水下開挖法在市政工程深基坑施工中的應(yīng)用

孫智勇

（福州市城市地鐵有限責(zé)任公司，350001，福州∥高級工程師）

水下開挖法在市政工程深基坑施工中的應(yīng)用

孫智勇

（福州市城市地鐵有限責(zé)任公司，350001，福州∥高級工程師）

隨著城市基建發(fā)展，市政工程中出現(xiàn)越來越多的高水位、超厚強透水地層中的深基坑。結(jié)合兩個采用水下開挖法施工的市政深基坑工程，分析了市政工程中采用水下開挖法的可行性、適應(yīng)性、及難點問題。在市政工程引入水下開挖法，能夠有效解決超厚強透水地層中深基坑施工難題。

市政工程；深基坑；水下開挖法

Author＇s address Fuzhou Urban Metro Co.，Ltd.，350001，F(xiàn)uzhou，China

0　引言

水下開挖法主要應(yīng)用于水工工程、沉管隧道工程中，具有難度大、專業(yè)性強等特點。該法在水工工程中積累了不少成功經(jīng)驗。文獻［1］介紹了垂直升降式升船平臺船塢工程的水下開挖施工技術(shù)。文獻［2］介紹了國內(nèi)同類工程之最——中船上海長興島造船基地一期工程港池的陸上和水下相結(jié)合的土方開挖施工方案。文獻［3］依托引嫩擴建渠首泄洪閘工程的水下基坑工程，成功解決了地下水滲透系數(shù)大等復(fù)雜地質(zhì)難題以及水下大面積開挖難題。文獻［4］對北引渠首泄洪閘工程，采用土埌水下翻松、挖除、水面輸送集于一體的水下開挖技術(shù)，顯著提高了開挖效率，補充和完善了地質(zhì)條件復(fù)雜的水下大面積基坑開挖技術(shù)；另外，水工工程基本解決了從淤泥到硬巖地層的水下開挖技術(shù)。文獻［5］利用水下開挖法成功地完成了水閘水下淤泥開挖。文獻［6-8］則對水下硬巖開挖技術(shù)進行了探討?？傊?，水下開挖工法在水工工程中，積累了從工藝到監(jiān)控的一整套技術(shù)［9-10］，并在南水北調(diào)中線干線一期穿黃隧道工程的豎井工程中，采用水下開挖技術(shù)成功開挖了國內(nèi)50 m深的超深基坑［11］。

水下開挖技術(shù)在城市市政工程中的應(yīng)用較少。但目前市政工程中，深基坑工程越來越多地遇到高水位、超厚強透水地層的情況，如采用常規(guī)開挖法，則為滿足基底的抗承壓水突涌安全系數(shù)，往往會采取超深豎向或水平帷幕截斷地下水，其施工難度非常大，造價也非常高。

本文重點結(jié)合南京緯三路過江隧道梅子洲風(fēng)井工程以及福州地鐵2號線金祥站—橘園洲站區(qū)間風(fēng)井工程，對高水位、超厚強透水地層中的深基坑采用水下開挖法開挖進行研究。

1　工程案例

1.1南京緯三路過江隧道梅子洲風(fēng)井工程

1.1.1工程概況

南京緯三路過江隧道位于緯七路過江通道下游5 km、南京長江大橋上游4.5 km處，按N、S雙線盾構(gòu)法修建。其中，N線長4 930 m，S線長5 530 m。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為13.3 m，外徑為14.5 m。

隧道S線下穿梅子洲，并在島上設(shè)中間風(fēng)井，即梅子洲風(fēng)井。該風(fēng)井還兼作緊急情況下人員疏散逃生的通道。過江隧道所在區(qū)域位置關(guān)系示意圖見圖1。梅子洲風(fēng)井位于梅子洲尾部一水塘中，其設(shè)計里程為SDK6+761.400—SDK6+790.60。風(fēng)井平面呈圓形，外直徑為29.2 m，內(nèi)直徑為26.8 m，底板埋深約為21.152 m。基坑開挖深度為44.452 m。

圖1　平面示意圖

1.1.2工程地質(zhì)及水文體質(zhì)

梅子洲風(fēng)井所在場地地層巖性以全新統(tǒng)灰色和灰褐色粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂以及圓礫混卵石地層為主。其地質(zhì)剖面圖見圖2，地層物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。

場地上層潛水的水位為天然地面下0 m，下部承壓水主要接受長江江水補給，故承壓水水頭與長江水位齊平。根據(jù)勘察報告，1950年—2007年間，南京水位站歷年最高水位為+8.31 m，最低水位為-0.37 m。梅子洲風(fēng)井所在長江河段100年一遇設(shè)計洪水位為10.98 m，300年一遇設(shè)計洪水位為11.45 m，勘察期間（2009年9月13日）長江水位為+5.80 m。

圖2　梅子洲風(fēng)井地質(zhì)剖面圖

表1　梅子洲風(fēng)井地層物理力學(xué)參數(shù)建議值表

1.1.3風(fēng)井基坑實施方案

梅子洲風(fēng)井開挖深度為44.452 m，圍護結(jié)構(gòu)采用1.2 m厚地下連續(xù)墻，其嵌固深度取18 m，共設(shè)24幅槽段。

根據(jù)計算分析結(jié)果及風(fēng)井內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建筑使用功能，基坑內(nèi)部設(shè)置三道環(huán)梁。其中，頂冠梁截面為1.2 m×2.5 m，環(huán)梁截面為1.2 m×1.5 m。地下連續(xù)墻外側(cè)3.6 m范圍內(nèi)的盾構(gòu)穿越區(qū)土體采用旋噴樁加固。加固方案見圖3。

梅子洲風(fēng)井施工工序為：

（1）施工場地平整及臨時防洪圍堰施工。

（2）基坑內(nèi)外側(cè)高壓旋噴樁加固施工，地下連續(xù)墻及頂冠梁施工。

圖3　梅子洲風(fēng)井平面及地層加固方案

（3）基坑開挖。由上而下依次分層分塊開挖并澆筑環(huán)梁，直至第三道環(huán)梁。待環(huán)梁達到設(shè)計強度后，向坑內(nèi)灌水?？觾?nèi)水位應(yīng)高于坑外地下水位（不少于1.0 m）。水下分層分塊開挖至基坑底部，水下開挖過程中應(yīng)保持坑內(nèi)液面不變。如有異常，應(yīng)立即上報并提前向坑內(nèi)回灌護壁液漿。

（4）對坑底進行平整、清底，并在水下分層澆筑混凝土。完成23 m厚的素混凝土封底結(jié)構(gòu)后，清除基坑內(nèi)積水。

（5）順作法施工其余風(fēng)井結(jié)構(gòu)。

1.1.4實施情況

南京梅子洲風(fēng)井于2012年2月開始施工，50 d完成地下連續(xù)墻施工。同年4月開始水下開挖及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)水下澆筑，2013年4月完成。5月份完成豎井內(nèi)填充素混凝土水下澆筑。

2015年4月份，緯三路盾構(gòu)機掘進通過風(fēng)井素混凝土段。7月中旬完成豎井內(nèi)素混凝土鑿除及內(nèi)部風(fēng)井結(jié)構(gòu)施工。

實施情況表明，梅子洲風(fēng)井施工全過程安全可控。

1.2厚庭站—桔園洲站區(qū)間風(fēng)井工程

1.2.1工程概況

福州地鐵2號線厚庭站—桔園洲站區(qū)間中間風(fēng)井位于烏龍江東側(cè)、金祥路與三環(huán)快速路丁字路口西側(cè)。其設(shè)計里程為YDK19+921.539—YDK19 +936.039。風(fēng)井長24.2 m，寬16.3 m，深度約為40m。該風(fēng)井平面圖見圖4。

圖4　厚庭站—桔園洲站區(qū)間中間風(fēng)井平面圖

1.2.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

風(fēng)井處土層從上至下依次為雜填土、素填土、粗中砂（稍密）、粗中砂（中密）、卵石層?；拥字饕挥诼咽瘜?。地質(zhì)勘探鉆孔最深余70 m仍未打穿卵石層。其地質(zhì)剖面圖見圖5，地層物理力學(xué)參數(shù)建議值見表2。

地下水主要為潛水、基巖裂隙水。潛水水位埋深3.40～5.66 m，水位標(biāo)高3.40～8.13 m，含水層主要為粗中砂、卵石層，強透水。烏龍江與兩岸地下水有較密切的水力聯(lián)系，江邊地段水位互補關(guān)系明顯。

圖5　厚庭站—桔園洲站區(qū)間中間風(fēng)井縱剖面圖

1.2.3區(qū)間風(fēng)井基坑實施方案

桔園洲站降水試驗測得單孔涌水量為220 m3/ h，綜合滲透系數(shù)為105 m/d。區(qū)間風(fēng)井距離桔園洲站300 m，臨近烏龍江，地層涌水量及滲透系數(shù)較大。

1.2.3.1初步設(shè)計方案

本工程在初步設(shè)計階段采用了懸掛式圍護結(jié)構(gòu)+減壓降水方案?；悠矫娉叽?4 m×17.2 m?；由?0 m，采用1.2 m厚地下連續(xù)墻圍護。地下連續(xù)墻深52.2 m，采用雙輪銑施工。

地下連續(xù)墻成槽前進行三軸攪拌樁槽壁加固，成樁直徑650 mm，樁心間距400 mm?？觾?nèi)8 m深度范圍采用直徑800 mm，且樁心間距600 mm的三重管高壓旋噴樁封底?；釉O(shè)降水井降水減壓。

1.2.3.2方案論證及變更

施工圖階段，根據(jù)相關(guān)降水試驗成果，進一步對風(fēng)井采用減壓降水方案論證。

表2　厚庭站—桔園洲站區(qū)間中間風(fēng)井地層物理力學(xué)參數(shù)建議值表

（1）降水井布置。采用口徑0.325 m的37 k W降水井。其降水能力為0.5萬m3/d?？紤]備用井需布置16口降水井。但基坑長僅24.2 m，寬僅16. 3 m，基坑周長過小無法滿足布井要求。

（2）工程風(fēng)險分析。根據(jù)相關(guān)降水試驗帷幕降水成果，降水將導(dǎo)致基坑內(nèi)外到達35 m的水頭差，即地下連續(xù)墻接頭處承擔(dān)0.35 Mpa水壓。故地下連續(xù)墻接頭處存在較大的噴涌風(fēng)險。

（3）降水費用。經(jīng)測算基坑每天降水量為6.2萬m3。按降水8個月計算，則需電費428.5萬元，工程費770.4萬元。

綜上，由于本區(qū)間風(fēng)井基坑原來的降水減壓施工方案降水難度大、費用高，且降水后帶來了較大的墻縫突涌水風(fēng)險，故綜合研究后，決定采用水下開挖法進行基坑施工。

1.2.3.3水下開挖施工方案

區(qū)間風(fēng)井建筑方案由原先的地下五層方案調(diào)整為地面一層，地下三層方案。

基坑采用兩級開挖方式。其中，第一級基坑采用深層水平封底后，疏干降水開挖；第二級基坑采用水下開挖方式。具體水下施工工序見圖6。

保密性是無線通信網(wǎng)絡(luò)信息安全防護的主要方式。無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的保密性業(yè)務(wù)主要包括語音與數(shù)據(jù)保密性、用戶身份與位置保密、用戶和網(wǎng)絡(luò)間信息保密性等。采用保密性方式之后，除了信息的參與者之外，其他人即使截獲了信息也不能破解其中的含義。

圖6　厚庭站—桔園洲站區(qū)間中間風(fēng)井水下施工工序

步驟1：施做地墻、基底加固、疏干降水，分層開挖第一級基坑（基坑深18.5 m）。

步驟2：基坑內(nèi)注水，水下分層開挖至第二級基坑底。

步驟3：水下澆筑封底混凝土。

步驟4：回灌低標(biāo)號填充混凝土。

步驟5：盾構(gòu)拼管片掘進過風(fēng)井素混凝土段。

步驟6：從地下三層向下鑿除素混凝土、施做風(fēng)道及聯(lián)絡(luò)通道。

1.2.4區(qū)間風(fēng)井實施情況

2　水下開挖法在市政工程中可行性及適應(yīng)性

上述兩個案例工程有以下共同點：

（1）臨近地表水系。南京梅子洲風(fēng)井位于長江梅子洲，福州地鐵2號線區(qū)間風(fēng)井臨近烏龍江。地表水系與地下水有較密切的水力聯(lián)系，兩者之間水位互補關(guān)系明顯。

（2）基坑范圍內(nèi)地層分布有較厚的透水地層，地層滲透系數(shù)大。基坑地下相對隔水層都比較深，難以采用豎直隔斷手段。

（3）基坑開挖深度都大于40 m，屬于超深基坑工程。

筆者認(rèn)為，位于高水位、超厚強透水地層中的市政深基坑工程采用水下開挖法，不再是以“抗”為主的傳統(tǒng)市政基坑設(shè)計方法，而是以“自平衡”的方法來抵抗高風(fēng)險，由此可解決市政傳統(tǒng)基坑開挖法的難題，減緩工程風(fēng)險，降低工程投資。總體來說，水下開挖法經(jīng)濟可行。

但水下開挖法在市政深基坑工程中也有其使用范圍。筆者通過對兩個項目的考察，進行了相關(guān)資料調(diào)研，并結(jié)合水下開挖工法的特點及難點，建議其適用范圍為：①臨江、河、湖、海且采用明挖法施工的深基坑工程；②基坑開挖深度不小于30 m，且基坑面積不大于1 000 m2；③基坑下部范圍及基坑底存在強透水地層，且該地層與地表水系存在密切的水力聯(lián)系。

3　深基坑水下施工工藝及抗浮板設(shè)計

3.1水下施工工藝

3.1.1水下開挖

參考梅子洲風(fēng)井水下開挖經(jīng)驗，水下開挖可利用高壓旋噴施工機具加載三翼鉆頭（見圖7）進行施工水下開挖時各類機械的布置方案見圖8。機械的型號參數(shù)見表3。首先，在噴嘴上方安裝1個三翼鉆頭，通過旋噴機的高壓水和三翼鉆頭對土體進行充分切割攪動，使土體變?yōu)榫鶆虻哪酀{；然后，先下放低壓旋噴噴頭至地表以下30 cm，再開動高壓水泵及空壓機，邊旋轉(zhuǎn)邊下沉，下沉速度為25～35 cm/min，提升速度為50～60 cm/min。最后，將潛水渣漿泵安裝在旋噴設(shè)備一側(cè)，待原狀土變成泥漿后，用旋噴設(shè)備上副卷揚機將渣漿泵放入泥漿中進行排漿。

圖7　旋噴機加載的三翼鉆頭

表3　水下開挖施工機械及其參數(shù)表

開挖應(yīng)分層實施，嚴(yán)格控制開挖速度在1.5 m/ d以內(nèi)。開挖時應(yīng)保持坑內(nèi)液面不變，且不低于坑外地下水位1.0 m。各開挖設(shè)備的開挖深度高差應(yīng)控制在1.0 m以內(nèi)，以確保開挖面均勻下降。

地下連續(xù)墻邊壁殘留土體采用高壓水沖刷切割。

3.1.2水下混凝土澆筑

大面積水下混凝土澆筑采用滿堂紅法。選用直徑25 cm、壁厚10 mm的無縫鋼管作為導(dǎo)管，并按不大于5 m的間距布置導(dǎo)管。

圖8　水下開挖機械安裝示意圖

混凝土澆筑采用首批灌注→正常灌注→導(dǎo)管提升→測量→再灌注的順序施工。首批灌注須確定每根導(dǎo)管首批混凝土灌注量；正常灌注順序由風(fēng)井外圍向中心灌注；導(dǎo)管提升必須嚴(yán)格按照測量所得混凝土標(biāo)高和導(dǎo)管埋深控制；在第一根導(dǎo)管開始灌注后，每隔30 min記錄一次各測點的混凝土表面標(biāo)高，以確定混凝土流動半徑和坡度，作為其余導(dǎo)管首灌混凝土的依據(jù)。

水下混凝土澆筑過程中，應(yīng)保持混凝土面均勻上升，且保持導(dǎo)管埋深不小于1.0 m。維持坑內(nèi)液面不變，且高于坑外地下水位（不小于1.0 m）。

3.2抗浮底板設(shè)計

施工后期坑內(nèi)降水后，封底混凝土底面的水壓較高，在封底混凝土板與地下連續(xù)墻界面接縫處出現(xiàn)較嚴(yán)重的滲漏水問題，故建議在封底混凝土與圍護墻之間設(shè)置抗剪槽，以滿足封底混凝土板抗浮要求（見圖9）。

圖9　抗剪槽示意圖

當(dāng)水下開挖完成后，采用刷壁器配合高壓水槍清除凹槽中的殘留泥漿和土層，并由潛水員進行輔助清理和檢查，以確保水下封底混凝土與地下連續(xù)墻的有效承載搭接。

4　結(jié)語

由南京緯三路過江隧道梅子洲風(fēng)井以及福州地鐵2號線厚庭站—桔園洲站區(qū)間風(fēng)井兩個工程實際情況可以看出，在高水位、超厚強透水地層深基坑工程中，水下開挖法的“自平衡”理念符合當(dāng)今巖土工程發(fā)展方向，在類似市政工程中應(yīng)用前景廣闊。

此外，隨著城市軌道交通的發(fā)展，車站工程中可能出現(xiàn)3層、4層的超深、大面積基坑。對這種基坑可設(shè)計分倉開挖的方式以適應(yīng)水下開挖法。

［1］ 李學(xué)武.船塢工程水下開挖施工技術(shù)［J］.廣東水利水電，2003（S2）：30.

［2］ 李耀良，王理想，余振棟，等.超大面積港池基坑的陸上和水下開挖施工技術(shù)［J］.建筑施工，2008（10）：848.

［3］ 李華.基于大面積水下基坑開挖的特點分析與對策［J］.黑龍江水利科技，2012（3）：207.

［4］ 楊甫權(quán)，白廣明.水下大面積基坑快速開挖施工方法——北引渠首工程中應(yīng)用實例［J］.黑龍江水利科技，2012（8）：74.

［5］ 楊方.水下淤泥開挖施工技術(shù)［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2005（4）：392.

［6］ 李華.基于大面積水下基坑開挖的特點分析與對策［J］.黑龍江水利科技，2012（3）：207.

［7］ 林道冶，金國林.淺談液壓破碎錘水下破碎開挖施工工藝［J］.小水電，2014（4）：75.

［8］ 洪榮太.用高壓噴流開挖水下巖石［J］.水運工程，1980（11）：46.

［9］ 陳剛.碼頭低水港池的水下開挖施工工藝［J］.中國水運，2015（7）：277.

［10］ 段寶德，石滿菊，王劍.水下開挖施工監(jiān)控系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代測繪，2007（6）：25.

［11］ 張健.超深豎井水下開挖施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.公路與汽運，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）