珠海南門涌水閘基礎開挖及處理施工技術

龍 勝

(葛洲壩集團第二工程有限公司,成都,610091)

1 工程概述

珠海南門涌水閘,位于斗門西堤河涌——南門涌出海口,水閘中心樁號CK25+884m。該閘排水孔為平底胸墻式敞式輕型結構,通航孔為平底開敞式結構,設計流量456.0m3/s,閘孔數為6孔,孔口凈寬為10.0m,具有防洪擋潮、排澇排山洪兼有引水、通航功能(通航孔為Ⅷ級)。

基礎開挖及處理工程作為南門涌閘的一個分部工程,主要施工項目有:水閘基坑開挖與中粗砂回填、粉噴樁施工及樁基區域粘性土換填、塑料排水板施工等。

南門涌閘堤段堤內原始地面高程為-1.80m～1.50m,溝渠底高程一般為 -1.50m～-1.80m,堤外為虎跳門水道。

閘址區地層自上至下為:①淤泥(Q4m),深灰色,局部含少量粉砂及貝殼,厚(3.20～3.35)m～14.70m左右,底板高程-4.35m～-4.20m;②淤泥質粘土(Q4m),深灰色,局部含少量粉砂及貝殼,厚12.60m～14.70m,底板高程-14.3m～-11.10m;③殘積土(Qedl),黃褐色、深灰色、墨綠色,硬塑狀,厚度大于3.50m左右,頂板高程-14.30m～ -11.10m;④強弱風化花崗巖(γ),厚度很厚。

閘址區淤泥、淤泥質粉質粘土抗剪強度低,具有高壓縮性,允許承載力低,因此存在沉降變形、抗滑穩定等問題。

基礎開挖及處理工程項目的施工程序見圖1。

圖1 地基開挖及基礎處理工程項目施工程序

2 地基開挖施工

南門涌閘需進行開挖的施工項目有水閘基坑開挖、老堤拆除和新建堤基開挖。各開挖工作均在地形復測后進行。開挖分為水上開挖和水下開挖。其中涵閘水上部分開挖、舊堤拆除等為水上開挖,新建堤基礎面清理、圍堰形成前水閘處淤泥清理開挖為水下開挖。

2.1 水上開挖施工

水上開挖采用常規的旱地施工方法。施工原則為“自上而下,分層開挖”。水上開挖包括舊堤拆除、水上邊坡開挖及基坑開挖。

2.1.1 舊堤拆除。舊堤拆除在圍堰保護下干地施工。為保證老堤基礎的穩定性和周邊環境的安全性,舊堤拆除不采用爆破方式。干、砌塊石部分采用挖掘機直接挖除,開挖渣料可利用部分裝運至外海進行拋石填筑或用于石渣填筑,其余棄料裝運至監理指定的棄渣場。

2.1.2 水上邊坡開挖。開挖方式采取旱地施工,挖掘機挖除;水上開挖由高到低依次進行,均衡下降。待圍堰形成和水上部分卸載開挖工作全部結束后,方可進行基坑抽水工作,以確保基坑的安全穩定。開挖料可利用部分用于堤身和內外平臺填筑,其余棄料運至指定棄料場。

2.1.3 基坑開挖與支護。基坑開挖在圍堰施工和邊坡卸載完畢后進行,開挖前首先進行開挖控制線和控制高程點的測量放樣等。開挖過程中要做好排水設施的施工,主要有:開挖邊線附近設置臨時截水溝,開挖區內設干碼石排水溝,干碼石采用挖掘機壓入作為腳槽。另設混凝土護壁集水井,配水泵抽排,以降低基坑水位。

基坑開挖采用自上而下逐級分層卸載施工,并依據設計圖紙控制好開挖邊坡坡度。開挖設備采用3～6臺0.5m3～1.0m3挖掘機進行倒運遞渣。由于地基為軟基,故采用墊3cm厚鋼板,以保證挖掘機的安全穩定。小功率推土機配合集料,5t自卸汽車運輸。挖掘機開挖時預留20cm保護層,人工進行清除,以保證與設計開挖線相吻合。開挖料在附近場地就近集中堆放,或根據監理工程師的指示及施工進展情況進行堤內、外平臺的填筑。

基坑開挖應邊開挖邊驗收,涵閘各結構部位的基礎完成開挖后立即向監理工程師報驗,并申請下道工序(中粗砂置換)開工。這樣既可避免已開挖合格的基礎因水泡而軟化成流塑土體,也可避免淤泥重新淤填開挖面,確保工序間銜接緊湊、形成流水作業。

2.2 水下開挖施工

水下開挖施工主要為南門涌閘基坑水下流溯狀淤泥開挖。

2.2.1 水下開挖施工方法

2.2.1.1 施工準備。水下開挖施工準備工作主要有:棄渣場的選擇、機械設備的選型等。

2.2.1.2 測量放樣。水下開挖的測量放樣擬采用全站儀進行水上測量,主要測定開挖范圍。淺灘可采用打設竹桿作為標記,水較深的地方用浮子作標記;為避免開挖時毀壞測量標志,標志可設在開挖線外10m處。

2.2.1.3 架設吹送管、絞吸船就位。根據絞吸船的吹距(最大可達1000m)和棄渣場的位置,吹送管可架設在陸上,也可架設在水上或淤泥上。

陸上管線宜選擇最短的線路,并避免與其他建筑物、設備、道路等交叉。管線兩旁采用鋼釬加固,并在沿線每隔5m設置一處加固點。水上管線根據水流、風向和風浪情況布設,盡量順直,避免急彎,每隔一定距離下設浮筒作為支撐體;水上管線不宜太長,在風浪、水流速較大的地段宜在300m～500m之間。夜間施工時,管線上安裝警燈標示。

吹送管架設好后,絞吸船即可就位,并與吹送管對接。

2.2.1.4 絞吸吹送施工。絞吸船停靠就位、吹送管架設牢固后,即可開始進行絞吸開挖。

2.2.2 涵閘基坑水下開挖

2.2.2.1 涵閘水下基坑描述。涵閘前后河道由于長期雙向過流,其表層主要為流塑狀淤泥,對后期干地開挖有較大影響,因此須先采用水下開挖方式清除掉表層淤泥。

2.2.2.2 施工測量。施工前,對涵閘現狀地形實施詳細的測量,繪制原始地形圖,標注出各部位的開挖厚度。一般采用50m2為分隔片,并在現場布置相應的標識指導施工。

2.2.2.3 施工方法。在圍堰施工前,絞吸船進入開挖區域,根據測量標識開始作業。由于流塑狀淤泥內摩擦角和粘聚力極小,過陡的開挖邊坡和較大的施工擾動均會引起流塑狀的淤泥整體滑動,因此不僅要控制開挖速度而且必須按照設計的坡比分層、分臺階開挖。

開挖順序為:拋石防沖槽基礎、海漫基礎、消力池基礎、閘室基礎。開挖過程中應加強過程控制,經常檢查開挖面高程和開挖邊線是否符合設計要求,以免超、欠挖。

2.3 基坑開挖邊坡穩定分析與控制

2.3.1 邊坡描述

根據本工程水文、地質條件,水閘基礎基本為淤泥土構成,基坑邊坡土體含水量大,基本為淤泥,基坑開挖及施工過程中,容易出現邊坡失穩,造成整體邊坡下滑的現象。因此如何保證基坑邊坡的穩定是本開挖施工重點。

2.3.2 應對措施

2.3.2.1 采取合理的開挖方法。根據工程特點,對于基坑先采用水下和岸邊干地開挖,以減少基坑抽水后對邊坡下部的壓載,上部荷載過大使邊坡土體失穩而出現垮塌和深層滑移。

2.3.2.2 嚴格控制基坑抽排水速度。基坑水下部分土體長期經海水浸泡,含水量大,地質條件差,基坑排水下降速度大于邊坡土體固結速度,在沒有水壓力平衡下極易造成整體邊坡失穩。因此在基坑抽排水過程中,嚴格控制其降水速度。基坑抽排水速度控制在30cm/d～50cm/d。

2.3.2.3 對已開挖邊坡的保護。在基坑開挖完成后,沿坡腳形成排水溝組織排水,并設置小型集水井,及時排除基坑內的水。在雨季,對邊坡覆蓋條紋布加以保護,必要時設置抗滑松木樁。

2.3.2.4 變形監測。按規范要求,在邊坡開挖過程中,在坡頂、坡腳設置觀測點,對邊坡進行變形觀測,測量儀器采用全站儀和水準儀。觀測期間,對每一次的測量數據進行分析,若發現位移或沉降有異常變化,立即報告并停止施工,待分析處理后再恢復施工。

2.4 開挖質量控制

2.4.1 開挖前進行施工測量放樣工作,以此控制開挖范圍與深度,并做好過程中的檢查;

2.4.2 開挖過程中安排有測量人員在現場觀測,避免出現超、欠挖現象;

2.4.3 開挖自上而下分層分段施工,隨時做成一定的坡勢,避免挖區積水;

2.4.4 水下開挖時,隨時進行水下測量,以保證基坑開挖深度;

2.4.5 水閘基坑開挖完成后,沿坡腳打入木樁并堆砂包護面,維持出露邊坡的穩定;

2.4.6 開挖完成后對基底高程進行實測,并上報監理工程師審批,以利于下道工序迅速開展。

3 基礎工程施工

本水閘工程基礎處理項目為:水泥粉噴樁施工、塑料排水板插打、粘性土換填等。水泥粉噴樁主要分布在水閘底板下部,用于水閘基礎處理;塑料排水板用于堤身單薄、堤身填土較厚的堤段和涵閘內外消力池及翼墻側土方回填基礎處,有利于基礎深層水的排出和基礎土層的固結;粘性土換填主要分布在水閘底板下部,水泥粉噴樁頂部的區域。

3.1 水泥粉噴樁施工

水泥粉噴樁是水閘基礎成為復合地基的主體項目,待水閘基礎初步開挖至設計標高,回填中粗砂形成樁機施工平臺后,再開始粉噴樁施工。

3.1.1 技術要求

樁徑φ500mm,水泥采用32.5R旋窯水泥,現根據業主、設計、監理及施工單位四方確認,采用32.5R普通硅酸鹽水泥。28天樁體無側限抗壓強度不小于1.0MPa。28天、14天、7天的水泥土拉壓強度控制如下:

fcu90=(1.43～1.80)fcu28

fcu90=(1.73～2.82)fcu14

fcu90=(2.37～3.73)fcu7

式中,fcu90、fcu28、fcu14、fcu7 分別為 90、28、14、7天齡期的水泥土抗壓強度。

樁體水泥含量均勻,由抽芯取樣確定其均勻性,樁體上部噴粉量不得小于下部噴粉量。

3.1.2 粉噴樁施工工藝

3.1.2.1 施工順序。場地及中粗砂平整→測量放樣→鉆機定位→鉆桿下沉鉆進→上提噴粉強制攪拌→復拌→提桿出孔→鉆機移位。

3.1.2.2 攪拌工藝。攪拌工藝為二噴四攪+1/3樁長復攪,即:預攪下沉→噴粉攪拌提升→重復攪拌下沉→重復噴粉攪拌提升→重復攪拌下沉至1/3樁長→重復攪拌提升至孔口。最后一次提升攪拌宜采用慢速提升。具體施工工藝通過試驗樁確定。

3.1.2.3 各工序施工要點

①場地及中粗砂平整。清除地下、地上障礙物,特別是塊石、樹根,以免鉆機無法鉆進,場地平整后即進行鉆機施工平臺中粗砂的填筑和整平,高程應高于樁頂高程30cm～50cm,以保證樁頂噴粉時不外噴。

②測量放樣。準確樁機施工平臺高程,以確保設計樁長,孔位要準確,已放樣的孔位用小木樁標識,因施工破壞的樁位標識要及時補測。

③鉆機就位、對中、調垂、攪拌頭中心對正孔位標識、調整鉆機機盤水平,最后調整鉆桿垂直度。

④預攪。啟動鉆機,待攪拌頭轉速正常,接近地面時開始送氣鉆進,至樁底滯時2min～5min,以保證噴粉到達樁底;孔深在鉆桿上做標識確定。

⑤噴粉攪拌提升。單位時間噴粉量、提升、攪拌速度由試樁提供的參數確定。

⑥1/3樁長復打。當重復攪拌下沉,提升噴粉、攪拌后,再下沉至復打部位,慢速攪拌提升至孔口。

⑦有防滲要求的咬合樁體,相鄰二樁施工間隔時間應不大于24h,若間隔時間過長應補樁,相鄰二樁重疊厚度應滿足設計要求。

3.2 攪拌樁樁頭開挖、粘性土換填及反濾層施工

攪拌樁施工完畢一定時間后,粉噴樁整體強度通過抽芯檢測達到設計要求后,進行攪拌樁樁間土開挖。開挖深度為設計樁頂高程下降50cm,而后將上部50cm長度的樁頭鑿除,再進行粘性土換填施工。

粘性土換填采用分層人工攤鋪、人工配合蛙式夯機夯實的填筑方法,分層填筑厚度不宜大于20cm,粘性土的干密度不小于1.5t/m3,壓實度不小于0.92。

消力池底板下部反濾層施工。施工前應做好場地的排水、設好樣樁、備足反濾料,不同粒徑的碎石的級配需滿足設計要求;施工時要保證由底部向上按設計要求逐層鋪設,層次清楚,互不混雜。反濾層鋪設完畢后,及時進行上部混凝土底板的澆筑施工。

3.3 塑料排水板施工

塑料排水板插打分布在內港消力池擋土墻與內港翼墻側、外海消力池擋土墻與外海翼墻內側、引堤連接段、閘管所區域以及堤內平臺的局部區域等。塑料排水板在基礎面挖、填至設計標高填筑砂墊層后開始施工。

3.3.1 技術要求

3.3.1.1 塑料排水板型號采用100mm×4.0mm(寬×厚),芯板應具有足夠的抗拉強度和垂直排水能力,其抗拉強度不應小于130N/cm。當周圍土體壓力在 15m深度范圍內不大于250kN/m2或在大于15m深度范圍內不大于350kN/m2的條件下,其排水能力應不低于30cm3/m。

3.3.1.2 芯板應具有耐腐性和足夠的柔性,保證塑料板在地下的耐久性,并在土體固結變形時不會折斷或破裂。

3.3.1.3 濾套一般由無紡織物制成,應具有一定的隔離土顆粒和滲透功能,應等效于0.025mm孔隙,其最小自由透水表面積宜為1500cm2/m,滲透系數不應小于5×10-3cm/s。

3.3.1.4 塑料排水板的主要施工機具為插板機,國內目前有挖掘機改裝的插板機、履帶式插板機及門式軌道插板機等一些種類,性能不一,具體選擇應根據工程實際情況,從機械的結構特點、工效、適用度等方面通過試驗來確定。

3.3.2 塑料排水板插打工藝

3.3.2.1 施工工藝流程。平整場地、挖排水溝→鋪設下層砂墊層穩壓→測量定孔位→機具就位→排水板穿靴→插入套管→拔出套管→割斷排水板→檢查施工記錄等情況→機具移位→攤鋪上層砂墊層。

3.3.2.2 關鍵工序控制。①塑料排水板施工前,對場地進行清表、整平和初步碾壓,做好土拱坡,鋪設好砂墊層,根據地形要挖好排水溝,以利排水;②放樣時根據設計情況準確定位,并在每個孔位都插好標記(所用的標記通常有石灰、油布、細條塑料板芯等),做到明顯且不宜被損壞為宜;③定位要準確;④將塑料排水板端部穿過預制靴頭固定架,對折帶子長約10cm,固定聯結。一般預制靴頭可采用鐵質或混凝土靴頭。將靴頭套在空心套管端部,固定塑料排水板,并使其在下沉過程中能阻止泥砂進入套管。

3.3.3 施工質量控制

3.3.3.1 塑料排水板進場時應有出廠合格證,進場后應抽樣送檢,以保證合格材料用于施工。

3.3.3.2 板盤進場堆放應覆蓋,防止污染和在空氣中老化。

3.3.3.3 插打過程中導軌應垂直,套管不得彎曲,透水濾套不得污染和撕破,跟帶長度不得超過40cm,否則報廢重插。

3.3.3.4 排水板留出孔口長度30cm,以使其與砂墊層貫通排水,并防止預留長度受損。

3.3.3.5 及時鋪攤上層砂墊層,以防長時間暴露使板體老化。

3.3.4 質量檢測

塑料排水板一旦施工結束,除板體本身和板距較易檢測外,其它項目檢測較困難,因此施工過程的質量控制十分重要。

3.3.5 施工布置

因采用履帶式插板機,對施工道路要求不嚴格,水閘施工水、電已通,施工用水、電只須接至施工點即可。

3.3.6 施工進度計劃

南門涌閘塑料排水板的工程量為32250m,按照插板機工作強度2000m/d計算,結合南門涌閘施工場地情況,南門涌閘區域考慮布置1臺插板機施工,即可滿足強度要求。

4 結語

在沿海地區河涌段軟質土的特殊地質條件上修建擋水建筑物,施工方法和施工工藝的確定尤為重要,否則將造成施工難度增大、嚴重影響工期。本文所闡述的開挖施工中采用水下開挖施工法施工簡單,可比常規陸上開挖施工大大節約施工周期。對于閘址基礎采用粉噴樁施工,不失為軟基處理中很好的一種施工方法,雖然比建筑中預制管樁施工節約了投資,但在實際施工中施工質量較難控制,同時施工周期和成樁凝期時間較長。所以,很好地控制粉噴樁施工質量及施工工藝和合理調配設備資源,是工期目標實現的關鍵。