某水库输水管道穿越河段深基坑支护方案比选

武艳红

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 工程概况

四川省李家岩水库位于崇州市怀远镇文井江出口河段，是四川省重点水利项目，国家级中心城市成都市的“第二水源”，水库总库容1.73亿m3，工程规模大(2)型。工程建成后将为成都市自来水六厂、七厂提供原水，以保证主城区及天府新区应急供水。水库与水厂之间输水管道线路总长度约50.0km，双管并行敷设，管径分DN3000、DN2000、DN2800三种，自取水点至受水点管道途经崇州市怀远镇和街子镇、都江堰市石羊镇、温江区寿安镇、郫都区德源镇、唐昌镇、三道堰镇，并在崇州市街子镇双河社区穿越味江河。

根据前期对味江河特性调查结果，输水管道穿越味江河段初设采用明渠导流，分期明挖的施工方式。该处河道宽度约80～110m，河道内大部分区域为干涸河滩，河水沿河道左侧流经，宽约5～10m左右，水深约1.0～2.0m。现状河中底标高583.0～585.0m，两岸现状地面标高589.0～590.0m。根据工艺布置，管道穿越河道时考虑冲刷及行洪要求，采用“U”型下穿方式，管道埋深约7.0～8.0m。穿越味江河施工阶段，围堰施工时发现河道地质情况较初步设计变化较大，通过补充勘察，主河道管道穿越段K0+357～K0+430基坑开挖范围主要存在软塑素填土，深度约6.0～12.0m，由粘性土及中砂组成，颜色呈灰色、灰青色，状态较软，易变形，物理力学参数差(c=8KPa，φ=4°)，推断为盗采砂卵石后采空区回填淤积而成。针对此类地质条件，对该段基坑支护拟定方案进行对比分析[1]，并选用最优方案用于指导实施。

2 基坑支护方案的选择

2.1 方案拟定

李家岩输水管道味江河穿越段下游距已建成都市第三绕城高速公路桥约50.0m，上游左右岸均有地方砂石加工厂和木材加工厂。根据《中华人民共和国公路安全法、公路安全保护条例》，“属于高速公路的，公路建筑控制区的范围从公路用地外缘用地起向外的距离标准不少于30米”[2]，线路无法向下游侧调整；由于地方砂石加工厂和木材加工厂拆迁和停工补偿费用较高(约1750万元)，线路向上游调整的可行性不强。同时，味江河是崇州市重点河流西河的一级支流，为典型的季节性河流，为保证施工安全，地方水行政主管部门要求只能在每年10月1日—次年4月30日进入河道施工。

该河道穿越段基坑有以下显著特点：①基坑开挖深度大。开挖深度约7.0～8.0m，属深基坑施工范畴；②地质情况差。施工区域主要为软塑素填土，土层厚度较厚，天然含水率高，呈流塑状，地基承载力低[3]；③地下水位高。由于管道穿越主河道，基坑位置与河道水系相连通，对基坑支护的防渗要求高[4]；④周边环境情况复杂。基坑周边存在已建高架桥梁和材料加工厂、堆场，施工干扰大。

针对该段基坑的特点，结合地质补充勘察资料，提出以下3种方案进行对比分析。

方案一：放坡开挖支护。基坑上下游围堰完成后分级放坡开挖，坡比1∶1.5～1∶3，坡面进行挂网喷混凝土封闭，并采用土钉加强支护，因基坑下游侧距离第三绕城高速公路较近，放坡坡比采用较陡的1∶1.5～1∶2，为增加边坡稳定性，首先在下游侧边坡原状河床高程打三排高压旋喷桩(φ400～600mm，@600mm，L=12m)再进行基坑开挖[5]。基坑防渗采用高压旋喷桩。方案一如图1所示。

图1 方案一示意图

优点：施工简单便捷，如无软弱地质，则造价低，施工工期短。

缺点：遇深厚淤泥等软土层须先行加固处理(常采用旋喷桩、碎石桩、水泥桩)后再开挖；桩身质量难以保证；开挖过程中位移变形较大，安全风险大；基坑较深时，加固范围较宽，需格栅式布置[6]，造价高，不经济；需开阔的施工场地。

方案二：灌注桩支护。沿基坑边线填筑施工平台，施工平台顶高程满足枯期防汛标准，在施工平台上施工灌注桩做为深基坑围护。灌注桩采用φ1200mm桩径，桩间距@1600mm，桩身长度18.5～20.5m，伸入中密卵石层4.0～6.0m[7]。灌注桩间设φ600mm高压旋喷桩止水，以保证基坑的防渗效果。灌注桩顶部设1000mm×1200mm钢筋混凝土冠梁支撑，基坑下部设一道φ609×16mm钢管内撑[8]。方案二如图2所示。

图2 方案二示意图

优点：支护对形式施工场地面积要求低，结构稳定性强，开挖后变形易控制，基坑周边沉降小，土层扰动小，施工工艺简单，对周边建筑物影响较小。

缺点：施工过程中机械噪音大；灌注桩完成后需养护；施工质量要求高；支护结构内部设有支撑，只能满足小型施工设备进入，不利于挖装作业及管道安装施工。

方案三：钢板桩支护。沿基坑边线填筑施工平台，施工平台顶高程满足枯期防汛标准，在施工平台上施工钢板桩做为深基坑围护。钢板桩打入方法采用复式打入法[9]，初选宽度为400mm，长度9.0m(长度可根据需要尺寸加工)。为保证支护结构整体稳定性，钢板桩垂直方向每间隔1.0m增加一道围檩，围檩采用20mm型钢；基坑内沿开挖深度每间隔2.0m添加一道内撑，内支撑采用φ400×16mm钢管或20mm型钢[10]。围檩和内支撑随开挖深度及时安装。方案三如图3所示。

图3 方案三示意图

优点：支护形式平面布置灵活，对施工场地面积要求低，施工工艺简单，对周边建筑物影响较小，钢板桩拔出后可重复使用，钢板桩重复使用时造价较低。

缺点：施工过程中噪音、振动较大；需要特殊的施工设备；桩身刚度小，基坑较深时钢板变形较大，安全风险较大；支护结构内部支撑较密集，非常不利于挖装设备进入及管道安装；在砂卵石层或含有漂石的地层中不易打入[11]。

2.2 方案比选

结合工程实际，通过对3种方案的优缺点分析，主要从施工安全、工程费用、作业环境、工程工期4方面进行方案比选，详见表1。根据表1，具体分析如下。

表1 方案比选表

(1)施工安全。三种方案均存在安全隐患，主要为基坑坍塌、机械伤害等。相比而言方案一基坑加固采用的旋喷桩施工质量难以保证，开挖过程中边坡位移变形不易控制[8]，安全风险高，下游围堰及基坑距离第三绕城公路桥较近，施工过程中安全风险较大；方案三采用钢板桩围护基坑，桩身刚度小，基坑较深时钢板变形大，而且钢板桩在砂卵石层或含有漂石的地层中不易打入，安全风险较大；方案二在严格控制灌注桩施工质量的基础上施工高压旋喷桩间止水，并利用冠梁、混凝土横梁、钢管内支撑等对基坑加固，基坑稳定性强，防渗效果好，安全保障性较高。

(2)工程费用。方案一由于涉及到软塑填土层需加固处理后再进行放坡开挖，且基坑加固范围较宽，基坑形成预计造价约504073元/m(单纯放坡开挖预估造价约68000元/m)；方案二基坑形成预计造价约108289元/m；方案三基坑形成预计造价约91672元/m。就工程费用而言，方案二、方案三工程费用相对较低。

(3)作业环境影响。根据工艺布置需要，方案一对施工场地面积及周边建筑物距离要求较高，下游侧围堰高压旋喷防渗桩施工及下游侧基坑边坡施工距离高速公路较近，容易对高速公路桥梁桩基等结构物产生不利影响；方案二和方案三形成的基坑远离高速公路桥梁，对公路桥梁的影响较低。另外，通过对后续基坑开挖及管道安装施工作业环境分析，方案一挖装设备可以通畅进入基坑进行作业，管道安装阶段可在基坑上游侧设置吊装平台对输水管道进行吊装施工，施工便捷；方案二和方案三由于内支撑的设置，大型挖装设备难以进入基坑，输水管道仅能从基坑左右岸方向端部送入，逐节安装，但从内支撑设置间距上看，方案三的内支撑设置密集，非常不利于开挖作业及管道安装，人工作业较多，方案二可以利用小型设备进入基坑挖装，龙门吊吊运的方式出渣，方案二与方案三相比，方案二对作业环境影响较小。

(4)工程工期。由于该河道施工区域底部主要为软塑素填土，承载力极差，且距下游高速公路桥梁仅40.5m。方案一开挖放坡施工前须对基坑下游侧固结加固。按照施工准备5天→围堰填筑10天→高压旋喷桩防渗体施工15天→基坑排水5天→基坑下游侧固结加固35天→放坡开挖及边坡支护30天→输水管道安装及验收、基坑回填80天的施工程序，总工期预计180天<210天。可以在一个枯期完成所有工作。方案二按照施工准备5天→作业平台填筑7天→灌注桩施工及养护35天→桩间止水高压旋喷桩施工、桩顶钢筋混凝土冠梁和横梁施工及养护35天→基坑软塑填土开挖25天(桩底内支撑与开挖穿插施工)→输水管道安装及验收、基坑回填100天的施工程序，总工期预计207天<210天。可以在一个枯期完成所有工作，如遇超标洪水则工期保障率不高。若把灌注桩施工安排在前一个枯期实施，则下一个枯期可节约35天，172天可完成后续工作，实现工期目标。方案三按照施工准备5天→作业平台填筑7天→钢板桩插入20天→基坑软塑填土开挖50天(围檩、内支撑与开挖穿插施工)→输水管道安装及验收、基坑回填120天的施工程序，总工期预计202天<210天。可以在一个枯期完成所有工作，如遇超标洪水则工期保障率不高，且该方案不适宜分两个枯期施工。可见，方案一工期较短，方案二分两个枯期施工，也可以实现工期目标。

综上分析，本着安全可靠，经济合理，工期可行的原则，初步选定方案二为设计实施方案。

3 方案咨询

方案初选完成后，项目法人组织行业内专家对方案进行了咨询。专家组对施工现场进行踏勘，补充勘察资料研阅后，针对前述3种方案进行讨论分析，一致推荐方案二作为基坑支护设计方案，同时提出相关建议：一是在汛期来临前尽可能完成灌注桩施工，确保汛后灌注桩具备承载能力；二是施工过程中实施基坑监控，确保施工安全[12]；三是基坑内、外侧根据需要设置排水系统；四是施工时应加强组织，缩短基坑暴露时间，尽快完成管道穿越施工并对基坑及时进行回填；五是施工时应编制基坑开挖应急预案，备齐应急物资。

4 方案实施

截止2021年10月16日，以方案二为指导的李家岩输水管道K0+357～K0+430穿越味江河段已于2021年3月底完成灌注桩施工，以及2021年汛后施工平台恢复，高压旋喷桩间止水施工，目前正在进行桩顶冠梁及横梁施工，待基坑顶部围护结构形成后即可进行开挖作业。开挖作业期间将对基坑实施数字化实时监控，主要对灌注桩应力情况、基坑外围土体沉降及位移情况、邻近建筑物振动情况等进行系统监测，以便于及时发现安全隐患，防止基坑事故发生。

5 结语

近年来，由于河道采挖后随意回填现象的发生，容易形成涉河作业不良地质体，相应深基坑支护方案综合比选对总体工程的施工安全、经济，进度等综合效益具有重要指导意义。文章仅对不良地质体河段支护方案进行了阐述，下一步，应重点考虑不良地质体河段与砂卵石河段衔接处的支护措施。