水下大面積基坑快速開挖施工方法——北引渠首工程中應(yīng)用實(shí)例

楊甫權(quán)，白廣明

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱150080)

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

北部引嫩渠首工程是尼爾基引嫩擴(kuò)建骨干一期工程重要組成部分，位于訥河市拉哈鎮(zhèn)西北約5 km，尼爾基水利樞紐壩址下游28 km的嫩江干流，為有壩渠首，是黑龍江省引嫩擴(kuò)建骨干一期工程中的重點(diǎn)工程。渠首樞紐由土壩、總干進(jìn)水閘、船閘(預(yù)留位置)、泄洪閘、溢流壩、固灘和堤防等工程組成。北引渠首屬大(1)型工程、Ⅰ等工程，主要建筑物泄洪閘為1級(jí)，土壩、溢流壩和總干進(jìn)水閘級(jí)別為2級(jí)，固灘工程為3級(jí)，渠首樞紐工程設(shè)計(jì)洪水為50 a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇。泄洪閘正常運(yùn)用水位176.20 m，設(shè)計(jì)洪水位179.04 m，校 核 洪 水 位 179.73 m，設(shè) 計(jì) 洪 水 流 量 為4 629 m3/s，校核洪水流量為5 156 m3/s。

1.2 工程構(gòu)成及其地理位置

泄洪閘位于嫩江主河床樞紐軸線樁號(hào)2+473.5～2+ 697處，為平底板開敞式閘，共12孔，每孔凈寬16 m，總凈寬192 m，泄洪閘縱軸線與水流方向一致以保證泄流平順，堰型采用寬頂堰，閘底板與河底高程一致，高程為169.0 m。泄洪閘主要由進(jìn)口段、閘室段、消力池段、海漫段組成。

閘室結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土“U”槽型式，閘室上下游底板設(shè)置齒槽，分縫設(shè)在閘墩上，止水采用銅片止水。閘墩及擋土墻設(shè)置排水孔以降低墻后水位。閘室段長(zhǎng)22.5 m，底板厚2.0 m，中墩寬2.5 m，為縫墩，邊墩頂寬2.0 m，底寬3.5 m，墩頂高程181.80 m;工作門為16.00 m×7.20 m弧形鋼閘門，液壓式啟閉機(jī)，檢修門為平板鋼閘門，門式啟閉機(jī)，墩頂設(shè)7.0 m寬交通橋。

1.3 主要工程量

本工程的主要工程量為:土方開挖283.3萬m3，土方填筑80.32萬m3，砂礫石填筑2.04萬m3，鋼筋制安3 310 t，混凝土11.27萬m3，鉛絲石籠8.83萬m3，無紡布5.92萬m2，土工布13.91萬m2，工作閘門及埋件810 t，檢修閘門及埋件212.5 t。

其中基坑水下砂礫料開挖工程量約為26萬m3，其中主江道抽砂船開挖18萬m3，兩側(cè)挖掘機(jī)開挖區(qū)域8萬m3。

2 工程自然條件

2.1 水文氣象資料

工程所在區(qū)多年平均氣溫1～4℃，自10月下旬—來年4月上旬氣溫低于0℃，區(qū)內(nèi)極端最低氣溫為－42～－37℃，極端最高氣溫為36.3～39℃，＞10℃積溫分布與年平均氣溫的分布一致，積溫在2 600～2 850℃。年總輻射量110 kK/cm2～120 kK/cm2，由西南向東北逐漸減少。

洪水發(fā)生情況見表1:

表1 不同時(shí)段不同頻率洪水成果表 m3/s

2.2 工程地質(zhì)

泄洪閘位于嫩江江道中，江底高程164.27～170.47 m，地層為第四系全新統(tǒng)沖積層(alQ4)及中更新統(tǒng)沖積、湖積層(al +lQ2)。其巖性主要為級(jí)配良好細(xì)礫、高液限黏土、級(jí)配良好粗砂、級(jí)配良好粗礫等。

區(qū)內(nèi)地下水為第四系松散層孔隙水，分為上、下兩層，上層為第四系全新統(tǒng)松散層孔隙潛水，含水層由級(jí)配良好細(xì)礫等組成，其富水性良好，極強(qiáng)透水性;下層為第四系中更新統(tǒng)孔隙承壓水，含水層由級(jí)配良好粗砂、級(jí)配良好粗、細(xì)礫等組成。頂面埋深15.80～20.00 m。其富水性及透水性均較強(qiáng)。其巖性根據(jù)鉆孔揭露自上而下為:③級(jí)配良好細(xì)礫(黃色，飽和，中密)連續(xù)分布于全區(qū)，層厚3.90～6.20 m，層頂面高程168.45～170.55 m，位于水下。④高液限黏土(黃褐色，稍濕，硬塑)連續(xù)分布于全區(qū)，層厚2.00～6.50 m，層頂面高程163.85～164.95 m。④－1級(jí)配良好粗砂(黃色，飽和，中密)呈透鏡體狀分布于④層中，層頂面高程162.07～164.26 m，最大厚度2.50。⑧級(jí)配良好細(xì)礫(黃色，飽和，中密)連續(xù)分布于全區(qū)，層厚15.80～20.00 m，頂面高程158.45～161.07 m。⑧－1級(jí)配良好粗砂(黃色，飽和，中密)層厚2.00 m，層頂面高程143.45～143.46 m。

圖1 基坑地址勘探斷面圖

3 基坑開挖的特點(diǎn)分析及對(duì)策

3.1 工程特點(diǎn)分析

1)區(qū)內(nèi)地下水為第四系松散層孔隙水，分為上、下兩層，上層為第四系全新統(tǒng)松散層孔隙潛水，含水層由級(jí)配良好細(xì)礫組成，其富水性良好，極強(qiáng)透水性;下層為第四系中更新統(tǒng)孔隙承壓水，含水層由級(jí)配不良細(xì)礫組成，承壓水頭高8.60～11.40 m，頂板埋深12.80～13.40 m。如采取常規(guī)的排水開挖，下層承壓水將頂穿相對(duì)不透水層，而擾動(dòng)閘基礎(chǔ)，故泄洪閘基礎(chǔ)開挖須在水下進(jìn)行。

2)圍堰內(nèi)基坑土方開挖總量為26萬m3，水下級(jí)配細(xì)礫開挖工程量較大，消力池部位最深開挖底高程為163.50 m，如江水位為175.50 m，則基坑內(nèi)水下最深達(dá)12 m，當(dāng)水深超過8 m時(shí)，抽砂船開挖的效率極底。

3)在169.01～172.18 m高程以下有4.95～9.80 m厚連續(xù)分布、中密的級(jí)配良好細(xì)礫，比較密實(shí)，需提前翻松后才能用抽砂船開挖，水下開挖難度大。

4)在兩岸存在大量?jī)鐾?，并進(jìn)行原碼頭及護(hù)岸拆除。

3.2 采取相應(yīng)的對(duì)策

對(duì)于主體基坑土方開挖工程的施工，采取挖掘機(jī)及挖泥船聯(lián)合施工作業(yè)的方式，中間部位先用長(zhǎng)臂挖對(duì)中密的鐵板砂進(jìn)行翻松，再用挖泥船進(jìn)行開挖，岸邊位置采用單勾、反鏟及長(zhǎng)臂挖掘機(jī)進(jìn)行開挖。

4 主要施工方案

4.1 基礎(chǔ)開挖

4月30日前枯水期嫩江水位在174.00 m左右，基坑挖深在江水面以下為10.5 m，汛期在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)挖深為12.02 m，汛前期為10.21 m，所以在不同的嫩江當(dāng)時(shí)水位的水下開挖亦是影響工程進(jìn)程的關(guān)鍵。在江底169.01～172.18 m頂高程有4.95～9.80 m厚連續(xù)分布、中密的級(jí)配良好細(xì)礫，對(duì)這層已經(jīng)板結(jié)的密實(shí)的礫石層，不僅堅(jiān)硬而且水下開挖深度大，所以其開挖難度較大。

4.2 基礎(chǔ)開挖布置

岸邊的水上、水下土方開挖采用挖掘機(jī)進(jìn)行開挖，首先修筑臨時(shí)便道，由挖掘機(jī)分多個(gè)施工作業(yè)面同時(shí)進(jìn)行開挖，水下開挖料經(jīng)岸邊瀝水后，再用挖掘機(jī)裝自卸汽車外運(yùn)到監(jiān)理工程師或建設(shè)單位指定棄渣場(chǎng)。開挖時(shí)一次開挖不到設(shè)計(jì)深度時(shí)，采用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)開挖，最后用挖砂船挖至設(shè)計(jì)底高程，邊坡按水下自然穩(wěn)定為止，一般在1∶3～1∶4，盡最大限度地減少用挖泥船進(jìn)行水下開挖的工程量。

泄洪閘基礎(chǔ)水下砂礫開挖根據(jù)設(shè)計(jì)單位給定的地質(zhì)資料，開挖地層砂礫由級(jí)配良好的細(xì)礫組成，為黃色、飽和、中密連續(xù)分布堅(jiān)硬板結(jié)地層，如直接采用挖泥船或采砂船進(jìn)行開挖效率極低。采取先用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)對(duì)該開挖層進(jìn)行翻松后，再用挖泥船及采砂船進(jìn)行開挖的施工方案。

基坑內(nèi)砂礫料開挖隨著開挖區(qū)域內(nèi)的水深不同，采用不同的施工方法:岸邊挖掘機(jī)可作業(yè)的部位水深在3.0 m之內(nèi)的采用普通挖掘機(jī)進(jìn)行開挖，水深在3.0～5.0 m采用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)進(jìn)行開挖;挖掘機(jī)進(jìn)不去及水深超過5.0 m的區(qū)域采用挖砂船及挖泥船進(jìn)行開挖。

消力池段為開挖工程量最大，約13.2萬m3，其中江道抽砂船開挖方量約為5.9萬m3，挖掘機(jī)開挖方量約為7.3萬m3，同時(shí)消力池區(qū)域也是開挖最深的部位。消力池開挖分為3個(gè)開挖區(qū)域，即消力池一區(qū)，二區(qū)，三區(qū)。消力池軸線右側(cè)(Ⅰ區(qū))開挖底高程為163.5 m，軸線左側(cè)(Ⅱ區(qū))開挖底高程為164.5 m、靠近左岸(Ⅲ區(qū))開挖底高程為165.5 m。

閘室段基礎(chǔ)開挖寬度為22.5 m，長(zhǎng)度為228.65 m，基礎(chǔ)開挖底高程為軸線右側(cè)166.0 m，軸線左側(cè)166.50 m，開挖工程量約為7.8萬m3，其中主江道抽砂船開挖2.78萬m3，挖掘機(jī)開挖區(qū)域5.02萬m3。閘室開挖分為二個(gè)開挖區(qū)域，即閘室一區(qū)，二區(qū)。閘室軸線右側(cè)(Ⅰ區(qū))開挖底高程為166.00 m，軸線左側(cè)(Ⅱ區(qū))開挖底高程為166.50 m。

圖2 挖掘機(jī)岸邊開挖作業(yè)圖

圖3 消力池基礎(chǔ)開挖分區(qū)圖

圖4 閘室段基礎(chǔ)開挖平面圖

4.3 級(jí)配良好密實(shí)細(xì)礫層水下翻松方法

初步設(shè)計(jì)擬采用自制浮船，浮船上用18 m長(zhǎng)臂挖掘機(jī)對(duì)水下鐵板砂進(jìn)行翻松。其施工方法是在開挖區(qū)的兩岸平行于泄洪閘軸線對(duì)稱設(shè)錨固鋼絲繩的錨具，通過兩岸連接的一對(duì)鋼絲繩來穩(wěn)定浮船，長(zhǎng)臂挖掘機(jī)在浮船上進(jìn)行水上開挖作業(yè)。固定于浮船上的0.5 m3長(zhǎng)臂反鏟挖掘機(jī)，根據(jù)開挖區(qū)域可在水上對(duì)水下用采砂船開挖不了的級(jí)配良好細(xì)礫實(shí)施翻松作業(yè)。

后來由于施工工期較緊(主要考慮今年尼爾基水庫放流相對(duì)不大)，如果焊制200 t雙筒浮船需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，又經(jīng)過經(jīng)濟(jì)比較，考慮施工現(xiàn)場(chǎng)嫩江渡橋有200t拖船，經(jīng)協(xié)商后，租用其渡口的200t拖船代替自制浮船。

圖5 200 t雙筒浮船結(jié)構(gòu)圖

在開挖區(qū)的拖船上同時(shí)用2臺(tái)長(zhǎng)臂挖掘機(jī)，其中一臺(tái)長(zhǎng)臂挖掘機(jī)將其抓斗錨固與水下堅(jiān)硬的砂礫料中，另外一臺(tái)長(zhǎng)臂挖掘機(jī)開始開挖施工作業(yè)。固定于浮船上的0.5 m3長(zhǎng)臂反鏟挖掘機(jī)，根據(jù)開挖區(qū)域可在水上對(duì)水下用采砂船開挖不了的級(jí)配良好細(xì)礫實(shí)施翻松作業(yè)。

4.4 基坑水下土方開挖方法

江底經(jīng)過翻松后的區(qū)域再采用50 m3/h抽砂船施工開挖方案。當(dāng)開挖水深超過8.0 m施工困難時(shí)，主要采取兩種方法解決:①對(duì)抽砂船進(jìn)行配重，降低抽砂船的吸程;②加快截滲工程施工進(jìn)度，提前進(jìn)行基坑內(nèi)抽水，降低基坑內(nèi)的開挖作業(yè)水面。保證泄洪閘水下開挖的幾何尺寸及高程，是泄洪閘水下開挖的關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)之一。開挖前先進(jìn)行開挖試驗(yàn)，確定開挖船的布點(diǎn)、開挖方向。挖砂船開挖出的砂礫料，直接輸送到岸上，再用推土機(jī)集堆淋水，然后用裝載機(jī)裝自卸車運(yùn)送到圍堰外的建設(shè)單位指定的臨時(shí)棄渣場(chǎng)，用推土機(jī)將渣料集堆。可用于混凝土骨料的開挖料，通過在岸篩分后，將成品骨料運(yùn)至混凝土攪拌站的骨料場(chǎng)。

采用挖沙船進(jìn)行基坑開挖施工示意圖見圖6。

圖6 挖沙船開挖作業(yè)施工平面布置圖

水下開挖出的土方的臨時(shí)堆料場(chǎng)設(shè)置在下游圍堰與大江右岸的沙坑(可以臨時(shí)堆放10萬m3)和下游圍堰與導(dǎo)流明渠之間的沙坑內(nèi)(可臨時(shí)堆放2萬m3);待瀝水后由挖掘機(jī)裝自卸翻斗車運(yùn)至指定棄渣場(chǎng)。

在土方施工中，經(jīng)常測(cè)量、校正平面位置、標(biāo)高、邊坡。待水下土方開挖完成后，用工作船統(tǒng)一進(jìn)行基坑高程驗(yàn)收，對(duì)不平整的部位，用鏈斗式挖泥船進(jìn)行掃平。經(jīng)自檢合格后報(bào)監(jiān)理單位進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后進(jìn)行封底混凝土澆筑。

4.5 凍土開挖

每施工段均需要配備1～2臺(tái)帶松土器的挖掘機(jī)，先翻松挖除上層凍土，然后采用反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行水下土方開挖。

基坑的岸上部分已經(jīng)發(fā)生凍結(jié)，加之尼爾基水庫冬季為國家東北電網(wǎng)調(diào)峰發(fā)電放水，導(dǎo)致工程區(qū)域江段的水位變化每天在1.0m左右，增加了凍土開挖量。為了加快施工進(jìn)度需要進(jìn)行凍土開挖，采用帶松土器的單鉤液壓挖掘機(jī)首先對(duì)上部?jī)鰧舆M(jìn)行翻松挖除，后面緊跟反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行水下砂礫料開挖，最后采用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)及抽砂船進(jìn)行開挖到位。

4.6 岸邊護(hù)岸及碼頭拆除

在開挖區(qū)域在江道岸邊有混凝土碼頭及多年累積施工的固床拋石護(hù)岸3 106.45 m3，鋼筋混凝土碼頭33.6 m3，素混凝土面57.8 m3，在進(jìn)行岸邊開挖之前需進(jìn)行拆除。水下部分凍土及混凝土采用液壓沖擊鎬先破碎，其余部分用液壓?jiǎn)毋^鉤松，再用反鏟挖掘機(jī)挖除，對(duì)3.0 m以下普通鉤機(jī)挖不到的部位采用索鏟及長(zhǎng)臂挖掘機(jī)進(jìn)行護(hù)岸塊石的拆除。拆除的碴料經(jīng)岸邊瀝水后，用挖掘機(jī)裝自卸翻斗車運(yùn)至指定棄渣場(chǎng)。

4.7 水下開挖平整度控制措施

在北引渠首泄洪閘工程施工過程中，我們利用實(shí)時(shí)差分GPS、測(cè)深儀和計(jì)算機(jī)建立一套監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水下開挖施工的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可防止超挖、欠挖。從而有效的控制了施工質(zhì)量，同時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)施工贏得寶貴的時(shí)間，為水下基坑開挖的順利完成提供了有力的保證。

大面積水下開挖完成后，利用GPS定位儀結(jié)合測(cè)深儀監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全開挖區(qū)域測(cè)量，如有達(dá)不到高程的部位，再采用挖砂船進(jìn)行找平，直至達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

5 結(jié)語

本工程由于地質(zhì)條件特殊性，不能采用常規(guī)的降水方法，為此經(jīng)研究確定了以上施工方案，在施工過程中科學(xué)組織、精心安排，在基坑開挖過程中經(jīng)試驗(yàn)效果良好，達(dá)到了預(yù)期目的，從而保證了工程整體目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

［1］楊方.水下淤泥開挖施工技術(shù)［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2005，(04):392－393.

［2］韓治國，唐依偉.淺談引水渠水下開挖施工方法［J］.水利天地，2007(07):45.