泵站基坑開挖及支護施工技術(shù)要點分析

賴清照 中投德創(chuàng)建工有限公司

泵站是水利工程的重要組成部分，建設(shè)泵站必須開展基坑施工，而且后者質(zhì)量將會直接影響泵站以及水利工程整體實用性。因此，科學(xué)選用施工技術(shù)，強調(diào)基坑開挖與支護可靠性成為工作重點。在此情況下，探究泵站基坑開挖以及支護技術(shù)要點，有利于總結(jié)經(jīng)驗、優(yōu)化方法，能為泵站基坑工程現(xiàn)場施工提供有力支持和指導(dǎo)。

1.常見的泵站基坑開挖支護技術(shù)類型

作為泵站工程中不可或缺的一部分，泵站基坑施工的可靠性將直接影響泵站工程整體效益。隨著泵站使用范圍擴大、工程數(shù)量增多，有關(guān)于泵站施工技術(shù)的研究也不斷豐富。實際作業(yè)環(huán)節(jié)，泵站基坑開挖以及支護技術(shù)種類極具多樣性，但在使用中卻不能隨意選用。從現(xiàn)實角度來看，泵站基坑開挖與支護技術(shù)選用必須從實際出發(fā)，否則極容易出現(xiàn)支護失效的情況，將會對施工人員的生命安全造成威脅。為此，筆者對常見的泵站基坑開挖與支護技術(shù)的種類和實施要點加以總結(jié)，以便施工人員可以結(jié)合實際作出合理選擇。

1.1 開挖技術(shù)要點

泵站基坑開挖主要依靠機械完成，施工時需要按照工程需求安全、快速地完成土方開挖。泵站屬于水利工程，所以此類工程的基坑開挖以明挖技術(shù)和邊坡開挖技術(shù)為主。

1.1.1 明挖技術(shù)

開挖泵站基坑前，設(shè)計人員需要先根據(jù)實際需求，選定阻水支護方案，從而避免地下水或土層位移引發(fā)安全風(fēng)險。明挖技術(shù)具有簡單成熟、高效便捷的特點，是最具普遍性的一種基坑開挖方法。實際作業(yè)環(huán)節(jié)，基坑開挖人員需從地表開始向下開挖基坑，開挖深度應(yīng)該與設(shè)計標高等同；而且，在開挖過程中，應(yīng)該遵循“邊挖邊支”的原則，確保基坑穩(wěn)定性和地下施工安全性。通常來說，基于明挖法開挖基坑，應(yīng)先做好基坑排水再進行土方開挖；主要排水方法為設(shè)置排水溝、截水溝、擋水臺、排水井，打造排水管網(wǎng)。為保證技術(shù)應(yīng)用實效性，土方開挖環(huán)節(jié)施工人員應(yīng)該按照分層、分段開挖支護的方式作業(yè)，實踐中必須嚴守施工順序、高度重視質(zhì)量把控，嚴禁超挖。

1.1.2 放坡開挖

放坡開挖是一種具有較高安全性的基坑開挖方式，該方法在水利工程施工中十分常用。從本質(zhì)上來看，放坡開挖就是在深基坑邊緣放出足夠邊坡，將直上直下的基坑開挖方式轉(zhuǎn)化為斜坡下挖，從而避免土壁倒塌的一種基坑開挖技術(shù)。通常來說，放坡開挖技術(shù)適用于土質(zhì)條件惡劣的地區(qū)，在軟土、砂土等土層穩(wěn)定性差的區(qū)域常采用此方法開挖基坑；而且，施工場地土層含水量高、基坑開挖深度超過3m或基坑周邊建筑數(shù)量多時也可選用此方法來提高施工安全性。需要注意的是，放坡開挖對周邊環(huán)境影響大且對空間開放性要求高。

1.2 支護技術(shù)要點

結(jié)合實踐不難發(fā)現(xiàn)，泵站基坑施工中開挖與支護技術(shù)需要配套使用，而在支護環(huán)節(jié)既可以選擇單一技術(shù)也可通過技術(shù)合用達到復(fù)合支護體系。當前，最為常用的集中泵站基坑支護技術(shù)如下。

1.2.1 土釘墻支護技術(shù)

土釘墻的本質(zhì)是一種土擋墻，施工時需要以粗鋼筋或角鋼為土釘加固天然土體從而極具穩(wěn)定性的擋墻。作為一種復(fù)合土體，土釘墻最大的價值就是保證基坑穩(wěn)定性，有效應(yīng)用土釘墻不僅可以形成安全可靠的支護結(jié)構(gòu)，使邊坡整體穩(wěn)定性和超載承受力增加；更能減少基坑施工的成本支出、噪音振動以及放坡難度。采用土釘墻支護技術(shù)時，泵站基坑施工人員同樣需要采取分層分段“邊挖邊支”方式作業(yè)，施工順序如下：①基坑開挖；②邊坡處理；③鉆孔插筋；④注漿鋪網(wǎng)；⑤混凝土噴射；⑥混凝土養(yǎng)護。需要注意的是，應(yīng)用土釘墻支護技術(shù)必須嚴格控制注漿水灰比（大多為1:3），強調(diào)鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)環(huán)節(jié)的網(wǎng)片固定間距誤差控制（不超過±30mm）；還必須保證均勻且自下而上地灌注混凝土，結(jié)合實際控制分層噴射厚度并保證養(yǎng)護質(zhì)量。

1.2.2 土層錨桿支護技術(shù)

土層錨桿施工技術(shù)原理十分簡單，設(shè)計應(yīng)用環(huán)節(jié)需要先做好基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)置，然后隨著基坑開挖深度增加不斷在土層內(nèi)部進行錨桿施工。施工中，土層錨桿的兩端應(yīng)分別與土層和基坑圍護結(jié)構(gòu)相連，這樣可以切實保證支護土層的穩(wěn)定性。對于泵站基坑施工人員來說，使用土層錨桿施工技術(shù)需做好錨桿鉆井，無論是基于沖擊式鉆機、旋轉(zhuǎn)式鉆機還是沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆機都可有效成孔；將錨桿插入鉆孔前需做好防腐處理，錨桿插入時需要做好灌漿工作從而使錨桿與土層緊密結(jié)合；確保錨桿穩(wěn)固后即可張拉錨桿，此時可基于千斤頂施工，完成張拉錨固以后開展二次灌漿。

1.2.3 水泥土擋墻支護技術(shù)

泵站基坑施工中，基于水泥擋墻支護也十分普遍。這種擋墻也被稱為重力式水泥土擋墻，是基于天然土層與固化劑共同形成的復(fù)合體，其支護原理與土釘墻支護技術(shù)具有一定的相似性。實際作業(yè)環(huán)節(jié)，施工人員可基于高壓噴射注漿法實現(xiàn)原有土層與水泥漿混合，將原本的軟弱土體轉(zhuǎn)化為不易透水、穩(wěn)定性強且致密性強的擋墻。當前，水泥擋土墻種類眾多，格柵形式最為常見；技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，可根據(jù)實際需求選擇是否在樁中添加型鋼。需要注意的是，基于水泥土擋墻支護技術(shù)的軟土基坑施工深度不可超過7m，若土層的初始抗剪強度低或土壤酸性強，則不適宜使用該方法。

1.2.4 地下連續(xù)墻支護技術(shù)

地下連續(xù)墻具有極強的擋土防滲作用，在土層含水量高的基坑施工中十分適用，所以這種基坑支護技術(shù)在泵站基坑工程中極為常見。從本質(zhì)上來看，地下連續(xù)墻支護就是依托于泥漿護壁技術(shù)打造連續(xù)的地下墻體，使之發(fā)揮截水防滲以及擋土支護作用。通常來說，地下連續(xù)墻適用于深基坑施工，具有整體性、承載力強和靈活性、穩(wěn)定性高的特點，而且施工擾動小、噪音少；不過，這種支護方式并不適用于軟黏土以及巖溶地區(qū)，而且施工過程中會產(chǎn)生大量廢土、廢漿。實際作業(yè)環(huán)節(jié)，若采取地下連續(xù)墻支護技術(shù)施工，則需要按照如下步驟作業(yè)：①劃分墻段槽孔；②泥漿護壁；③機械鉆孔并插入接頭管；④混凝土灌注；⑤連接墻段。

1.2.5 排樁支護技術(shù)

顧名思義，排樁支護技術(shù)就是利用排樁形成支護結(jié)構(gòu)從而達到支護效果的基坑支護技術(shù)。在實際應(yīng)用環(huán)節(jié)，排樁的樁型并不固定，單體樁可通過多種形式排列，施工人員可按照實際需求設(shè)定排樁方案。旋噴樁、壓漿樁、灌注樁都是常見的樁型；單樁排列可按照咬合排列、交錯排列、分離排列、雙排樁等形式設(shè)計。從現(xiàn)實角度來看，排樁支護技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，需基于“支護樁+防滲帷幕+土層錨桿”打造系統(tǒng)支護結(jié)構(gòu)，以便為深基坑施工提供穩(wěn)定環(huán)境。實踐中，排樁支護施工必須重視單樁連接，只有保證連接可靠性才能發(fā)揮整體支護效果，常用的連接方式是設(shè)置樁頂環(huán)梁。

2.泵站基坑工程項目概述

案例泵站為某市雨水泵站工程，主體屬于單層地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。泵站的占地面積以及設(shè)計規(guī)模分別為3135m和15.8m/s。在案例泵站基坑施工環(huán)節(jié)，需開挖處面積為1352m的圓形基坑，基坑9.25m深?；铀闹苡锌盏?，也有景觀河道以及車道，但無管線。從實際情況來看，泵站主體結(jié)構(gòu)位于地下，這一鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示。

表1 案例泵站結(jié)構(gòu)參數(shù)

施工現(xiàn)場30m深度范圍內(nèi)的土層由人工填土層、淤泥質(zhì)粘土層、粉質(zhì)粘土層組合而成；場地內(nèi)地下水含量豐富，粉土以及砂土層均為含水層，以孔隙潛水作為主要地下水。受到海水和降水影響，地下水位會隨著時間和溫度不斷變化。在本次施工前的地質(zhì)勘探期間，地下水位相對穩(wěn)定，其埋深和標高分別是1.6-2.5m和2.37-3.38m。受水文地質(zhì)條件以及開挖深度影響，本次施工需采用深基坑支護技術(shù)，必須高度重視開挖與支護安全性。

3.泵站基坑開挖與支護技術(shù)要點

案例泵站基坑的水文地質(zhì)條件較為特殊，經(jīng)分析不難發(fā)現(xiàn)土壁穩(wěn)定性相對較弱，所以在基坑開挖及支護環(huán)節(jié)必須選擇穩(wěn)定性、支撐力強的支護形式。從現(xiàn)實角度來看，泵站基坑支護深受環(huán)境因素和主體工程因素影響，無論是水文地質(zhì)條件、施工條件、周邊建筑物還是支護設(shè)計依據(jù)、技術(shù)特性還是工程目標，都會對現(xiàn)場施工產(chǎn)生深刻影響。為此，在本次泵站基坑開挖與支護方案選用環(huán)節(jié)，施工人員必須高度重視方案必選，強調(diào)因地制宜，做好可行性、安全性、適用性、便捷性、高效性、經(jīng)濟性分析。

3.1 方案比選

當前，可選用的泵站基坑施工類型極多。從基坑淺部開挖和支護方面來看，由于施工場地開闊性強、四周較為空曠且地勢平坦，所以極為適合開展放坡開挖。案例工程的基坑開挖深度為9.25m，在放坡開挖深度范圍之內(nèi)，該方法既可以保證開挖支護質(zhì)量又能提升施工便捷性和經(jīng)濟性，所以該方法極為適用。在確定泵站基坑深部支護技術(shù)時，可從現(xiàn)有施工技術(shù)中選用單一技術(shù)或融合技術(shù)。在本次施工中，由于基坑深度較大所以水泥擋土墻技術(shù)并不適用（基坑深度不宜超過7m）；而且，施工現(xiàn)場以淤泥質(zhì)土為主，難以鉆孔成孔所以同樣不適合適用土釘墻支護技術(shù)。相比之下，排樁支護技術(shù)以及地下連續(xù)墻支護技術(shù)與現(xiàn)場施工條件較為相符，但后者造價過高所以同樣不適用。從現(xiàn)實角度來看，排樁支護綜合性價比最高，所以施工階段可采用此方法作業(yè)。經(jīng)過方案比選后擬定的泵站基坑開挖與支護方案如下：（1）淺部地層采用放坡開挖方式開挖支護；（2）深部地層采用排樁支護技術(shù)施工。此外，為解決施工現(xiàn)場地下水位高的問題，施工過程中基于降水井進行降水。

3.2 基坑開挖

正如前文所言，案例泵站基坑所在地的施工條件極為適合放坡開挖，所以施工人員應(yīng)先制定施工順序和標準而后有序開挖。為保證施工安全性，可先進行試開挖，基于這一操作可統(tǒng)計開挖速度，并對邊坡留置加以分析。實際作業(yè)環(huán)節(jié)，施工人員必須踐行分段分層開挖支護原則，嚴格執(zhí)行“邊挖邊支”規(guī)定。放坡開挖時，可采用島式開挖方法作業(yè)，可按照先撐后挖順序施工，而且開挖后應(yīng)及時回填。土方開挖階段，需確定各步驟的土方開挖深度以及開挖總量：（1）原土4.1m-大沽高程2.7m部分的整體卸土方量以及卸土深度為4389m、1.4m；（2）下部土方開挖以及減載環(huán)節(jié)共需挖出16160m3土方，按9.25m的深度開挖。施工過程中，所有開挖土方都需運送至臨時搭建的棄土場?；觾?nèi)土方開挖時，需按照順序開挖。本次施工的基坑內(nèi)土方開挖共分為五個步驟，自大沽4.1m開始施工，而后各階段的施工節(jié)點分別為大沽2.7m、大沽0.7m、大沽-1.55m、大沽-3.3m、大沽-6.55m。

3.3 基坑支護

本次施工選擇以排樁支護方式實現(xiàn)深基坑支護，在實際作業(yè)環(huán)節(jié)將基于排樁構(gòu)建復(fù)合支護體系。施工人員可利用工字鋼擋墻以及環(huán)梁與管樁合用，從而打造出極具穩(wěn)定性的基坑支護體系。為此，本次排樁支護的樁型主要分為管樁和工字鋼樁，為保證單樁有效連接將設(shè)置鋼筋混凝土環(huán)梁。實踐中，選用底面寬144mm、筋厚1 2.5 m m、每米理論重量為73.878kg的40B工字鋼樁，其有效長度以及布設(shè)范圍分別為12m和4.25m（地下）。施工中，管樁與工字鋼樁相鄰，前者在后者內(nèi)側(cè)，其有效長度以及樁頂深度分別為14m和5.9m（地下）。為提高內(nèi)支撐效用，混凝土環(huán)梁位于管樁和工字鋼樁頂部。需要注意的是，本次深基坑支護環(huán)節(jié)的降水井位于基坑內(nèi)部，以無砂大口管井形式存在，井徑、管徑以及深度分別為700mm、400mm、12m。

為保證泵站基坑支護可靠性，施工人員需要在施工前做好水土荷載計算，并依托于彈性地基梁法、剛性支承連續(xù)梁法、空間彈性地基梁方法、力學(xué)簡化方法以及增量計算法實現(xiàn)支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。通過合理計算支護體系整體穩(wěn)定性、工字鋼樁與管樁受力情況、環(huán)梁受力情況確保施工方案的可行性。為保證技術(shù)方案可靠性，施工人員還可以基于FLAC3D模擬基坑施工從而觀察支護效果，為方案調(diào)整以及實踐工作提供指導(dǎo)。在實際作業(yè)環(huán)節(jié)，當基坑開挖深度達到2.25m時，可采用自中心向出口的退挖方式作業(yè)；而后應(yīng)按照一順一丁方式布設(shè)鋼板樁，降水井施工應(yīng)與土方開挖穿插進行。需要注意的是，放坡開挖以及鋼板樁施工后的內(nèi)卸土形狀應(yīng)分別為島型和環(huán)狀溝；挖土底面為-3.3m時可進行墊層施工以及混凝土環(huán)梁施工。為避免發(fā)生機械應(yīng)用引發(fā)的管樁損壞，在清樁（頂部20cm）時刻采用人工方式作業(yè)。

4.結(jié)束語

綜上所述，泵站基坑工程本身具有復(fù)雜性和綜合性特點，施工難度大、影響因素多且質(zhì)量安全標準高，一旦出現(xiàn)技術(shù)方案不合理問題就容易引發(fā)事故。對于泵站基坑施工人員來說，明確基坑周邊環(huán)境以及質(zhì)量安全因素，從實際出發(fā)選用適宜的深基坑支護技術(shù)，并基于規(guī)范施工與嚴格質(zhì)控保障技術(shù)有效應(yīng)用至關(guān)重要。