止水圍堰及深基坑開挖施工技術(shù)

許懷彪 卿啟忠

中交一航局第二工程有限公司 山東青島 266071

1 項(xiàng)目實(shí)施背景

煙臺(tái)開發(fā)區(qū)大季家污水處理廠深海排放工程位于平暢河入?？?，為確保排海調(diào)壓井、鎮(zhèn)墩及KP0+022至排海調(diào)壓井間管道等項(xiàng)目進(jìn)行陸上干施工，擬在其周邊設(shè)置單排高壓旋噴樁止水圍堰，待樁體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可進(jìn)行基坑內(nèi)降水、開挖、護(hù)坡等項(xiàng)目。因本工程臨海作業(yè)，受外海環(huán)境影響較大，且圍堰堤身主要為中粗砂，易受海浪沖刷而流失，因此加固圍堰堤身是本文研究的重點(diǎn)，圍堰內(nèi)基坑開挖深度7.37m-8.38m，屬于深基坑作業(yè)，需要做好深基坑安全防護(hù)措施，同時(shí)圍堰止水效果的好壞，直接影響到基坑內(nèi)干施工的施工質(zhì)量，故施工前需認(rèn)真校核各個(gè)環(huán)節(jié)的施工參數(shù)，施工過程中嚴(yán)格按照本方案要求進(jìn)行施工控制。

2 實(shí)施效果

2.1 圍堰堤壩實(shí)施效果

（1）圍堰堤壩工程概況。本工程圍堰堤壩采取就地取砂進(jìn)行回填，回填過程中及時(shí)在其兩側(cè)鋪設(shè)一層土工布并采用砂袋壓實(shí)。因極端高水位為3.67m，為防止海水倒灌及沖刷影響，止水圍堰頂面標(biāo)高宜設(shè)置為+4.5m，其臨海側(cè)土工布外側(cè)需鋪設(shè)65cm厚100-150kg的護(hù)面塊石，進(jìn)行圍堰旋噴止水樁施工時(shí)溢出水泥漿液需均勻分?jǐn)偟阶o(hù)面塊石縫間，從而加強(qiáng)圍堰護(hù)坡穩(wěn)定性。

（2）圍堰堤壩穩(wěn)定性驗(yàn)算。

①圍堰臨海側(cè)護(hù)面塊體穩(wěn)定驗(yàn)算。護(hù)面塊體穩(wěn)定重量按《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JＴJ298-98）4.2.4 條計(jì)算：

W=0.1ΥbH3/（KD（Sb-1）3ctga），Sb=Υb/Υ

式中：W-單個(gè)塊體的穩(wěn)定重量（t）；Υb-塊體材料的重度KN/m3，取 23；H-設(shè)計(jì)波高（m），取0.6；KD-塊體穩(wěn)定系數(shù)，取4.0；Υ-水的重度（KN/m3），取10.25；a-斜坡與水平面的夾角（°），取45

W=0.1×23×0.63/（4.0*（23/10.25-1）3ctg45）=0.0645t

采用100-150kg塊石護(hù)面滿足規(guī)范要求。

②圍堰臨海側(cè)護(hù)面塊體厚度計(jì)算。護(hù)面塊體厚度按《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTJ298-98）4.2.18條計(jì)算

h=n/c（W/（0.1Υb））1/3

式中：h–護(hù)面層厚度（m）；n/-護(hù)面塊體層數(shù)，取2；c–塊體形狀系數(shù)，取1.0

h=2×1.0×（0.0645/（0.1*23））1/3=0.61m ＜ 0.65m

本工程護(hù)面塊石厚度為0.65m，滿足規(guī)范要求。

③圍堰臨海側(cè)護(hù)面塊體穩(wěn)定重量驗(yàn)算。臨海側(cè)堤前波浪底流速按《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTJ298-98）4.2.20條計(jì)算：

表1 滑弧計(jì)算結(jié)果

式中：V–堤前波浪底流速（m/s）；H-設(shè)計(jì)波高，取0.6；L–計(jì)算波長(zhǎng)，取65m；d-堤前水深，取4.5m；

經(jīng)計(jì)算，堤前波浪底流速為0.42m/s，根據(jù)《防波堤設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》表4.2.21護(hù)底塊石采用100-150kg塊石滿足規(guī)范要求。

④圍堰開挖整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)《港口工程地基規(guī)范》（JTS147-1-2010），采用圓弧滑動(dòng)簡(jiǎn)單條分法進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算：

Υo/Msd≤MRK/ΥR

式中：Msd-作用于危險(xiǎn)滑弧面上滑動(dòng)力矩的設(shè)計(jì)值（KN.m/m）；

MRK-作用于危險(xiǎn)滑弧面上抗滑動(dòng)力矩的標(biāo)準(zhǔn)值（KN.m/m）；

Υo/-重要性系數(shù)；

ΥR-抗力分項(xiàng)系數(shù)，見表1。

表2 抗力分項(xiàng)系數(shù)最小時(shí)滑弧計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，圍堰使用期整體穩(wěn)定系數(shù)最小值為1.392，滿足規(guī)范要求。

（3）依托工程實(shí)施效果。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)常在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行止水圍堰施工，且止水圍堰回填料基本不采用中砂回填，而本工程采取就地取砂回填堤壩，但中砂回填后易受海浪沖刷而流失，為防止中砂被海浪沖刷，堤壩回填完成后，立即在堤壩外海側(cè)鋪設(shè)一層土工布，并拋填護(hù)坡塊石，利用止水圍堰注漿過程中溢出的漿液灑落在護(hù)坡塊石上，漿液凝固后將塊石間縫隙填堵，使得護(hù)坡塊石連成一個(gè)整體，并經(jīng)幾次大風(fēng)大浪后，堤壩整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，成功解決中砂遭海浪沖刷而流失等問題，同時(shí)節(jié)省了大量成本，為后續(xù)類似工程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

未護(hù)坡處理之前

護(hù)坡處理后

2.2 圍堰止水實(shí)施效果

（1）圍堰工程地質(zhì)條件。本工程場(chǎng)地內(nèi)土層大致分為六層，第一層為素填中粗砂，厚度約4.5m，分布在0.43m至+4.93m；第二層為細(xì)砂，厚度約4.5m，分布在-4.07m-0.43m；第三層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度約0.8m，分布在-4.87m至-4.07m；第四層為中砂，厚度約2.0m，分布在-6.87m至-4.87m；第五層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，厚度約3.1m，分布在-9.97m至-6.87m；第六層為中粗砂，厚度約3.1m，分布在-12.07m至-9.97m。

（2）止水圍堰形成后預(yù)期止水分析。根據(jù)地質(zhì)勘查資料可判斷弱透水層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，滲透系數(shù)取值K=0.525×10-6m/s。

①當(dāng)樁端入粉質(zhì)粘土層3.1m時(shí)，基坑底管涌按《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》3.8.3條驗(yàn)算。

基坑底標(biāo)高取-4.37m，極端高水位為+3.67m，中粗砂的重度r=19KN/m3，抗管涌安全系數(shù)K=1.5，海水重度rw=10.25KN/m3

r/=19-10.25=8.75KN/m3，則：

t=（kh/rw-r/h/）/（2r/）

=（1.5×8.04×10.25-8.75×8.04）/（2×8.75）

=3.04m＜3.1m

故不會(huì)發(fā)生管涌現(xiàn)象，因此本工程樁端入粉質(zhì)粘土層3.1m時(shí)滿足規(guī)范要求。②坑底控制滲水量按《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》3.8.4條計(jì)算。

K=0.525×10-6m/s

=0.0454m/d

水頭梯度i=h//（h/+2t）

=8.04/（8.04+2×3.04）

=0.57

Q=K×A×i

=0.0454×2021×0.57

=52.3m3/d

③基坑內(nèi)降水處理

基坑滲水處理

基坑內(nèi)日滲水量Q天=52.3m3/d

Q時(shí)=Q天/24=52.3/24≈2.2m3/h

當(dāng)每口疏干井內(nèi)布置水泵流量為5m3/h時(shí)，Q總時(shí)=5×4=20m3/h＞2.3m3/h，共布置4口疏干井滿足降水要求。

基坑應(yīng)急排水。當(dāng)遇強(qiáng)降雨、海水倒灌或基坑涌水等因素影響時(shí)，預(yù)計(jì)基坑內(nèi)每小時(shí)灌水量達(dá)10-100m3/h。為滿足應(yīng)急排水要求，在坑底布設(shè)排水溝及3個(gè)集水坑，每個(gè)集水坑內(nèi)放置一個(gè)100m3/h的潛水泵。

Q總=100×3=300m3/h＞100m3/h

滿足施工應(yīng)急排水要求。

（3）止水圍堰實(shí)施方法。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，本工程旋噴止水樁需穿透第五層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，并進(jìn)入第六層中粗砂層約0.5m方可滿足規(guī)范要求，因本工程旋噴止水樁需同時(shí)滿足止水及支護(hù)要求，旋噴樁樁徑宜為Φ800mm，樁間咬合200mm。旋噴止水樁施工采用二重管高壓旋噴施工工藝，該工藝采取分開輸送氣、漿二介質(zhì)的二重管，產(chǎn)生的高壓漿射流和外圍環(huán)繞的氣流同軸噴射沖切擠壓土體，使?jié){液在切割范圍內(nèi)更好的與地層顆粒摻和，形成強(qiáng)度較高的連續(xù)固結(jié)體，起到加固防滲的作用。

①旋噴止水樁試樁。為保證施工質(zhì)量，機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后，先進(jìn)行試樁，試樁根數(shù)不少于3根，深度為4m，通過試噴校驗(yàn)施工設(shè)備的技術(shù)性能、工藝參數(shù)、試噴效果及其技術(shù)措施能否滿足施工現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)計(jì)規(guī)范要求。待試樁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，即可將旋噴樁體挖出，檢查每根樁的均勻性、完整性、強(qiáng)度、樁間搭接量等是否滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范要求。

a.單嘴直徑2.4mm，旋噴。

漿壓（MPa） 28 提速（cm/min） 12氣流量（m3/min） 1.0-2.0 轉(zhuǎn)速（次/min） 12氣壓（MPa） 0.5-0.7 漿液比重（g/cm3） 1.48-1.53漿流量（L/min） 65-80 水灰比 1∶1孔位偏差（cm） ≤5

b.雙嘴直徑1.7mm，旋噴。

漿壓（MPa） 32 提速（cm/min） 12氣流量（m3/min） 1.0-2.0 轉(zhuǎn)速（次/min） 12氣壓（MPa） 0.5-0.7 漿液比重（g/cm3） 1.48-1.53漿流量（L/min） 65-80 水灰比 1∶1孔位偏差（cm） ≤5

c.單嘴直徑2.4mm，定噴。

漿壓（MPa） 35 提速（cm/min） 10氣流量（m3/min） 1.0-2.0 轉(zhuǎn)速（次/min） ∕氣壓（MPa） 0.5-0.7 漿液比重（g/cm3） 1.48-1.53漿流量（L/min） 65-80 水灰比 1∶1孔位偏差（cm） ≤5

②試樁后效果分析。

單嘴直徑2.4mm，旋噴

雙嘴直徑1.7mm，旋噴

采取單嘴直徑2.4mm旋噴方式試樁，樁徑達(dá)Ф810，樁身完整，旋噴樁抗壓強(qiáng)度達(dá)6MPa以上，滿足設(shè)計(jì)要求；采取雙嘴直徑1.7mm旋噴方式試樁，樁勁達(dá)Ф900，樁身完整，旋噴樁抗壓強(qiáng)度達(dá)6MPa以上，滿足設(shè)計(jì)要求。通過試樁發(fā)現(xiàn)雙嘴直徑1.7mm旋噴方式噴射存在樁徑偏大且使用水泥多，成本高，而單嘴直徑2.4mm旋噴方式噴射正好滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范要求，經(jīng)研究決定本工程旋噴樁采取單嘴直徑2.4mm旋噴方式進(jìn)行噴射。

臨海側(cè)排污管道底部止水采取單嘴直徑2.4mm，定噴方式試樁，樁的噴射寬度達(dá)150mm，噴射長(zhǎng)度達(dá)2200mm，樁身完整，旋噴樁抗壓強(qiáng)度達(dá)6MPa以上，

因樁的噴射寬度太小，不能滿足設(shè)計(jì)要求，為增大樁的噴射寬度，經(jīng)研究決定采用擺角300的擺噴方式來進(jìn)行施工，其余參數(shù)均按試樁時(shí)的參數(shù)實(shí)施。

單嘴直徑2.4mm，定噴

（4）依托工程實(shí)施效果。

①采用30°擺噴噴射法，成功解決深埋式大直徑管道下方止水困難的問題。深埋式大直徑管道下方止水采用30°擺噴噴射法史無前例，本工程排污管道深埋在圍堰臨海側(cè)堤壩底部，為使排污管道下方達(dá)到止水目的，決定在管道兩側(cè)先鉆孔，再采取30°擺噴對(duì)噴法進(jìn)行試樁，各項(xiàng)參數(shù)如下表：

噴射完成后，在距離噴射孔后方20cm處再鉆孔進(jìn)行Ф800mm旋噴樁施工。施工完成后，立即安排施工人員將樁體頂部挖出，檢查發(fā)現(xiàn)樁體連續(xù)，且止水墻最小厚度達(dá)600mm。圍堰內(nèi)基坑開挖過程中未發(fā)現(xiàn)此處滲水，止水效果較好，今后類似工程可采取此方案進(jìn)行大直徑管底部止水施工。

單嘴直徑2.4mm，30°擺噴

②回填堤壩潮差段采用插入PVC管及雙液注漿法，成功解決潮差段止水困難的問題。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)回填堤壩?；靥钔杆暂^弱的土質(zhì)，而本工程臨時(shí)圍堰堤壩采用中砂回填，中砂透水性較強(qiáng)，采用常規(guī)方法進(jìn)行止水施工時(shí)，潮差段漿液未初凝前將被海水沖刷，達(dá)不到止水目的。為防止遭海浪沖刷，在常規(guī)漿液中參入水玻璃，參入量為漿液量的10%-30%，乘平潮時(shí)對(duì)潮差段進(jìn)行雙液注漿。同時(shí)為防止在潮差段發(fā)生踏孔現(xiàn)象，在鉆孔過程中跟進(jìn)Φ110PVC管（經(jīng)試驗(yàn)當(dāng)漿壓達(dá)到28MPa時(shí)可成功將Φ110PVC管刺破，不影響注漿效果），通過此類方法成功解決潮差段止水困難及踏孔現(xiàn)象的問題，且止水效果較好，今后類似工程可采取此方案進(jìn)行止水。

2.3 基坑開挖實(shí)施效果

（1）基坑開挖實(shí)施方法。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)深基坑進(jìn)行開挖時(shí)需先鋪路后開挖，而針對(duì)本工程寬度狹窄，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，深度較深的基坑，宜采用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)直接進(jìn)行倒退開挖，再由普通挖掘機(jī)、后八輪進(jìn)行倒運(yùn)施工，成功解決基坑開挖難的問題，大大節(jié)省時(shí)間，同時(shí)也節(jié)約大量資金，今后類似工程可采取此方案進(jìn)行開挖施工。

（2）基坑邊坡護(hù)坡處理。因本工程土質(zhì)主要為中粗砂，需進(jìn)行護(hù)坡處理，待基坑邊坡開挖完成后，立即組織人員對(duì)基坑邊坡進(jìn)行修整、掛網(wǎng)噴坡處理。對(duì)于易坍塌的區(qū)域采取如下措施：基坑修整后立即噴射一層20-40mm砼護(hù)坡，砼凝結(jié)后再布置鋼釘孔位，進(jìn)行下一道施工工序。

砼噴射24小時(shí)后澆水養(yǎng)護(hù)，每天至少噴水四次。養(yǎng)護(hù)時(shí)間一般不小于7天。第一次噴水保養(yǎng)時(shí)，水壓力不宜過大，以防止沖壞噴射砼防護(hù)層表面。

3 實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)

（1）止水圍堰施工前，應(yīng)采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣，檢查取樣結(jié)果是否與設(shè)計(jì)勘察結(jié)果一致，若不一致時(shí)，需邀請(qǐng)監(jiān)理、業(yè)主、設(shè)計(jì)、勘察單位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，進(jìn)一步確認(rèn)無誤后方可進(jìn)行止水圍堰施工；

（2）旋噴止水樁施工前，需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試樁，檢查樁徑是否符合設(shè)計(jì)要求，樁身是否完整，若與設(shè)計(jì)要求不符，需調(diào)整相關(guān)參數(shù)后，再進(jìn)行試樁，直至樁徑、樁身滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求為止。

（3）止水樁鉆孔施工過程中常遇孤石，嚴(yán)重影響圍堰止水質(zhì)量，應(yīng)先探明孤石的大小，當(dāng)孤石較小時(shí)，可不予考慮，當(dāng)孤石較大時(shí)應(yīng)在孤石側(cè)面進(jìn)行補(bǔ)樁處理。

（4）當(dāng)基坑開挖至底層時(shí)，由于個(gè)別區(qū)域滲水較為嚴(yán)重，影響基坑護(hù)坡施工，可采取真空井點(diǎn)降水法（管道長(zhǎng)6m，管間距0.6m，管上布滿小孔，管道連接真空機(jī)后實(shí)施降水）快速將邊坡內(nèi)水引出，待基坑底部表面不出現(xiàn)滲水時(shí)，先在其底部豎向鋪上1層竹架板，竹架板外側(cè)打設(shè)木樁，并預(yù)留排水管，再掛網(wǎng)噴坡，待噴坡混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求后方可停止快速降水法。

4 結(jié)語

本文采取理論與實(shí)際相結(jié)合的方法總結(jié)了止水圍堰及深基坑開挖施工的全過程，詳細(xì)敘述了臨時(shí)止水圍堰及深基坑開挖過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的操作要點(diǎn)，及施工中所面臨的問題及解決方案，同時(shí)總結(jié)了圍堰堤壩回填、止水帷幕施工過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，亦提供大量的施工技術(shù)參數(shù)，具有較強(qiáng)的施工指導(dǎo)意義，為后續(xù)施工奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。