黃河主河道深基坑開挖及干封底施工技術(shù)

黃少華，任思勉

(中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安710100)

0 引 言

隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)的發(fā)展，有時需要對河道或地表進(jìn)行開挖，在河道或地下水位高的地域修筑建筑物。劉建偉對水下封底混凝土分別采用加固土和混凝土換撐來模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算,驗算施工期間封底結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性和承載力,并針對施工重難點提出針對性措施,確保施工質(zhì)量和安全持續(xù)可控[1]。 孫智勇結(jié)合2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，有效解決了超厚強(qiáng)透水地層中深基坑施工難題[2]。張洪波對深基坑開挖施工中不同水文地質(zhì)條件、工程施工條件下的各類工程降水方法進(jìn)行了總結(jié)[3]。以往此類基坑開挖的難點在于：水下開挖時基底標(biāo)高難以控制；圍堰及護(hù)筒四周泥沙難以清理到位；水下封底時因無法直視，封底混凝土頂面平整度難以控制；且其投入較大，施工周期較長[4]。根據(jù)水土力學(xué)特性，水壓力是影響圍堰結(jié)構(gòu)安全的重要因素，因此降低地下水位，減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力，是加快施工進(jìn)度、保障施工安全和質(zhì)量的關(guān)鍵。本文結(jié)合實際工程，對原定水下開挖、水下封底施工工藝進(jìn)行人、機(jī)、物等多方面優(yōu)劣分析，結(jié)合多種施工方法的優(yōu)點，優(yōu)化水下深基坑開挖施工工藝，提出基坑外部水位與內(nèi)部砂土同步抽排的施工方法，確保基坑干封底，從而節(jié)省施工工期，降低施工成本。

1 工程概況

禹門口黃河公路大橋主橋為(245+565+245)m 三跨雙塔雙索面鋼混疊合梁斜拉橋，全長1 055 m；主橋承臺結(jié)構(gòu)尺寸為：11#承臺49 m×29 m×6 m，12#承臺49 m×24 m×6 m。根據(jù)地質(zhì)、水文條件，11#、12#索塔承臺均處在細(xì)砂層，考慮成本投入、施工進(jìn)度、難易程度、材料設(shè)備投入、實施性及安全質(zhì)量等因素，兩承臺施工均采用鋼板樁圍堰作為施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)。主橋基坑分別深9.5、10.5 m，鋼板樁圍堰外側(cè)打設(shè)管徑400 mm、深20 m的降水井，11#承臺外側(cè)打設(shè)48口降水井，12#承臺外側(cè)打設(shè)28口降水井；主橋11#開挖土方為16 245 m3，主橋12#開挖土方為15 300 m3。

2 工藝優(yōu)化

2.1 原有水下開挖施工工藝

針對主橋12#索塔承臺基坑，初步擬定采用高壓射水配合泥漿泵和空氣吸泥機(jī)組合方式開挖。根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，施工中首先將所有設(shè)備調(diào)試正常，開挖初期在基坑內(nèi)人工高壓射水切割沖泥，用泥漿泵吸泥開挖；當(dāng)?shù)叵聺B水量增大時，改為空氣吸泥機(jī)吸泥，并保證空氣吸泥機(jī)在水面以下最小深度，啟動補(bǔ)水泵向基坑內(nèi)補(bǔ)水，保持基坑內(nèi)水位高于地下水位1～2 m；再啟動高壓泵水下沖土，最后開啟空氣吸泥機(jī)，移動吸泥管達(dá)到正常沖吸土。在空氣吸泥機(jī)吸泥過程中，應(yīng)不停向基坑內(nèi)補(bǔ)水，保證基坑內(nèi)外水頭差[5-7]。

基坑吸泥共投入2套吸泥機(jī)，分別從無內(nèi)支撐區(qū)域、靠近圍堰腰部內(nèi)支撐且靠近基坑軸線附近開始吸泥，周邊土體自然向吸泥管口塌落，從而形成大鍋底，待開挖至距離設(shè)計開挖面1.0 m時，根據(jù)施工過程中具體測量情況向四周移動吸泥機(jī)循環(huán)作業(yè)，從而完成邊緣土體的開挖[8]。底部大約1.0 m土體開挖時，先關(guān)閉高壓水泵，僅開啟空壓機(jī)進(jìn)行清底，空氣壓力隨實際開挖情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，清底時空氣吸泥機(jī)在內(nèi)支撐之間轉(zhuǎn)移，且需邊清底邊提升吸泥機(jī)，開啟高壓水泵清理護(hù)筒及鋼板樁圍堰內(nèi)側(cè)壁上的土體，必要時需潛水員下去清理護(hù)筒及鋼板樁圍堰內(nèi)側(cè)壁上的土體。

此施工工藝需不間斷地往基坑內(nèi)注水，開挖完成后將面臨水下封底的難題，很可能增加潛水員水下作業(yè)等高風(fēng)險作業(yè)環(huán)節(jié)。水下封底施工工藝流程如圖1所示[9]。

圖1 基坑水下封底施工工藝流程

由水下封底施工工藝可以看出，水下封底前需要對基底進(jìn)行清理整平，對鋼板樁及鋼護(hù)筒外壁進(jìn)行清理，整個過程均為水下操作，危險性大，且難以保證整體質(zhì)量。同時，水下封底需要投入大量的鋼材搭設(shè)封底平臺，并需要多套導(dǎo)管，材料設(shè)備投入大；與干封底相比，水下封底混凝土的標(biāo)號、厚度均需增大，封底成本也隨之急劇加大[10]。

2.2 主橋12#承臺基坑施工工藝

主橋12#承臺基坑開挖時，針對水下吸泥開挖、水下封底施工技術(shù)的諸多不利，提出了井點降水、干開挖、干封底的施工方法，旨在通過降水使基坑開挖實現(xiàn)無水眀挖，減少開挖深度，降低開挖成本，減少封底成本，提高封底質(zhì)量。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告及水文地質(zhì)特征確定土的含水層及各層土的滲透系數(shù)。通過理論計算得出坑基降水深度，初步確定降水井井管的直徑、長度和布置間距，然后在圍堰外圍均勻布置降水井。在承臺基坑開挖前期及施工過程中，利用水泵持續(xù)不斷排水，使基坑內(nèi)水位降至基坑底以下，所有開挖土體保持干燥狀態(tài)[11-12]。

施工時在承臺基坑四周設(shè)置28口深20 m的降水井，管徑400 mm，下放水泵，調(diào)試，抽水。提前抽水20 d后，安裝第一道圍凜和內(nèi)支撐，然后采用長臂挖機(jī)進(jìn)行基坑開挖；當(dāng)挖至第二道鋼支撐以下50 cm處時，安裝第二道鋼圍檁和鋼支撐；當(dāng)挖至第三道鋼支撐以下50 cm處時，安裝第三道鋼圍檁和鋼支撐[13-14]；然后將小型挖機(jī)放入基坑內(nèi)進(jìn)行開挖，直至挖至封底混凝土底面，進(jìn)行承臺干封底施工。對少量滲水可采取基坑四周開挖排水溝和積水井的方式進(jìn)行抽排。待封底混凝土達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，拆除第三道鋼支撐，最后破樁頭，進(jìn)行承臺施工[15-16]。

主橋12#承臺基坑施工工藝流程如圖2所示。

圖2 主橋12#承臺基坑施工工藝流程

2.3 主橋11#承臺基坑施工工藝

主橋12#承臺基坑開挖過程中主要存在的問題是：降水提前進(jìn)行；對于工期要求高的工程適用性較差；開挖過程需投入大量的機(jī)械設(shè)備；設(shè)備利用率低。針對此弊端，主橋11#承臺基坑開挖時，在12#施工工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改良，改用長臂挖機(jī)配合抽沙船進(jìn)行基坑開挖，降水井同步降水，保持外部降水與外部抽砂抽排速率基本一致。主橋11#承臺基坑施工工藝流程如圖3所示。

圖3 主橋11#承臺基坑施工工藝流程

此施工方法主要是通過抽沙船將基坑內(nèi)水、沙、泥等混合物抽排，長臂挖機(jī)輔助將大塊石頭或達(dá)不到抽沙船工作條件的部分土體清理出基坑；基坑外圍井點降水則是確保在開挖過程中承臺基坑鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外水壓力基本保持平衡，并保障封底時基坑底處于無水狀態(tài)，以達(dá)到干封底條件。

主橋11#承臺基坑較12#承臺基坑開挖施工而言，節(jié)省降水井前期抽水時間約20 d，大大加快了整體施工進(jìn)度，且施工工藝亦可滿足干封底條件，減少了人工、材料、機(jī)械費(fèi)用，比較可行。

3 控制要點

3.1 井點降水

(1)平面布置。根據(jù)工程水文地質(zhì)情況，結(jié)合施工經(jīng)驗計算單口井降水漏斗及基坑總涌水量，確定降水井的直徑、數(shù)量以及井管長度，然后在承臺基坑鋼板樁圍堰外側(cè)均勻布置降水井[17-19],如圖4所示。

圖4 施工現(xiàn)場降水井

(2)降水井成井工藝。井點降水施工注意事項如表1所示。

表1 降水井施工注意事項

(3)降水運(yùn)行控制及監(jiān)測。降水井施工完成后應(yīng)立即投入預(yù)抽水，降水過程中可隨井內(nèi)水位及時開泵或關(guān)泵，根據(jù)開挖進(jìn)度控制降水速率，保證圍堰內(nèi)外水位高差在0.5 m范圍內(nèi)。

3.2 基坑開挖

(1)采用長臂挖機(jī)進(jìn)行基坑土方開挖(圖5)，清理基坑頂部土體至第一層鋼支撐位置以下0.5 m處，安裝第一道鋼圍檁和鋼支撐。

圖5 長臂挖機(jī)開挖基坑

(2)第一道內(nèi)支撐安裝完成后，將基坑長度方向從中間分成2個開挖區(qū)域，在每個區(qū)域的中間位置開挖一處3 m×3 m×1 m的坑槽，利用基坑內(nèi)原有水位將抽沙船吊入基坑，懸浮在坑槽內(nèi)進(jìn)行抽砂開挖(圖6)；開挖過程中，每隔3 h測量一次基坑內(nèi)水位標(biāo)高，通過調(diào)整降水及抽砂速率確保圍堰內(nèi)外水位高差在±50 cm范圍內(nèi)。

圖6 抽沙船開挖基坑

(3)開挖至第二道鋼支撐以下50 cm處時，安裝第二道鋼支撐以及第一道鋼支撐和第二道鋼支撐之間的連接；開挖至第三道內(nèi)支撐以下50 cm處時，安裝第三道鋼支撐及其與第二道鋼支撐之間的連接構(gòu)件[20-23]。

(4)抽沙船開挖面為漏斗形，開挖過程中記錄砂土漏斗半徑及深度，在快開挖至基坑底標(biāo)高時計算漏斗體積，確保凸起砂土能填滿漏斗體，然后停止抽砂。

(5)開挖至基坑底標(biāo)高，在圍堰外水位降至基坑底標(biāo)高以下50 cm后，先利用高壓水槍清洗鋼板樁及鋼護(hù)筒外壁的泥沙，然后利用小挖機(jī)對基坑底面進(jìn)行整平處理，如圖7所示。

圖7 基坑整平

3.3 基坑封底

(1)基坑底面平整完成后，在基底鋪設(shè)彩條布(圖8)，防止封底混凝土澆注時基底砂土影響封底混凝土質(zhì)量。

圖8 基底鋪設(shè)彩條布

(2)由于封底施工過程中難免有雜物出現(xiàn)，封底由基坑一側(cè)向另一側(cè)進(jìn)行，封底過程中及時清理混凝土自流動前端的雜物，保障封底混凝土質(zhì)量。

(3)封底時，先在基坑內(nèi)每個鋼護(hù)筒上做好標(biāo)志，標(biāo)記出封底混凝土標(biāo)高位置，保證封底結(jié)束后封底混凝土頂面平整。

4 結(jié) 語

深基坑開挖及干封底施工技術(shù)，較以往水下開挖、水下封底的施工工藝而言，能迅速降低地下水位，保證基坑開挖和干封底施工順利進(jìn)行。井點降水結(jié)構(gòu)簡單，降水設(shè)備及操作工藝簡便，運(yùn)行成本低，工程降水性價比高。降水后，圍堰外水土壓力大幅降低，圍堰內(nèi)支撐體系優(yōu)化減少部分型鋼支撐，節(jié)省施工成本。同時，由于土層從有水變成無水狀態(tài)，內(nèi)摩擦角變大，鋼板樁所受的主動土壓力隨之變小，提高了圍堰的安全性。降水與開挖同步進(jìn)行，極大縮短了施工工期。干封底可減少一半以上混凝土用量，鋼板樁入土深度亦可減小，即鋼板樁長度由原來的21 m減少至18 m，節(jié)省成本。干封底可避免水下封底的盲目性，基底標(biāo)高得到有效控制，封底混凝土與各構(gòu)件之間緊密黏結(jié)，封底質(zhì)量得以保證。工程實踐充分驗證了此施工工藝的可行性，為項目降低了施工風(fēng)險，加快了施工進(jìn)度，節(jié)省了施工成本，可為類似工程提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉建偉,盧致強(qiáng),付 波,等.地鐵超深基坑水下混凝土封底施工技術(shù)[J].城市軌道交通研究,2017,20(11):83-89.

[2] 孫智勇.水下開挖法在市政工程深基坑施工中的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究,2016,19(3):114-118，137.

[3] 張洪波,陳 勝,盧衛(wèi)東.深基坑開挖過程中地下水控制方法探討[J].土工基礎(chǔ),2012,26(3):84-87.

[4] 李春波.大斷面鋼板樁圍堰水下封底砼施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2016(S1):117-120.

[5] 肖 勇.七里河八劉閘基坑開挖降排水設(shè)計淺談[J].水利建設(shè)與管理,2009(8):35-36.

[6] 郝志強(qiáng).大型沉井結(jié)構(gòu)下沉過程中的受力特性研究[D].南京:東南大學(xué),2010.

[7] 邱瓊海,林 帆,姜江華.陸上特大型沉井施工技術(shù)[J].中國工程科學(xué),2010(4):14-20.

[8] 黃天明,程雪松,鄭 剛,等.基坑局部超挖對周邊支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理[J].中國港灣建設(shè),2016(4):1-5.

[9] 王衛(wèi)忠.泰州長江公路大橋北錨大型沉井封底技術(shù)[J].交通科技,2010(1):40-42.

[10] 馬虎迎.大體積混凝土施工期溫度場仿真分析研究[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2015.

[11] 楊耀中,趙 峰,沈煒皓,等.長江漫灘地區(qū)水利工程深基坑降水淺析[J].科技資訊,2017(12):48-49.

[12] 梁建軍,李 凱.井點降水在禹門口黃河大橋中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2017(19):178-180.

[13] 王 強(qiáng).鋼管內(nèi)支撐在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù),2014(S1):155-157.

[14] 胡小周,曹振中.府河特大橋橋梁深水承臺鋼板樁圍堰施工技術(shù)[J].四川水利,2013(5):65-66.

[15] 謝檔良.淺談輞川特大橋深水承臺鋼板樁圍堰的施工方法[J].四川建材,2017(9):157-158.

[16] 李海霞.東江北干流特大橋主墩鋼板樁圍堰設(shè)計與施工[J].城市建設(shè)理論研究,2015(18):2889-2892.

[17] 蔣 量.大型沉井排水下沉?xí)r地面沉降的研究[D].南京:東南大學(xué),2010.

[18] 左 靜.北京某基坑工程支護(hù)設(shè)計與數(shù)值模擬[D].邯鄲:河北工程大學(xué),2017.

[19] 王國富.淺談降水管井施工工法[J].中國科技縱橫,2012(21):91-92.

[20] 何 樂,王文燦.輕型井點降水技術(shù)的工程應(yīng)用及改進(jìn)[J].城市建設(shè)理論研究,2015(30):1260-1261.

[21] 馬海賢.地鐵深基坑開挖施工技術(shù)[J].安徽建筑,2013(6):104-105.

[22] 張 碩.地道鋼支撐體系布置及施工技術(shù)[J].城市建設(shè)理論研究,2015(35):3506.

[23] 陳子陽.超大體積水下混凝土施工[J].價值工程,2017(21):133-134.