水下開挖法在市政工程深基坑施工中的應用

孫智勇

（福州市城市地鐵有限責任公司，350001，福州∥高級工程師）

水下開挖法在市政工程深基坑施工中的應用

孫智勇

（福州市城市地鐵有限責任公司，350001，福州∥高級工程師）

隨著城市基建發展，市政工程中出現越來越多的高水位、超厚強透水地層中的深基坑。結合兩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、適應性、及難點問題。在市政工程引入水下開挖法，能夠有效解決超厚強透水地層中深基坑施工難題。

市政工程；深基坑；水下開挖法

Author＇s address Fuzhou Urban Metro Co.，Ltd.，350001，Fuzhou，China

0　引言

水下開挖法主要應用于水工工程、沉管隧道工程中，具有難度大、專業性強等特點。該法在水工工程中積累了不少成功經驗。文獻［1］介紹了垂直升降式升船平臺船塢工程的水下開挖施工技術。文獻［2］介紹了國內同類工程之最——中船上海長興島造船基地一期工程港池的陸上和水下相結合的土方開挖施工方案。文獻［3］依托引嫩擴建渠首泄洪閘工程的水下基坑工程，成功解決了地下水滲透系數大等復雜地質難題以及水下大面積開挖難題。文獻［4］對北引渠首泄洪閘工程，采用土埌水下翻松、挖除、水面輸送集于一體的水下開挖技術，顯著提高了開挖效率，補充和完善了地質條件復雜的水下大面積基坑開挖技術；另外，水工工程基本解決了從淤泥到硬巖地層的水下開挖技術。文獻［5］利用水下開挖法成功地完成了水閘水下淤泥開挖。文獻［6-8］則對水下硬巖開挖技術進行了探討。總之，水下開挖工法在水工工程中，積累了從工藝到監控的一整套技術［9-10］，并在南水北調中線干線一期穿黃隧道工程的豎井工程中，采用水下開挖技術成功開挖了國內50 m深的超深基坑［11］。

水下開挖技術在城市市政工程中的應用較少。但目前市政工程中，深基坑工程越來越多地遇到高水位、超厚強透水地層的情況，如采用常規開挖法，則為滿足基底的抗承壓水突涌安全系數，往往會采取超深豎向或水平帷幕截斷地下水，其施工難度非常大，造價也非常高。

本文重點結合南京緯三路過江隧道梅子洲風井工程以及福州地鐵2號線金祥站—橘園洲站區間風井工程，對高水位、超厚強透水地層中的深基坑采用水下開挖法開挖進行研究。

1　工程案例

1.1南京緯三路過江隧道梅子洲風井工程

1.1.1工程概況

南京緯三路過江隧道位于緯七路過江通道下游5 km、南京長江大橋上游4.5 km處，按N、S雙線盾構法修建。其中，N線長4 930 m，S線長5 530 m。盾構隧道內徑為13.3 m，外徑為14.5 m。

隧道S線下穿梅子洲，并在島上設中間風井，即梅子洲風井。該風井還兼作緊急情況下人員疏散逃生的通道。過江隧道所在區域位置關系示意圖見圖1。梅子洲風井位于梅子洲尾部一水塘中，其設計里程為SDK6+761.400—SDK6+790.60。風井平面呈圓形，外直徑為29.2 m，內直徑為26.8 m，底板埋深約為21.152 m。基坑開挖深度為44.452 m。

圖1　平面示意圖

1.1.2工程地質及水文體質

梅子洲風井所在場地地層巖性以全新統灰色和灰褐色粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉砂以及圓礫混卵石地層為主。其地質剖面圖見圖2，地層物理力學參數建議值見表1。

場地上層潛水的水位為天然地面下0 m，下部承壓水主要接受長江江水補給，故承壓水水頭與長江水位齊平。根據勘察報告，1950年—2007年間，南京水位站歷年最高水位為+8.31 m，最低水位為-0.37 m。梅子洲風井所在長江河段100年一遇設計洪水位為10.98 m，300年一遇設計洪水位為11.45 m，勘察期間（2009年9月13日）長江水位為+5.80 m。

圖2　梅子洲風井地質剖面圖

表1　梅子洲風井地層物理力學參數建議值表

1.1.3風井基坑實施方案

梅子洲風井開挖深度為44.452 m，圍護結構采用1.2 m厚地下連續墻，其嵌固深度取18 m，共設24幅槽段。

根據計算分析結果及風井內部結構的建筑使用功能，基坑內部設置三道環梁。其中，頂冠梁截面為1.2 m×2.5 m，環梁截面為1.2 m×1.5 m。地下連續墻外側3.6 m范圍內的盾構穿越區土體采用旋噴樁加固。加固方案見圖3。

梅子洲風井施工工序為：

（1）施工場地平整及臨時防洪圍堰施工。

（2）基坑內外側高壓旋噴樁加固施工，地下連續墻及頂冠梁施工。

圖3　梅子洲風井平面及地層加固方案

（3）基坑開挖。由上而下依次分層分塊開挖并澆筑環梁，直至第三道環梁。待環梁達到設計強度后，向坑內灌水。坑內水位應高于坑外地下水位（不少于1.0 m）。水下分層分塊開挖至基坑底部，水下開挖過程中應保持坑內液面不變。如有異常，應立即上報并提前向坑內回灌護壁液漿。

（4）對坑底進行平整、清底，并在水下分層澆筑混凝土。完成23 m厚的素混凝土封底結構后，清除基坑內積水。

（5）順作法施工其余風井結構。

1.1.4實施情況

南京梅子洲風井于2012年2月開始施工，50 d完成地下連續墻施工。同年4月開始水下開挖及內襯結構水下澆筑，2013年4月完成。5月份完成豎井內填充素混凝土水下澆筑。

2015年4月份，緯三路盾構機掘進通過風井素混凝土段。7月中旬完成豎井內素混凝土鑿除及內部風井結構施工。

實施情況表明，梅子洲風井施工全過程安全可控。

1.2厚庭站—桔園洲站區間風井工程

1.2.1工程概況

福州地鐵2號線厚庭站—桔園洲站區間中間風井位于烏龍江東側、金祥路與三環快速路丁字路口西側。其設計里程為YDK19+921.539—YDK19 +936.039。風井長24.2 m，寬16.3 m，深度約為40m。該風井平面圖見圖4。

圖4　厚庭站—桔園洲站區間中間風井平面圖

1.2.2工程地質及水文地質

風井處土層從上至下依次為雜填土、素填土、粗中砂（稍密）、粗中砂（中密）、卵石層。基坑底主要位于卵石層。地質勘探鉆孔最深余70 m仍未打穿卵石層。其地質剖面圖見圖5，地層物理力學參數建議值見表2。

地下水主要為潛水、基巖裂隙水。潛水水位埋深3.40～5.66 m，水位標高3.40～8.13 m，含水層主要為粗中砂、卵石層，強透水。烏龍江與兩岸地下水有較密切的水力聯系，江邊地段水位互補關系明顯。

圖5　厚庭站—桔園洲站區間中間風井縱剖面圖

1.2.3區間風井基坑實施方案

桔園洲站降水試驗測得單孔涌水量為220 m3/ h，綜合滲透系數為105 m/d。區間風井距離桔園洲站300 m，臨近烏龍江，地層涌水量及滲透系數較大。

1.2.3.1初步設計方案

本工程在初步設計階段采用了懸掛式圍護結構+減壓降水方案。基坑平面尺寸24 m×17.2 m。基坑深40 m，采用1.2 m厚地下連續墻圍護。地下連續墻深52.2 m，采用雙輪銑施工。

地下連續墻成槽前進行三軸攪拌樁槽壁加固，成樁直徑650 mm，樁心間距400 mm。坑內8 m深度范圍采用直徑800 mm，且樁心間距600 mm的三重管高壓旋噴樁封底。基坑設降水井降水減壓。

1.2.3.2方案論證及變更

施工圖階段，根據相關降水試驗成果，進一步對風井采用減壓降水方案論證。

表2　厚庭站—桔園洲站區間中間風井地層物理力學參數建議值表

（1）降水井布置。采用口徑0.325 m的37 k W降水井。其降水能力為0.5萬m3/d。考慮備用井需布置16口降水井。但基坑長僅24.2 m，寬僅16. 3 m，基坑周長過小無法滿足布井要求。

（2）工程風險分析。根據相關降水試驗帷幕降水成果，降水將導致基坑內外到達35 m的水頭差，即地下連續墻接頭處承擔0.35 Mpa水壓。故地下連續墻接頭處存在較大的噴涌風險。

（3）降水費用。經測算基坑每天降水量為6.2萬m3。按降水8個月計算，則需電費428.5萬元，工程費770.4萬元。

綜上，由于本區間風井基坑原來的降水減壓施工方案降水難度大、費用高，且降水后帶來了較大的墻縫突涌水風險，故綜合研究后，決定采用水下開挖法進行基坑施工。

1.2.3.3水下開挖施工方案

區間風井建筑方案由原先的地下五層方案調整為地面一層，地下三層方案。

基坑采用兩級開挖方式。其中，第一級基坑采用深層水平封底后，疏干降水開挖；第二級基坑采用水下開挖方式。具體水下施工工序見圖6。

保密性是無線通信網絡信息安全防護的主要方式。無線通信網絡系統的保密性業務主要包括語音與數據保密性、用戶身份與位置保密、用戶和網絡間信息保密性等。采用保密性方式之后，除了信息的參與者之外，其他人即使截獲了信息也不能破解其中的含義。

圖6　厚庭站—桔園洲站區間中間風井水下施工工序

步驟1：施做地墻、基底加固、疏干降水，分層開挖第一級基坑（基坑深18.5 m）。

步驟2：基坑內注水，水下分層開挖至第二級基坑底。

步驟3：水下澆筑封底混凝土。

步驟4：回灌低標號填充混凝土。

步驟5：盾構拼管片掘進過風井素混凝土段。

步驟6：從地下三層向下鑿除素混凝土、施做風道及聯絡通道。

1.2.4區間風井實施情況

2　水下開挖法在市政工程中可行性及適應性

上述兩個案例工程有以下共同點：

（1）臨近地表水系。南京梅子洲風井位于長江梅子洲，福州地鐵2號線區間風井臨近烏龍江。地表水系與地下水有較密切的水力聯系，兩者之間水位互補關系明顯。

（2）基坑范圍內地層分布有較厚的透水地層，地層滲透系數大。基坑地下相對隔水層都比較深，難以采用豎直隔斷手段。

（3）基坑開挖深度都大于40 m，屬于超深基坑工程。

筆者認為，位于高水位、超厚強透水地層中的市政深基坑工程采用水下開挖法，不再是以“抗”為主的傳統市政基坑設計方法，而是以“自平衡”的方法來抵抗高風險，由此可解決市政傳統基坑開挖法的難題，減緩工程風險，降低工程投資。總體來說，水下開挖法經濟可行。

但水下開挖法在市政深基坑工程中也有其使用范圍。筆者通過對兩個項目的考察，進行了相關資料調研，并結合水下開挖工法的特點及難點，建議其適用范圍為：①臨江、河、湖、海且采用明挖法施工的深基坑工程；②基坑開挖深度不小于30 m，且基坑面積不大于1 000 m2；③基坑下部范圍及基坑底存在強透水地層，且該地層與地表水系存在密切的水力聯系。

3　深基坑水下施工工藝及抗浮板設計

3.1水下施工工藝

3.1.1水下開挖

參考梅子洲風井水下開挖經驗，水下開挖可利用高壓旋噴施工機具加載三翼鉆頭（見圖7）進行施工水下開挖時各類機械的布置方案見圖8。機械的型號參數見表3。首先，在噴嘴上方安裝1個三翼鉆頭，通過旋噴機的高壓水和三翼鉆頭對土體進行充分切割攪動，使土體變為均勻的泥漿；然后，先下放低壓旋噴噴頭至地表以下30 cm，再開動高壓水泵及空壓機，邊旋轉邊下沉，下沉速度為25～35 cm/min，提升速度為50～60 cm/min。最后，將潛水渣漿泵安裝在旋噴設備一側，待原狀土變成泥漿后，用旋噴設備上副卷揚機將渣漿泵放入泥漿中進行排漿。

圖7　旋噴機加載的三翼鉆頭

表3　水下開挖施工機械及其參數表

開挖應分層實施，嚴格控制開挖速度在1.5 m/ d以內。開挖時應保持坑內液面不變，且不低于坑外地下水位1.0 m。各開挖設備的開挖深度高差應控制在1.0 m以內，以確保開挖面均勻下降。

地下連續墻邊壁殘留土體采用高壓水沖刷切割。

3.1.2水下混凝土澆筑

大面積水下混凝土澆筑采用滿堂紅法。選用直徑25 cm、壁厚10 mm的無縫鋼管作為導管，并按不大于5 m的間距布置導管。

圖8　水下開挖機械安裝示意圖

混凝土澆筑采用首批灌注→正常灌注→導管提升→測量→再灌注的順序施工。首批灌注須確定每根導管首批混凝土灌注量；正常灌注順序由風井外圍向中心灌注；導管提升必須嚴格按照測量所得混凝土標高和導管埋深控制；在第一根導管開始灌注后，每隔30 min記錄一次各測點的混凝土表面標高，以確定混凝土流動半徑和坡度，作為其余導管首灌混凝土的依據。

水下混凝土澆筑過程中，應保持混凝土面均勻上升，且保持導管埋深不小于1.0 m。維持坑內液面不變，且高于坑外地下水位（不小于1.0 m）。

3.2抗浮底板設計

施工后期坑內降水后，封底混凝土底面的水壓較高，在封底混凝土板與地下連續墻界面接縫處出現較嚴重的滲漏水問題，故建議在封底混凝土與圍護墻之間設置抗剪槽，以滿足封底混凝土板抗浮要求（見圖9）。

圖9　抗剪槽示意圖

當水下開挖完成后，采用刷壁器配合高壓水槍清除凹槽中的殘留泥漿和土層，并由潛水員進行輔助清理和檢查，以確保水下封底混凝土與地下連續墻的有效承載搭接。

4　結語

由南京緯三路過江隧道梅子洲風井以及福州地鐵2號線厚庭站—桔園洲站區間風井兩個工程實際情況可以看出，在高水位、超厚強透水地層深基坑工程中，水下開挖法的“自平衡”理念符合當今巖土工程發展方向，在類似市政工程中應用前景廣闊。

此外，隨著城市軌道交通的發展，車站工程中可能出現3層、4層的超深、大面積基坑。對這種基坑可設計分倉開挖的方式以適應水下開挖法。

［1］ 李學武.船塢工程水下開挖施工技術［J］.廣東水利水電，2003（S2）：30.

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［11］ 張健.超深豎井水下開挖施工關鍵技術［J］.公路與汽運，2011（2）：174.

Application of Underwater Excavation Method in Municipal Excavation Engineering

Sun Zhiyong

With the development of urban construction，high hydraulic pressure and powerful permeable stratum appeared frequently in municipal excavation engineering. Combined with two projects that adopted underwater excavation method，the feasibility，adaptability and difficulties of this method are analyzed，in order to solute problems of high hydraulic pressure and powerful permeable stratum in deep foundation pit construction with this method.

public works；deep foundation pit；underwater excavation

TU 753.6

10.16037/j.1007-869x.2016.03.023

（2015-05-27）