基于大面積水下基坑開挖的特點分析與對策

李 華

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

1 工程特點分析

1)泄洪閘工程區(qū)內(nèi)地下水為第四系松散層孔隙水，分為上、下兩層，上層為第四系全新統(tǒng)松散層孔隙潛水，含水層由級配良好細(xì)礫組成，極強透水性;下層為第四系中更新統(tǒng)孔隙承壓水，含水層由級配不良細(xì)礫組成，承壓水頭高8.60～11.40 m，頂板埋深12.80～13.40 m。如采取常規(guī)的排水開挖，下層承壓水將頂穿相對不透水層，而擾動閘基礎(chǔ)，故泄洪閘基礎(chǔ)開挖必須選擇在水下進(jìn)行。

2)圍堰內(nèi)閘室基坑土方開挖總量為3.9萬m3，水下級配細(xì)礫開挖工程量較大，閘室部位最深開挖底高程為166.00 m，如江水位為176.50 m，則基坑內(nèi)水下最深達(dá)10.5 m，當(dāng)水深超過8 m時，抽砂船開挖的效率極低。

3)在169.01～172.18 m高程以下有4.95～9.80 m厚連續(xù)分布、中密的級配良好細(xì)礫，比較密實，需提前翻松后才能用抽砂船開挖，水下開挖難度大。

4)在兩岸存在大量凍土，并進(jìn)行原碼頭及護(hù)岸拆除。

2 采取的對策

對于主體基坑土方開挖工程的施工，采取挖掘機及挖泥船聯(lián)合施工作業(yè)的方式，中間部位先用長臂挖對中密的鐵板砂進(jìn)行翻松，再用挖泥船進(jìn)行開挖，岸邊位置采用單勾、反鏟及長臂挖掘機進(jìn)行開挖。

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為8 m，汛期在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)挖深為12.02 m，汛前期為10.21 m，所以在不同的嫩江當(dāng)時水位的水下開挖亦是影響工程進(jìn)程的關(guān)鍵。在江底169.01～172.18 m頂高程有4.95～9.80 m厚連續(xù)分布、中密的級配良好細(xì)礫，對這層已經(jīng)板結(jié)的密實的礫石層，不僅堅硬而且水下開挖深度大，所以其開挖難度較大。

3.1 基礎(chǔ)開挖布置

岸邊的水上、水下土方開挖采用挖掘機進(jìn)行開挖，首先修筑臨時便道，由挖掘機在兩側(cè)同時開挖，水下開挖料經(jīng)岸邊瀝水后，再用挖掘機裝自卸汽車外運到監(jiān)理工程師或建設(shè)單位指定棄渣場。開挖時一次開挖不到設(shè)計深度時，采用長臂挖掘機開挖，最后用挖砂船挖至設(shè)計底高程，邊坡按水下自然穩(wěn)定為止，一般在1∶3～1∶4，盡最大限度地減少用挖泥船進(jìn)行水下開挖的工程量。

閘室水下砂礫開挖根據(jù)設(shè)計單位給定的地質(zhì)資料，開挖地層砂礫由級配良好的細(xì)礫組成，為黃色、飽和、中密連續(xù)分布堅硬板結(jié)地層，如直接采用挖泥船或采砂船進(jìn)行開挖效率極低。采取先用長臂挖掘機對該開挖層進(jìn)行翻松后，再用挖泥船及采砂船進(jìn)行開挖的施工方案。

基坑內(nèi)砂礫料開挖隨著開挖區(qū)域內(nèi)的水深不同，采用不同的施工方法:岸邊挖掘機可作業(yè)的部位水深在3.0 m之內(nèi)的采用普通挖掘機進(jìn)行開挖，水深在3.0～5.0 m采用長臂挖掘機進(jìn)行開挖;挖掘機進(jìn)不去及水深超過5.0 m的區(qū)域采用挖砂船及挖泥船進(jìn)行開挖。

閘室段基礎(chǔ)開挖寬度為22.5 m，長度為228.65 m，基礎(chǔ)開挖底高程為軸線右側(cè)166.0 m，軸線左側(cè)166.50 m，開挖工程量約為3.9萬m3，其中主江道抽砂船開挖 0.78萬m3，挖掘機開挖區(qū)域3.1萬m3。閘室開挖分為2個開挖區(qū)域，即閘室一區(qū)，二區(qū)。閘室軸線右側(cè)(Ⅰ區(qū))開挖底高程為166.00 m，軸線左側(cè)(Ⅱ區(qū))開挖底高程為166.50 m。

1)主江道抽砂船開挖區(qū)域，按照抽砂船的生產(chǎn)效率180m3/d·臺×5臺=900m3/d計算，需要9 d時間。

2)挖掘機開挖區(qū)域工程量為3.1萬m3，上部4.0 m采用普通挖掘機開挖，共計開挖方量約為1.8萬m3，普通反鏟挖掘機的生產(chǎn)效率按照1 500 m3/d計算，需要12 d時間;4.0 m以下采用長臂挖掘機緊跟其后，一次開挖到位，共計開挖方量約為1.3萬m3，長臂挖掘機功率為 500 m3/d·臺，需要長臂挖掘機施工26 d。

閘室段基礎(chǔ)開挖的2個施工區(qū)域同時施工，按照最大施工時間計算需要26d，即2010年6月25日—7月21日閘室段部位基礎(chǔ)開挖全部完成。

3.2 級配良好密實細(xì)礫層水下翻松方法

租用能夠承載長臂挖掘機的200 t拖船一艘，在開挖區(qū)的兩岸平行于泄洪閘軸線對稱設(shè)錨固鋼絲繩的錨具，通過兩岸連接的一對鋼絲繩來穩(wěn)定拖船，長臂挖掘機在水上開挖作業(yè)。固定于浮船上的0.5 m3長臂反鏟挖掘機，根據(jù)開挖區(qū)域可在水上對水下用采砂船開挖不了的級配良好細(xì)礫實施翻松作業(yè)。

3.3 閘室基坑水下土方開挖方法

江底經(jīng)過翻松后的區(qū)域再采用50 m3/h抽砂船施工開挖方案。當(dāng)開挖水深超過8.0 m施工困難時，主要采取兩種方法解決:①對抽砂船進(jìn)行配重，降低抽砂船的吸程;②加快截滲工程施工進(jìn)度，提前進(jìn)行基坑內(nèi)抽水，降低基坑內(nèi)的開挖作業(yè)水面。保證泄洪閘水下開挖的幾何尺寸及高程，是泄洪閘水下開挖的關(guān)鍵質(zhì)量控制點之一。開挖前先進(jìn)行開挖試驗，確定開挖船的布點、開挖方向。挖砂船開挖出的砂礫料，直接輸送到岸上，再用推土機集堆淋水，然后用裝載機裝自卸車運送到圍堰外的建設(shè)單位指定的臨時棄渣場，用推土機將渣料集堆。

水下開挖出的土方的臨時堆料場設(shè)置在下游圍堰與大江右岸的沙坑(可以臨時堆放10萬m3)和下游圍堰與導(dǎo)流明渠之間的沙坑內(nèi)(可臨時堆放2萬m3);待瀝水后由挖掘機裝自卸翻斗車運至指定棄渣場。

在土方施工中，經(jīng)常測量、校正平面位置、標(biāo)高、邊坡。待水下土方開挖完成后，用工作船統(tǒng)一進(jìn)行基坑高程驗收，對不平整的部位，用鏈斗式挖泥船進(jìn)行掃平。經(jīng)自檢合格后報監(jiān)理單位進(jìn)行驗收，驗收合格后進(jìn)行封底混凝土澆筑。

3.4 凍土開挖

每施工段均需要配備1～2臺帶松土器的挖掘機，先翻松挖除上層凍土，然后采用反鏟挖掘機進(jìn)行水下土方開挖。

基坑的岸上部分已經(jīng)發(fā)生凍結(jié)，加之尼爾基水庫冬季為國家東北電網(wǎng)調(diào)峰發(fā)電放水，導(dǎo)致工程區(qū)域江段的水位變化每天在1.0 m左右，增加了凍土開挖量。為了加快施工進(jìn)度需要進(jìn)行凍土開挖，采用帶松土器的單鉤液壓挖掘機首先對上部凍層進(jìn)行翻松挖除，后面緊跟反鏟挖掘機進(jìn)行水下砂礫料開挖，最后采用長臂挖掘機及抽砂船進(jìn)行開挖到位。

3.5 岸邊護(hù)岸及碼頭拆除

在開挖區(qū)域在江道岸邊有混凝土碼頭及多年累積施工的固床拋石護(hù)岸3106.45 m3，鋼筋混凝土碼頭33.6 m3，素混凝土面57.8 m3，在進(jìn)行岸邊開挖之前需進(jìn)行拆除。水下部分凍土及混凝土采用液壓沖擊鎬先破碎，其余部分用液壓單鉤鉤松，再用反鏟挖掘機挖除，對3.0 m以下普通鉤機挖不到的部位采用索鏟及長臂挖掘機進(jìn)行護(hù)岸塊石的拆除。拆除的碴料經(jīng)岸邊瀝水后，用挖掘機裝自卸翻斗車運至指定棄渣場。

3.6 水下開挖平整度控制措施

當(dāng)采用挖砂船開挖時，先確定最深點，然后再向其它部位擴展。根據(jù)基坑內(nèi)的水面水位情況在開挖接近基底設(shè)計高程時，加大測控的量測頻次，提前確定吊繩入水深度，盡最大限度地防止超挖、欠挖。

岸邊采用挖掘機進(jìn)行開挖的部分，如用長臂挖掘機一次能挖至設(shè)計高程的區(qū)域或部位，根據(jù)水面高程確定長臂挖的長臂入水深度，由現(xiàn)場測量員進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，確保一次開挖至設(shè)計高程，不再用抽砂船進(jìn)行開挖。

大面積水下開挖完成后，利用水下遠(yuǎn)紅外觀測儀進(jìn)行測量，如有達(dá)不到高程的部位，再采用挖砂船進(jìn)行找平，直至達(dá)到設(shè)計及規(guī)范要求。

通過采用上述綜合開挖方案，使泄洪閘工程順利完成了復(fù)雜地質(zhì)條件下大面積基坑開挖，對加快泄洪閘工程建設(shè)，降低工程成本，提高工程質(zhì)量，實現(xiàn)工程項目的早日投運和效益的發(fā)揮起到了決定性作用，經(jīng)濟效益十分顯著。