黄河主河道深基坑开挖及干封底施工技术

2018-06-29黄少华任思勉

筑路机械与施工机械化 2018年5期

黄少华，任思勉

(中交隧道局第二工程有限公司，陕西西安710100)

0 引言

随着中国基础设施建设行业的发展，有时需要对河道或地表进行开挖，在河道或地下水位高的地域修筑建筑物。刘建伟对水下封底混凝土分别采用加固土和混凝土换撑来模拟围护结构计算,验算施工期间封底结构抗浮稳定性和承载力,并针对施工重难点提出针对性措施,确保施工质量和安全持续可控[1]。孙智勇结合2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，有效解决了超厚强透水地层中深基坑施工难题[2]。张洪波对深基坑开挖施工中不同水文地质条件、工程施工条件下的各类工程降水方法进行了总结[3]。以往此类基坑开挖的难点在于：水下开挖时基底标高难以控制；围堰及护筒四周泥沙难以清理到位；水下封底时因无法直视，封底混凝土顶面平整度难以控制；且其投入较大，施工周期较长[4]。根据水土力学特性，水压力是影响围堰结构安全的重要因素，因此降低地下水位，减小围护结构受力，是加快施工进度、保障施工安全和质量的关键。本文结合实际工程，对原定水下开挖、水下封底施工工艺进行人、机、物等多方面优劣分析，结合多种施工方法的优点，优化水下深基坑开挖施工工艺，提出基坑外部水位与内部砂土同步抽排的施工方法，确保基坑干封底，从而节省施工工期，降低施工成本。

1 工程概况

禹门口黄河公路大桥主桥为(245+565+245)m 三跨双塔双索面钢混叠合梁斜拉桥，全长1 055 m；主桥承台结构尺寸为：11#承台49 m×29 m×6 m，12#承台49 m×24 m×6 m。根据地质、水文条件，11#、12#索塔承台均处在细砂层，考虑成本投入、施工进度、难易程度、材料设备投入、实施性及安全质量等因素，两承台施工均采用钢板桩围堰作为施工围护结构。主桥基坑分别深9.5、10.5 m，钢板桩围堰外侧打设管径400 mm、深20 m的降水井，11#承台外侧打设48口降水井，12#承台外侧打设28口降水井；主桥11#开挖土方为16 245 m3，主桥12#开挖土方为15 300 m3。

2 工艺优化

2.1 原有水下开挖施工工艺

针对主桥12#索塔承台基坑，初步拟定采用高压射水配合泥浆泵和空气吸泥机组合方式开挖。根据现场的实际情况，施工中首先将所有设备调试正常，开挖初期在基坑内人工高压射水切割冲泥，用泥浆泵吸泥开挖；当地下渗水量增大时，改为空气吸泥机吸泥，并保证空气吸泥机在水面以下最小深度，启动补水泵向基坑内补水，保持基坑内水位高于地下水位1～2 m；再启动高压泵水下冲土，最后开启空气吸泥机，移动吸泥管达到正常冲吸土。在空气吸泥机吸泥过程中，应不停向基坑内补水，保证基坑内外水头差[5-7]。

基坑吸泥共投入2套吸泥机，分别从无内支撑区域、靠近围堰腰部内支撑且靠近基坑轴线附近开始吸泥，周边土体自然向吸泥管口塌落，从而形成大锅底，待开挖至距离设计开挖面1.0 m时，根据施工过程中具体测量情况向四周移动吸泥机循环作业，从而完成边缘土体的开挖[8]。底部大约1.0 m土体开挖时，先关闭高压水泵，仅开启空压机进行清底，空气压力随实际开挖情况进行调节，清底时空气吸泥机在内支撑之间转移，且需边清底边提升吸泥机，开启高压水泵清理护筒及钢板桩围堰内侧壁上的土体，必要时需潜水员下去清理护筒及钢板桩围堰内侧壁上的土体。

此施工工艺需不间断地往基坑内注水，开挖完成后将面临水下封底的难题，很可能增加潜水员水下作业等高风险作业环节。水下封底施工工艺流程如图1所示[9]。

图1 基坑水下封底施工工艺流程

由水下封底施工工艺可以看出，水下封底前需要对基底进行清理整平，对钢板桩及钢护筒外壁进行清理，整个过程均为水下操作，危险性大，且难以保证整体质量。同时，水下封底需要投入大量的钢材搭设封底平台，并需要多套导管，材料设备投入大；与干封底相比，水下封底混凝土的标号、厚度均需增大，封底成本也随之急剧加大[10]。

2.2 主桥12#承台基坑施工工艺

主桥12#承台基坑开挖时，针对水下吸泥开挖、水下封底施工技术的诸多不利，提出了井点降水、干开挖、干封底的施工方法，旨在通过降水使基坑开挖实现无水眀挖，减少开挖深度，降低开挖成本，减少封底成本，提高封底质量。

根据工程地质勘察报告及水文地质特征确定土的含水层及各层土的渗透系数。通过理论计算得出坑基降水深度，初步确定降水井井管的直径、长度和布置间距，然后在围堰外围均匀布置降水井。在承台基坑开挖前期及施工过程中，利用水泵持续不断排水，使基坑内水位降至基坑底以下，所有开挖土体保持干燥状态[11-12]。

施工时在承台基坑四周设置28口深20 m的降水井，管径400 mm，下放水泵，调试，抽水。提前抽水20 d后，安装第一道围凛和内支撑，然后采用长臂挖机进行基坑开挖；当挖至第二道钢支撑以下50 cm处时，安装第二道钢围檩和钢支撑；当挖至第三道钢支撑以下50 cm处时，安装第三道钢围檩和钢支撑[13-14]；然后将小型挖机放入基坑内进行开挖，直至挖至封底混凝土底面，进行承台干封底施工。对少量渗水可采取基坑四周开挖排水沟和积水井的方式进行抽排。待封底混凝土达到设计强度后，拆除第三道钢支撑，最后破桩头，进行承台施工[15-16]。

主桥12#承台基坑施工工艺流程如图2所示。

图2 主桥12#承台基坑施工工艺流程

2.3 主桥11#承台基坑施工工艺

主桥12#承台基坑开挖过程中主要存在的问题是：降水提前进行；对于工期要求高的工程适用性较差；开挖过程需投入大量的机械设备；设备利用率低。针对此弊端，主桥11#承台基坑开挖时，在12#施工工艺的基础上进行优化改良，改用长臂挖机配合抽沙船进行基坑开挖，降水井同步降水，保持外部降水与外部抽砂抽排速率基本一致。主桥11#承台基坑施工工艺流程如图3所示。

图3 主桥11#承台基坑施工工艺流程

此施工方法主要是通过抽沙船将基坑内水、沙、泥等混合物抽排，长臂挖机辅助将大块石头或达不到抽沙船工作条件的部分土体清理出基坑；基坑外围井点降水则是确保在开挖过程中承台基坑钢板桩围护结构内外水压力基本保持平衡，并保障封底时基坑底处于无水状态，以达到干封底条件。

主桥11#承台基坑较12#承台基坑开挖施工而言，节省降水井前期抽水时间约20 d，大大加快了整体施工进度，且施工工艺亦可满足干封底条件，减少了人工、材料、机械费用，比较可行。

3 控制要点

3.1 井点降水

(1)平面布置。根据工程水文地质情况，结合施工经验计算单口井降水漏斗及基坑总涌水量，确定降水井的直径、数量以及井管长度，然后在承台基坑钢板桩围堰外侧均匀布置降水井[17-19],如图4所示。

图4 施工现场降水井

(2)降水井成井工艺。井点降水施工注意事项如表1所示。

表1 降水井施工注意事项

(3)降水运行控制及监测。降水井施工完成后应立即投入预抽水，降水过程中可随井内水位及时开泵或关泵，根据开挖进度控制降水速率，保证围堰内外水位高差在0.5 m范围内。

3.2 基坑开挖

(1)采用长臂挖机进行基坑土方开挖(图5)，清理基坑顶部土体至第一层钢支撑位置以下0.5 m处，安装第一道钢围檩和钢支撑。

图5 长臂挖机开挖基坑

(2)第一道内支撑安装完成后，将基坑长度方向从中间分成2个开挖区域，在每个区域的中间位置开挖一处3 m×3 m×1 m的坑槽，利用基坑内原有水位将抽沙船吊入基坑，悬浮在坑槽内进行抽砂开挖(图6)；开挖过程中，每隔3 h测量一次基坑内水位标高，通过调整降水及抽砂速率确保围堰内外水位高差在±50 cm范围内。

图6 抽沙船开挖基坑

(3)开挖至第二道钢支撑以下50 cm处时，安装第二道钢支撑以及第一道钢支撑和第二道钢支撑之间的连接；开挖至第三道内支撑以下50 cm处时，安装第三道钢支撑及其与第二道钢支撑之间的连接构件[20-23]。

(4)抽沙船开挖面为漏斗形，开挖过程中记录砂土漏斗半径及深度，在快开挖至基坑底标高时计算漏斗体积，确保凸起砂土能填满漏斗体，然后停止抽砂。

(5)开挖至基坑底标高，在围堰外水位降至基坑底标高以下50 cm后，先利用高压水枪清洗钢板桩及钢护筒外壁的泥沙，然后利用小挖机对基坑底面进行整平处理，如图7所示。

图7 基坑整平

3.3 基坑封底

(1)基坑底面平整完成后，在基底铺设彩条布(图8)，防止封底混凝土浇注时基底砂土影响封底混凝土质量。

图8 基底铺设彩条布

(2)由于封底施工过程中难免有杂物出现，封底由基坑一侧向另一侧进行，封底过程中及时清理混凝土自流动前端的杂物，保障封底混凝土质量。

(3)封底时，先在基坑内每个钢护筒上做好标志，标记出封底混凝土标高位置，保证封底结束后封底混凝土顶面平整。

4 结语

深基坑开挖及干封底施工技术，较以往水下开挖、水下封底的施工工艺而言，能迅速降低地下水位，保证基坑开挖和干封底施工顺利进行。井点降水结构简单，降水设备及操作工艺简便，运行成本低，工程降水性价比高。降水后，围堰外水土压力大幅降低，围堰内支撑体系优化减少部分型钢支撑，节省施工成本。同时，由于土层从有水变成无水状态，内摩擦角变大，钢板桩所受的主动土压力随之变小，提高了围堰的安全性。降水与开挖同步进行，极大缩短了施工工期。干封底可减少一半以上混凝土用量，钢板桩入土深度亦可减小，即钢板桩长度由原来的21 m减少至18 m，节省成本。干封底可避免水下封底的盲目性，基底标高得到有效控制，封底混凝土与各构件之间紧密黏结，封底质量得以保证。工程实践充分验证了此施工工艺的可行性，为项目降低了施工风险，加快了施工进度，节省了施工成本，可为类似工程提供参考。

参考文献：

[1] 刘建伟,卢致强,付波,等.地铁超深基坑水下混凝土封底施工技术[J].城市轨道交通研究,2017,20(11):83-89.

[2] 孙智勇.水下开挖法在市政工程深基坑施工中的应用[J].城市轨道交通研究,2016,19(3):114-118，137.

[3] 张洪波,陈胜,卢卫东.深基坑开挖过程中地下水控制方法探讨[J].土工基础,2012,26(3):84-87.

[4] 李春波.大断面钢板桩围堰水下封底砼施工技术[J].铁道建筑技术,2016(S1):117-120.

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[11] 杨耀中,赵峰,沈炜皓,等.长江漫滩地区水利工程深基坑降水浅析[J].科技资讯,2017(12):48-49.