深基坑施工中水下開挖探討

王佛保

（中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610066）

深基坑作業(yè)本身存在較大風(fēng)險，水中深基坑開挖則風(fēng)險更高，從技術(shù)層面分析，目前有兩種水中深基坑開挖方式，即利用圍堰隔離排水后開挖和利用專門機(jī)械設(shè)備直接在水中作業(yè)。利用圍堰隔離排水后開挖技術(shù)簡單，但成本高；利用專門機(jī)械設(shè)備直接在水中作業(yè)技術(shù)含量高，但成本低。部分開挖過程中還涉及爆破工作，安全風(fēng)險大，因此基于具體項(xiàng)目重點(diǎn)分析深基坑施工水下開挖的技術(shù)方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

某水利工程的取水首部包括進(jìn)口引渠、取水建筑等，引渠后布置取水首部，取水首部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

斷面尺寸為25.00 m×9.30 m×36.04 m，閘首設(shè)置攔污柵，兩道工作閘門，建筑物后接有壓引水隧洞。引渠開挖包含引渠和巖坎兩個部分的開挖，坎頂高程110 m，引渠底面寬度10.06 m，兩側(cè)的坡比1∶0.5，開挖深度12.6 m。

項(xiàng)目現(xiàn)場地質(zhì)情況：巖坎的擋水坡面為自然坡面，坡度40°，巖坎背水面為人工構(gòu)筑邊坡，坡度70°，臨空條件較好，巖坎巖性為混合花崗巖，中硬～堅(jiān)硬，節(jié)理較發(fā)育，結(jié)構(gòu)面傾角44°～51°，弱透水。引渠側(cè)巖為混合花崗巖。

項(xiàng)目機(jī)具設(shè)備包括CM351潛孔鉆、KSZ-100潛孔鉆、手風(fēng)鉆、柴油空壓機(jī)供風(fēng)、供風(fēng)管路利用橡膠軟管。施工用電為10 kV電源，照明方面專門制作專用燈塔，塔上安裝2～3個2 000 W可調(diào)整投光燈。

基坑內(nèi)部滲水由15 kW水泵抽排。

2 深基坑水下開挖思考

一般情況下，深基坑開挖中主要采取以抗為主的思路，即采取止水帷幕等方法將水排開，利用帷幕進(jìn)行邊坡防護(hù)，形成自平衡特性，解決施工中的風(fēng)險。深基坑施工中的風(fēng)險客觀存在，不能被完全消除，但可以將風(fēng)險控制在合理范圍內(nèi)[1]。水下開挖方法在深基坑中的應(yīng)用通常需要考慮施工位置靠近江河湖海，使用明挖法的深基坑，基坑開挖深度應(yīng)在30 m左右，面積在1 000 m2以內(nèi)，透水層與地表水之間存在高度關(guān)聯(lián)性。

3 基于項(xiàng)目的深基坑水下開挖方法

實(shí)際工程項(xiàng)目取水首部預(yù)留巖坎需要分兩次開挖，先開挖引渠部分，安裝閘門，開挖預(yù)留巖坎部分。預(yù)留巖坎底面寬為26.7 m，頂面寬度為4 m，邊坡設(shè)計開挖坡比為1∶0.5。強(qiáng)風(fēng)化層挖除以后，結(jié)構(gòu)面內(nèi)部以混合花崗巖為主，經(jīng)過驗(yàn)算，預(yù)留巖坎的抗傾斜穩(wěn)定安全系數(shù)為38.96，滿足抗傾覆穩(wěn)定的要求。

抗傾覆計算：

式中：Ko——抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；∑My——作用于墻體的荷載對墻前趾產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩；∑Mo——作用于墻體的荷載對墻前趾產(chǎn)生的傾覆力矩。

傾覆力矩計算：

式中：G——巖體自重；L1——穩(wěn)定力力臂；γo——水容重；h——水頭高程；L2——傾覆力力臂。

代入數(shù)據(jù)，∑My=13 744.64，∑Mo=352.8，Ko=38.96。

Ko>1.3，滿足抗傾覆穩(wěn)定安全要求。

巖坎巖性體現(xiàn)為混合花崗巖，上部存在強(qiáng)風(fēng)化層，厚度大約4.0 m，卸荷裂隙發(fā)育，強(qiáng)度較低，下部弱風(fēng)化層，質(zhì)地堅(jiān)硬，抗壓強(qiáng)度在40 MPa以上，結(jié)構(gòu)面傾角44°～51°，基于上述條件邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.968，滿足要求。

采取分區(qū)分層分塊開挖的方法，引渠部分分層分塊，年平均汛期前水位以下部分為A區(qū)；汛期前水位以上、汛期水位以下部分則作為B區(qū)，其余部分為C區(qū)。

B、C兩區(qū)采取爆破方法開挖，A區(qū)水下部分分成四塊，采用水下爆破的方法，A區(qū)與B區(qū)交叉部分則先B區(qū)明挖爆破后，再爆破A區(qū)部分。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范中水下爆破章節(jié)的要求，水下出渣采取長臂反鏟出渣，爆破渣體的粒徑要求為400 mm以下在40%以上，400～600 mm的在20%～45%，600 mm以上則在15%以下，由此單耗約0.6～1.2 kg/m3。由于巖性較好，水下爆破炸藥單耗約1.0 kg/m3。

水下部分主爆區(qū)基巖布置豎直孔，為了方便施工采用矩形布孔，垂直鉆孔且孔徑為115 mm，裝藥直徑90 mm?？拙嘁?.5～2.9 m，最小抵抗線1～2.5 m，排距1～2.5 m。

孔深按爆破孔位置至開挖底部高度確定，為了保證水下不留根底，鉆孔需要超深，取值范圍1.5～2.0 m。水下爆破出渣部位基本位于水面之下，只能水面出渣，難度較大，為了保障出渣效率，應(yīng)當(dāng)盡可能降低大塊渣概率，炸藥單耗取1.0 kg/m3。豎直孔堵塞長度1.4～3.0 m。

采取孔外微差法，最大段起爆藥量45.6 kg，間隔50 ms。預(yù)裂孔孔徑設(shè)計為90 mm，裝藥70 mm，按照設(shè)計要求坡比進(jìn)行鉆孔，預(yù)裂孔裝藥密度，按照相似工程取0.4 kg/m，孔距1 m，孔深15.5 m，堵塞長度1.0～1.5 m，單孔最大裝藥4.02 kg，導(dǎo)爆索連接起爆。

鉆孔爆破的每孔裝藥量可按體積公式計算：

式中：Q——炮孔計算裝藥量（kg）；q——水下鉆爆單耗值（kg/m3），擬選1.0 kg/m3；a——孔距（m）；b——排距（m）；H——設(shè)計開挖深度（m），13.5 m。

根據(jù)各部位最大允許起爆藥量要求，爆破時采用孔間、排間微差的方式進(jìn)行，以毫秒級時差順序起爆藥包，爆破總炸藥能量被分割成多數(shù)較小能力，在合理裝藥結(jié)構(gòu)下，每個藥包可創(chuàng)造多個臨空面，以達(dá)到最佳的爆破效果。為了確保爆破質(zhì)量和安全性，預(yù)先根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行爆破試驗(yàn)，試驗(yàn)場選擇距離主體建筑物50 m以外的安全試驗(yàn)場地，利用出渣船搭建臨時鉆孔平臺，按中風(fēng)壓沖擊成空方法鉆孔，試驗(yàn)孔深13.5 m，按照安全操作規(guī)程要求起爆。

施工開挖中最先開挖C區(qū)，C區(qū)巖性主要是強(qiáng)風(fēng)化花崗巖和弱風(fēng)化花崗巖，開挖時先反鏟挖除表面松動巖塊，對強(qiáng)度高的巖體采用松動爆破。及時運(yùn)走爆破后的破碎巖塊，進(jìn)入B區(qū)開挖。

B區(qū)巖性主要為弱風(fēng)化花崗巖，強(qiáng)度較高，分層厚度為7.7 m，采取垂直深孔爆破，周邊預(yù)裂爆破，一次爆破成型。爆破后作業(yè)船利用長臂反鏟將水中的石渣鏟走，轉(zhuǎn)至出渣碼頭由自卸貨車運(yùn)至棄渣場堆放。

A區(qū)情況相對復(fù)雜，四個區(qū)塊中近水面區(qū)域?yàn)閺?qiáng)風(fēng)化花崗巖，后續(xù)部分為弱風(fēng)化花崗巖，開挖方法為水下爆破和周邊預(yù)裂爆破。水下鉆孔用潛孔鉆機(jī)鉆孔，鉆孔前需要在鉆孔位置豎直安裝130 mm直徑的套管，鉆具通過套管下至鉆孔位置鉆孔，孔內(nèi)使用內(nèi)徑為100 mm的高強(qiáng)度PVC套管，用以保護(hù)爆破孔，爆破后由作業(yè)船長臂反鏟運(yùn)走巖渣。

引渠檢修豎井閘門等工作閘門安裝調(diào)試完成后下閘，周邊建筑物等均采取防護(hù)后，進(jìn)行巖坎開挖施工。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，巖坎分層中第一層、第二層均為弱風(fēng)化花崗巖，采取明挖爆破，且主爆孔超深（控制在1.5～2.0 m），超深至臨水面依次降低，爆破后迫使下一層開始時臨空面傾向水庫，周邊則用預(yù)裂爆破。第三層為水上部分，弱風(fēng)化花崗巖，水上鉆孔，水下爆破出渣，利用水上鉆孔平臺鉆孔。

根據(jù)各部位最大允許起爆藥量要求，爆破時采用孔間、排間微差的方式進(jìn)行，即以毫秒級時差順序起爆各個藥包，把爆破的總炸藥能量分割為多數(shù)較小的能量，采取合理的裝藥結(jié)構(gòu)，最佳的微差間隔時間和起爆順序，為每個藥包創(chuàng)造多個臨空面，以達(dá)到最佳爆破效果，將爆破振動控制在允許值內(nèi)。本工程的孔間微差為110 ms，排間微差為25、50 ms，預(yù)裂爆破時預(yù)裂孔超前主爆孔110 ms起爆預(yù)裂。

利用工程前期混凝土澆筑形成的腳手架制作防護(hù)網(wǎng)，預(yù)防爆破飛石，巖坎開挖前設(shè)置一條減震溝，閘門前布置三組氣泡帷幕。

由于第三層以后的巖坎爆破是在靜水中進(jìn)行，因此為了防止爆破后水壓傾瀉沖擊閘門及附屬建筑物，需要在爆破前向基坑內(nèi)注大約5 800 m3的水，以保證水頭平衡?；舆吰轮ёo(hù)使用Φ25錨桿，梅花形布置且間距為2.0 m×2.0 m，掛鋼筋網(wǎng)并噴射C25混凝土。上部設(shè)排水孔，用Φ50PVC管制作排水管，端頭用土工布包裹。

4 水下開挖質(zhì)量保證措施

（1）總工程師應(yīng)組織技術(shù)人員進(jìn)行圖紙會審，確保設(shè)計參數(shù)準(zhǔn)確、無誤。

（2）做好所有參建人員安全、技術(shù)交底工作，通過全員嚴(yán)格遵守安全、技術(shù)規(guī)范，達(dá)到保證施工質(zhì)量控制目標(biāo)。

（3）建立質(zhì)量檢查監(jiān)督機(jī)構(gòu)，各小組均應(yīng)制定質(zhì)量管理目標(biāo)，從人、機(jī)、料、法、環(huán)各個環(huán)節(jié)遵照執(zhí)行與檢查。

（4）施工準(zhǔn)備階段，施工管理機(jī)構(gòu)與質(zhì)量檢查機(jī)構(gòu)應(yīng)根據(jù)工程施工的每一個工序，建立檢管理要素清單，例如設(shè)備的機(jī)械性能、人員的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證、爆破材料的適用性、工序銜接管控，針對水上平臺運(yùn)行、鉆孔、裝藥、爆破、排危、水下出渣、轉(zhuǎn)運(yùn)、卸料等各工序建立檢查清單，確保水下開挖各工序質(zhì)量得到保證。

（5）爆破鉆孔應(yīng)嚴(yán)格按爆破設(shè)計進(jìn)行鉆造，如遇特殊地質(zhì)條件與設(shè)計不相符合的，應(yīng)及時報告地質(zhì)工程師、爆破設(shè)計師，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)圍巖調(diào)整爆破參數(shù)，達(dá)到預(yù)想的爆破效果及安全控制。

（6）爆破專業(yè)人員應(yīng)嚴(yán)格按照爆破設(shè)計進(jìn)行裝藥和爆破網(wǎng)絡(luò)連接，采用設(shè)計要求的填塞物封孔，爆破網(wǎng)絡(luò)安裝完成后應(yīng)由專人負(fù)責(zé)檢查連接后的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，確保連接、裝藥無誤后方可起爆。

5 結(jié)語

綜上所述，深基坑施工涉及水下開挖，施工難度較大，技術(shù)上采取爆破技術(shù)可行，應(yīng)采取合適的水下爆破技術(shù)，以確保開挖質(zhì)量。本文對水下爆破開挖方法進(jìn)行了簡單分析，項(xiàng)目實(shí)踐中也基于此方法取得了良好效果。