及圆砾混卵石地层为主。其地质剖面图见图2，地层物理力学参数建议值见表1。

场地上层潜水的水位为天然地面下0 m，下部承压水主要接受长江江水补给，故承压水水头与长江水位齐平。根据勘察报告，1950年—2007年间，南京水位站历年最高水位为+8.31 m，最低水位为-0.37 m。梅子洲风井所在长江河段100年一遇设计洪水位为10.98 m，300年一遇设计洪水位为11.45 m，勘察期间（2009年9月13日）长江水位为+5.80 m。

图2　梅子洲风井地质剖面图

表1　梅子洲风井地层物理力学参数建议值表

1.1.3风井基坑实施方案

梅子洲风井开挖深度为44.452 m，围护结构采用1.2 m厚地下连续墙，其嵌固深度取18 m，共设24幅槽段。

根据计算分析结果及风井内部结构的建筑使用功能，基坑内部设置三道环梁。其中，顶冠梁截面为1.2 m×2.5 m，环梁截面为1.2 m×1.5 m。地下连续墙外侧3.6 m范围内的盾构穿越区土体采用旋喷桩加固。加固方案见图3。

梅子洲风井施工工序为：

（1）施工场地平整及临时防洪围堰施工。

（2）基坑内外侧高压旋喷桩加固施工，地下连续墙及顶冠梁施工。

图3　梅子洲风井平面及地层加固方案

（3）基坑开挖。由上而下依次分层分块开挖并浇筑环梁，直至第三道环梁。待环梁达到设计强度后，向坑内灌水。坑内水位应高于坑外地下水位（不少于1.0 m）。水下分层分块开挖至基坑底部，水下开挖过程中应保持坑内液面不变。如有异常，应立即上报并提前向坑内回灌护壁液浆。

（4）对坑底进行平整、清底，并在水下分层浇筑混凝土。完成23 m厚的素混凝土封底结构后，清除基坑内积水。

（5）顺作法施工其余风井结构。

1.1.4实施情况

南京梅子洲风井于2012年2月开始施工，50 d完成地下连续墙施工。同年4月开始水下开挖及内衬结构水下浇筑，2013年4月完成。5月份完成竖井内填充素混凝土水下浇筑。

2015年4月份，纬三路盾构机掘进通过风井素混凝土段。7月中旬完成竖井内素混凝土凿除及内部风井结构施工。

实施情况表明，梅子洲风井施工全过程安全可控。

1.2厚庭站—桔园洲站区间风井工程

1.2.1工程概况

福州地铁2号线厚庭站—桔园洲站区间中间风井位于乌龙江东侧、金祥路与三环快速路丁字路口西侧。其设计里程为YDK19+921.539—YDK19 +936.039。风井长24.2 m，宽16.3 m，深度约为40m。该风井平面图见图4。

图4　厚庭站—桔园洲站区间中间风井平面图

1.2.2工程地质及水文地质

风井处土层从上至下依次为杂填土、素填土、粗中砂（稍密）、粗中砂（中密）、卵石层。基坑底主要位于卵石层。地质勘探钻孔最深余70 m仍未打穿卵石层。其地质剖面图见图5，地层物理力学参数建议值见表2。

地下水主要为潜水、基岩裂隙水。潜水水位埋深3.40～5.66 m，水位标高3.40～8.13 m，含水层主要为粗中砂、卵石层，强透水。乌龙江与两岸地下水有较密切的水力联系，江边地段水位互补关系明显。

图5　厚庭站—桔园洲站区间中间风井纵剖面图

1.2.3区间风井基坑实施方案

桔园洲站降水试验测得单孔涌水量为220 m3/ h，综合渗透系数为105 m/d。区间风井距离桔园洲站300 m，临近乌龙江，地层涌水量及渗透系数较大。

1.2.3.1初步设计方案

本工程在初步设计阶段采用了悬挂式围护结构+减压降水方案。基坑平面尺寸24 m×17.2 m。基坑深40 m，采用1.2 m厚地下连续墙围护。地下连续墙深52.2 m，采用双轮铣施工。

地下连续墙成槽前进行三轴搅拌桩槽壁加固，成桩直径650 mm，桩心间距400 mm。坑内8 m深度范围采用直径800 mm，且桩心间距600 mm的三重管高压旋喷桩封底。基坑设降水井降水减压。

1.2.3.2方案论证及变更

施工图阶段，根据相关降水试验成果，进一步对风井采用减压降水方案论证。

表2　厚庭站—桔园洲站区间中间风井地层物理力学参数建议值表

（1）降水井布置。采用口径0.325 m的37 k W降水井。其降水能力为0.5万m3/d。考虑备用井需布置16口降水井。但基坑长仅24.2 m，宽仅16. 3 m，基坑周长过小无法满足布井要求。

（2）工程风险分析。根据相关降水试验帷幕降水成果，降水将导致基坑内外到达35 m的水头差，即地下连续墙接头处承担0.35 Mpa水压。故地下连续墙接头处存在较大的喷涌风险。

（3）降水费用。经测算基坑每天降水量为6.2万m3。按降水8个月计算，则需电费428.5万元，工程费770.4万元。

综上，由于本区间风井基坑原来的降水减压施工方案降水难度大、费用高，且降水后带来了较大的墙缝突涌水风险，故综合研究后，决定采用水下开挖法进行基坑施工。

1.2.3.3水下开挖施工方案

区间风井建筑方案由原先的地下五层方案调整为地面一层，地下三层方案。

基坑采用两级开挖方式。其中，第一级基坑采用深层水平封底后，疏干降水开挖；第二级基坑采用水下开挖方式。具体水下施工工序见图6。

保密性是无线通信网络信息安全防护的主要方式。无线通信网络系统的保密性业务主要包括语音与数据保密性、用户身份与位置保密、用户和网络间信息保密性等。采用保密性方式之后，除了信息的参与者之外，其他人即使截获了信息也不能破解其中的含义。

图6　厚庭站—桔园洲站区间中间风井水下施工工序

步骤1：施做地墙、基底加固、疏干降水，分层开挖第一级基坑（基坑深18.5 m）。

步骤2：基坑内注水，水下分层开挖至第二级基坑底。

步骤3：水下浇筑封底混凝土。

步骤4：回灌低标号填充混凝土。

步骤5：盾构拼管片掘进过风井素混凝土段。

步骤6：从地下三层向下凿除素混凝土、施做风道及联络通道。

1.2.4区间风井实施情况

2　水下开挖法在市政工程中可行性及适应性

上述两个案例工程有以下共同点：

（1）临近地表水系。南京梅子洲风井位于长江梅子洲，福州地铁2号线区间风井临近乌龙江。地表水系与地下水有较密切的水力联系，两者之间水位互补关系明显。

（2）基坑范围内地层分布有较厚的透水地层，地层渗透系数大。基坑地下相对隔水层都比较深，难以采用竖直隔断手段。

（3）基坑开挖深度都大于40 m，属于超深基坑工程。

笔者认为，位于高水位、超厚强透水地层中的市政深基坑工程采用水下开挖法，不再是以“抗”为主的传统市政基坑设计方法，而是以“自平衡”的方法来抵抗高风险，由此可解决市政传统基坑开挖法的难题，减缓工程风险，降低工程投资。总体来说，水下开挖法经济可行。

但水下开挖法在市政深基坑工程中也有其使用范围。笔者通过对两个项目的考察，进行了相关资料调研，并结合水下开挖工法的特点及难点，建议其适用范围为：①临江、河、湖、海且采用明挖法施工的深基坑工程；②基坑开挖深度不小于30 m，且基坑面积不大于1 000 m2；③基坑下部范围及基坑底存在强透水地层，且该地层与地表水系存在密切的水力联系。

3　深基坑水下施工工艺及抗浮板设计

3.1水下施工工艺

3.1.1水下开挖

参考梅子洲风井水下开挖经验，水下开挖可利用高压旋喷施工机具加载三翼钻头（见图7）进行施工水下开挖时各类机械的布置方案见图8。机械的型号参数见表3。首先，在喷嘴上方安装1个三翼钻头，通过旋喷机的高压水和三翼钻头对土体进行充分切割搅动，使土体变为均匀的泥浆；然后，先下放低压旋喷喷头至地表以下30 cm，再开动高压水泵及空压机，边旋转边下沉，下沉速度为25～35 cm/min，提升速度为50～60 cm/min。最后，将潜水渣浆泵安装在旋喷设备一侧，待原状土变成泥浆后，用旋喷设备上副卷扬机将渣浆泵放入泥浆中进行排浆。

图7　旋喷机加载的三翼钻头

表3　水下开挖施工机械及其参数表

开挖应分层实施，严格控制开挖速度在1.5 m/ d以内。开挖时应保持坑内液面不变，且不低于坑外地下水位1.0 m。各开挖设备的开挖深度高差应控制在1.0 m以内，以确保开挖面均匀下降。

地下连续墙边壁残留土体采用高压水冲刷切割。

3.1.2水下混凝土浇筑

大面积水下混凝土浇筑采用满堂红法。选用直径25 cm、壁厚10 mm的无缝钢管作为导管，并按不大于5 m的间距布置导管。

图8　水下开挖机械安装示意图

混凝土浇筑采用首批灌注→正常灌注→导管提升→测量→再灌注的顺序施工。首批灌注须确定每根导管首批混凝土灌注量；正常灌注顺序由风井外围向中心灌注；导管提升必须严格按照测量所得混凝土标高和导管埋深控制；在第一根导管开始灌注后，每隔30 min记录一次各测点的混凝土表面标高，以确定混凝土流动半径和坡度，作为其余导管首灌混凝土的依据。

水下混凝土浇筑过程中，应保持混凝土面均匀上升，且保持导管埋深不小于1.0 m。维持坑内液面不变，且高于坑外地下水位（不小于1.0 m）。

3.2抗浮底板设计

施工后期坑内降水后，封底混凝土底面的水压较高，在封底混凝土板与地下连续墙界面接缝处出现较严重的渗漏水问题，故建议在封底混凝土与围护墙之间设置抗剪槽，以满足封底混凝土板抗浮要求（见图9）。

图9　抗剪槽示意图

当水下开挖完成后，采用刷壁器配合高压水枪清除凹槽中的残留泥浆和土层，并由潜水员进行辅助清理和检查，以确保水下封底混凝土与地下连续墙的有效承载搭接。

4　结语

由南京纬三路过江隧道梅子洲风井以及福州地铁2号线厚庭站—桔园洲站区间风井两个工程实际情况可以看出，在高水位、超厚强透水地层深基坑工程中，水下开挖法的“自平衡”理念符合当今岩土工程发展方向，在类似市政工程中应用前景广阔。

此外，随着城市轨道交通的发展，车站工程中可能出现3层、4层的超深、大面积基坑。对这种基坑可设计分仓开挖的方式以适应水下开挖法。

［1］ 李学武.船坞工程水下开挖施工技术［J］.广东水利水电，2003（S2）：30.

［2］ 李耀良，王理想，余振栋，等.超大面积港池基坑的陆上和水下开挖施工技术［J］.建筑施工，2008（10）：848.

［3］ 李华.基于大面积水下基坑开挖的特点分析与对策［J］.黑龙江水利科技，2012（3）：207.

［4］ 杨甫权，白广明.水下大面积基坑快速开挖施工方法——北引渠首工程中应用实例［J］.黑龙江水利科技，2012（8）：74.

［5］ 杨方.水下淤泥开挖施工技术［J］.甘肃水利水电技术，2005（4）：392.

［6］ 李华.基于大面积水下基坑开挖的特点分析与对策［J］.黑龙江水利科技，2012（3）：207.

［7］ 林道冶，金国林.浅谈液压破碎锤水下破碎开挖施工工艺［J］.小水电，2014（4）：75.

［8］ 洪荣太.用高压喷流开挖水下岩石［J］.水运工程，1980（11）：46.

［9］ 陈刚.码头低水港池的水下开挖施工工艺［J］.中国水运，2015（7）：277.

［10］ 段宝德，石满菊，王剑.水下开挖施工监控系统［J］.现代测绘，2007（6）：25.

［11］ 张健.超深竖井水下开挖施工关键技术［J］.公路与汽运，2011（2）：174.

Application of Underwater Excavation Method in Municipal Excavation Engineering

Sun Zhiyong

With the development of urban construction，high hydraulic pressure and powerful permeable stratum appeared frequently in municipal excavation engineering. Combined with two projects that adopted underwater excavation method，the feasibility，adaptability and difficulties of this method are analyzed，in order to solute problems of high hydraulic pressure and powerful permeable stratum in deep foundation pit construction with this method.

public works；deep foundation pit；underwater excavation

TU 753.6

10.16037/j.1007-869x.2016.03.023

（2015-05-27）