河道治理项目节制闸深基坑开挖施工技术

贾玉霞

（河北省水利工程局集团有限公司，石家庄 050000）

1 工程概况

本项目建设地点位于河北省大清河南支流上，建设主要内容为河道治理，其中节制闸主要建筑物包括上游铺盖、闸室段、交通桥段及下游连通渠段等。地面高程约10.0m，根据施工图纸开挖至高程-2.1m，基坑开挖最大深度约12.10m，开挖边坡1∶1，基坑开挖深度超过5m，属于超过一定规模的危险性较大工程。基坑安全设计等级为二级，设计使用年限为8 个月。主要工程量：土方开挖38792m3，土方回填13431m3，水泥土换填（10%）6261m3。

1.1.2 气象条件

本工程区域属于温带大陆性半干旱季风气候， 四季分明，春旱多风，夏热多雨，秋凉气爽，冬寒少雪。 降水量年际变化大，年内分配不均，主要集中在6—9月，占年降水量的80%，平均年降水量为522.9mm。

1.1.3 水文条件

河道常年无水，河道干涸，局部河段见水坑。工程区地下水埋藏较深，埋深为21.0m，水位高程为-10m以下。地下水为第四系孔隙潜水，主要赋存于砂土和黏性土孔隙中。 节制闸最大开挖深度至高程-2.1m，因此不需要采取降水措施。

1.1.4 地质条件

节制闸开挖深度范围内的土层主要为第四系全新统冲洪积层（Q4alp）及第四系全新统冲湖积层（Q4all）。其主要土质类型有重、中、轻粉质壤土，粉质黏土，中粗砂，粉砂层。

根据岩土工程勘察报告， 本工程地质土层自上而下分为15层：第一层，灰黄色、黄褐色，稍湿，可塑状的重粉质壤土，具中等压缩性，以微极～微透水性为主。分布稳定连续，厚度为0.5～1.3m。第二层：灰黄色，稍湿，可塑状的中粉质壤土，微透水性。分布稳定连续，厚度为1.0～1.3m。 第三层，黄褐色～灰褐色，稍湿～湿，可塑状粉质黏土。 具中等压缩性，微透水性。分布稳定连续，厚度为0.7～0.8m。 第四层，黄褐色，湿，可塑状重粉质壤土，具中等压缩性，微透水，分布连续，厚度为3.7～3.8m，局部夹中粉质壤土夹层，第四系全新统冲湖积层（Q4all）。 第五层，灰褐色，湿，可塑状粉质黏土， 局部见白色贝壳碎屑。 具中等压缩性，微透水性。分布稳定连续，厚度为0.7～1.0m。第六层，黄褐色，湿，可塑状中粉质壤土。 具中等压缩性，微透水性。分布稳定连续，厚度为2.0～2.2m。第七层，黄褐色，湿，可塑状，重粉质壤土。 中等压缩性，以极微～微透水性为主。分布稳定连续，厚度为1.0～1.7m。第八层，浅黄色，湿，可塑状轻粉质壤土，具中等压缩性，以弱～微透水性为主。分布稳定连续，厚度为1.0～1.3m。 第九层，黄褐色，湿，可塑状重粉质壤土。 具中等压缩性，以微透水性为主。 分布稳定连续，厚度为0.8～1.2m。 第十层，黄褐色，湿，可塑状中粉质壤土。具中等压缩性，以微透水性为主。 分布稳定连续，厚度为1.5～2.0m。第十一层，浅黄色，湿，可塑状轻粉质壤土。 具中等压缩性，以微透水性为主。 分布稳定连续，厚度为0.5～1.0m。 第十二层，黄褐色，湿，可塑状重粉质壤土。 具中等压缩性，以极微透水性为主。 分布稳定连续，厚度为1.3～1.5m。 第十三层，黄褐色，湿，可塑状中粉质壤土。 具中等压缩性，以微透水性为主，分布稳定连续，厚度为1.8～3.0m。 第十四层，浅黄色，湿～饱和，密实，质均粉砂。以微透水性为主。分布稳定连续，厚度为1.3～2.0m。 第十五层，灰黄色，饱和，密实，质均中粗砂。 以弱透水性为主。 分布连续，局部夹中壤土及粉砂夹层， 厚度1.5～2.5m。 地下水情况以微透水性为主。

2 技术参数计算及验算

2.1 开挖边坡稳定性验算

为了验算基坑开挖边坡的稳定性， 在开挖边坡坡比固定的情况下， 首先选取连续边坡最高的断面进行验算。在未进行任何支护措施时，两辆重车并排通过坡顶施工道路，若在此工况下，边坡稳定安全系数满足要求， 则说明基坑开挖边坡稳定性能够满足安全要求，如图1。

图1 最危险开挖断面及工况

2.2 计算参数选取

经过查阅相关地质勘察资料， 在基坑开挖范围内的土层主要为第四系全新统冲洪积层（Q4alp）及第四系全新统冲湖积层（Q4all）。 其主要土质类型有重、中、轻粉质壤土、粉质黏土。

为了简化计算， 将粉土和粉质黏土按土层厚度进行加权平均，计算参数如表1。

表1 挖方边坡最大允许高度计算参数

2.3 挖方安全边坡计算

边坡安全稳定性计算如图2，θ=45＞φ=21.1°，为陡坡。

图2 边坡安全稳定性计算示意图

当土体处于极限平衡状态时， 挖方边坡的允许最大高度可按式（1）计算：

式中 γ为土的重度（kN/m3）；θ为边坡的坡度角（°）；φ为内摩擦角（ °）；c为土黏聚力（kN/m2）；土坡允许最大高度为41.914m。

2.4 汽车荷载当量换算

将车辆荷载换算成土柱高（当量高度），车辆按最不利情况排列，即两辆车并排通过环基坑道路。换算公式如式（2）：

式中 h0为当量土柱高度；N为横向分布的车辆数，双车道取2；Q为每一辆车的重量， 标准车辆荷载为550kN；B为横向分布车辆轮胎最外缘之间总距，取5.5m；L为汽车前后轴的总距，按JTG B01—2003《公路工程技术标准》规定，标准车辆取12.8m；γ为路基土的容重，取18.3kN/m3。

则h0=2×550/（5.5×12.8×18.3）=0.85m

2.5 验算结论

闸室段开挖深度为12.1m，汽车荷载换算土柱高0.85m， 经验算土坡允许最大高度为41.914m， 大于12.95m，满足要求。

3 施工程序方法

3.1 基坑周边挡水埝技术参数

为防止基坑周边区域的雨水流入基坑， 拟环基坑开口线外侧0.5m处设一道顶宽不小于70cm， 高不小于50cm的挡水埝，坡度比1∶1，四周环形布设，保证外部水不流入基坑，挡水埝横断面如图3。

图3 挡水埝横断面

3.2 基坑底部排水技术参数

根据水文资料，施工区内地下水位较低，地下水位高程为-10.8m，节制闸最大开挖深度至高程-2.1m，因此不需要采取降水措施。基坑开挖时段处于雨季，基坑采用明沟加集水井排水的方法， 对基坑底部临时积水进行抽排，保证干场作业。

明沟宽度0.5m， 深度0.5m， 集水井设在边角部位， 集水井约1m×1m×1m。 集水井内放置污水泵，将雨水抽排至基坑外集水坑内。

3.3 土方开挖技术参数

基坑开挖施工区地面高程10.0m 左右， 最深开挖高程为-2.1m，则基坑最大开挖深度为12.1m。 基坑开挖边坡坡比为1∶1， 于高程5.9m处设一级马道，马道宽度为2.0m。

基坑开挖施工时，先进行表土清理，清理范围超出基坑开口线3m，清理厚30cm。 土方开挖总体遵循分层开挖、严禁超挖的原则，分层厚度不大于3m。

为保证边坡稳定，在每层开挖过程中，严格按设计要求进行开挖。 同时，要加强对边坡的安全监测，若发现边坡变形达到报警值，应及时启动应急预案。

3.4 土方开挖

3.4.1 施工程序

土方工程工序关系如图4。

图4 基坑开挖流程关系

3.4.2 基坑土方开挖施工

根据施工图纸进行施工放样， 并将开挖边线放样上报， 经批准后进行表土清理开挖， 清理厚度30cm，清表后的地面保持平整。 清理表土集中堆放，采用推土机清理， 装载机装自卸汽车将表土转运至临时贮存料场，作为后期绿化回填用土。

开挖自上而下分层分段依次进行， 分层厚度不大于3m。采用挖掘机开挖装自卸汽车运输，机械开挖至基底高程以上预留不小于30cm厚保护层， 由人工配合机械挖除保护层，不扰动基面原状土。

节制闸处原状地面高程约10.0m， 基坑最深处高程为-2.1m，开挖深度12.1m。 基坑开挖分三步进行，第一步开挖至▽5.9m，开挖坡比1∶1，开挖完成后设一级马道，宽度2m，进行基坑底部第二、三步开挖；第二、三步进行桥闸段基坑开挖，桥闸段基坑开挖至▽-2.1m，开挖坡比1∶1。

为保证车辆运输中不对上游铺盖基面 （高程4.8m）造成剪切破坏，除桥闸基坑外，其他部位暂开挖至▽5.9m，设置宽度不小于5m临时运输道路，待该部位施工时另行挖除。

基坑开挖完成后立即进行水泥土换填施工，水泥土换填施工完成后进行排水明沟和集水井的布设施工。

开挖过程中，严格控制开挖高程，专人在现场进行控制，特别是建筑物基底的开挖，为防止超挖和保持基坑边坡坡度正确，不扰动基面原状土，机械开挖至接近设计高程时， 在基底高程以上预留不小于30cm厚保护层，由人工配合机械挖除保护层。基坑顶部边缘，禁止堆载，禁止过重车。

基础开挖完成组织相关人员进行联合验收，经验收合格后进行下一步工作。

3.4.3 基坑土方开挖平面图和断面图

基坑土方开挖平面图如图5。

图5 基坑土方开挖平面图

基坑土方开挖断面如图6。

图6 基坑土方开挖断面图

3.4.4 土方运输

开挖区土方通过场内道路运输至堤防回填面用于防洪堤或生态堤土方回填， 引渠土方开挖用于节制闸土方回填。施工坡道与场内运输道路连接，将开挖土方运至回填区，场区内不设堆土场。

4 安全监测监控

在基坑开挖及坑内结构物施工中， 对基坑的开挖边坡进行监测。通过监测，可时刻掌握基坑边坡稳定动态，可有效判定基坑的稳定性，为安全施工提供保障。

4.1 观测方法

基坑周边地面的位移观测采用全站仪极坐标法直接测量观测点位移量， 沉降观测采用往返闭合观测法，测量人员做好记录。

4.2 裂缝监测

在基坑开挖及坑内施工过程中， 观察基坑边坡开裂情况，并对变化较快的裂缝进行监测，监测的内容包括裂缝的位置、走向、长度、宽度、深度及变化程度。 当裂缝宽度超过30mm时，及时通知坑内人员撤出坑外，并对边坡进行加固处理。

4.3 水平位移监测及垂直位移监测

为保证观测数据的准确性， 至少要有3个稳定、可靠的变形监测基准点。 基准点选在相对稳定和使用方便的位置。监测期间，定期检查工作基点和基准点的稳定性。

沿基坑闸室及交通桥开挖边坡各设一个监测断面，每个断面设4个观测点，坡顶及马道处坡顶各设1个，点位布置如图7。

图7 监测断面点位布置

4.4 观测频率

在基坑开挖深度大于5m时，1次/d， 雨天2次/d。基坑开挖完成7d后，若监测数据无异常，则3d观测1次。基坑开挖完成15d后，若监测数据无异常，则每周观测1次，直至坑内工程施工结束。 遇到特殊情况加密观测次数，当有事故征兆时，应连续监测。 遇到特殊情况是指当变形超过有关标准（如报警值等）或监测结果变化速率较大时。

4.5 监测报警

当地面最大沉降量和基坑边坡水平位移的累计值或变化速率达到表中报警值时， 立即停工，基坑内所有人员均撤离至安全区域，并启动安全应急预案。 在险情排除完毕并确认安全后方可继续施工。 各监测项目界限报警值如表1。

表1 各监测项目界限报警值

5 结语

建筑物基坑开挖的关键工作是技术参数的选择计算及边坡稳定验算， 本文结合工程实际、 地质情况、结构特点等，进行了施工技术参数的计算，选择了合适的技术参数，并对边坡安全稳定进行了验算，尤其对于在未进行任何支护措施时， 模拟最不利的两辆重车并排通过坡顶施工道路工况， 通过对汽车荷载当量的换算，得出土坡的允许最大高度，为后续基坑顺利开挖提供了技术支撑。