臨海深大基坑降水干開挖施工組織設計技術淺析

陳順治 唐 壹

中交二航局第一工程有限公司

1 引言

港池干開挖施工工藝是將大部分疏浚所需進行工作轉換成干開挖這種低成本高效率的方式來完成，可實現成本和工期的優化。本文以某集裝箱碼頭項目的成功實施為例，詳細介紹了臨海深大基坑降水干開挖港池的施工工藝及技術要點，為類似項目提供參考。

2 工程概況

碼頭港池設計長1350m，頂部寬325m，底部寬250m，頂部標高+3.5m，底部標高-17m，港池北側是地連墻碼頭，地下連續墻埋深32.5m（底標高-29.0m），開挖深度20.5m，干開挖總方量約600余萬方。港池開挖平面圖及臨海側圍堰截面圖如圖1、圖2。

圖1 港池開挖平面圖

圖2 臨海側圍堰截面圖

3 工程地質情況

港池地質大體分為3層：

（1）港池0m～1350m區域標高+3.5m～+1m為粉細砂層或砂夾泥層，為松散地層，砂質粉土或粘質粉土夾有少量細砂，厚度不等。

（2）港池0m～1350m區域標高+1m～-8.5m為較密實的粉細砂層，粉沙或砂礫，非常密實，厚度不等，中間偶爾會遇到1m～2m厚的黏土層，粉質黏土夾有少量的細沙，厚度不等。

（3）港池0m～700m區域標高-8.5m～-43.5m為較為密實的砂卵石層，非常密實，砂卵石，少量粉土填充，中間-10m～-16m標高有1～4m厚的粉質黏土層。

（4）港池700m～1350m 區域標高-8.5m～-43.5m 為較為密實的砂卵石層，非常密實，砂卵石，少量粉土充填。

4 氣候及水文情況

項目地處紅海邊上，全年干旱少雨，年降水量約為22.8mm，該地區盛行北風和西北風，最大風速約為16m/s。最高天文潮位+2.20m，最低天文潮位-0.10m，平均水位+1.1m。

5 港池開挖設計

5.1 開挖區域及分層劃分

結合港池四周降水井施工計劃將干開挖施工劃分成四個區域M1（0m～300m），M2（300m～600m），M3（600m～900m），M4（900m～1350m），其中在M1和M2設置兩道圍堰作為阻水和降水平臺。港池開挖完成后，繼續M2區域第二道圍堰開挖，第一道圍堰最后疏浚（如圖3）。

圖3 港池開挖區域劃分圖

每區分級降水、分層開挖，開挖前先將水位將至開挖層底標高以下。港池靠近地連墻區域預留30m 保護區，待前墻和錨墻施工完成后墻后開挖標高控制在+0.0m，先施工拉桿再施工胸墻，胸墻施工完成后將30m 保護區采用干開挖挖至-17.0m（如圖4）。

圖4 港池分層降水開挖斷面圖

5.2 不同地層開挖方式

對于不同地層特性設計挖機開挖方式以減少修筑道路的影響和提升開挖效率。不同地層開挖方式如圖5。

5.2.1 粉質黏土夾砂卵石層開挖。

對于粉質黏土層夾砂卵石層，由于粉質黏土層不適合修筑自卸車道路，選擇自卸車道路修筑在砂卵石層層上，挖機可正鏟或反鏟開挖進行裝車，前期由于降水的影響，自卸車只能位于挖機后方，挖機倒退的方式開挖上料。降水完成后最優方式是自卸車在挖機前方，挖機反鏟開挖上料。

5.2.2 粉質黏土層開挖

主要分布在M1和M2區域（CH0～700m），粉質黏土層較厚且不適合修筑道路，所以此區域開挖將一個斷面5m～7m高度整體開挖，挖機先修筑一個3m 左右高臺階，對于臺階和后側的土進行同時向后退方向開挖，自卸車道路位于底部的砂卵石層上。

5.2.3 砂卵石層開挖

對于砂卵石層開挖，比較適合道路修筑，最優方式是反鏟開挖，自卸車在挖機前方上料。

圖5 不同地層開挖方式

5.3 邊坡設計

每層開挖邊坡需按設計坡比開挖到位，港池南側和西側-1.5m以上位置是小于1：5坡比的自然散坡護岸，-1.5m以下是柔性沙坡，坡比為1：2.5，兩道圍堰設置1：2坡比開挖，地連墻保護土體按1：3坡比開挖（如圖6、圖7）。

圖6 港池開挖邊坡設計

圖7 港池開挖邊坡設計

5.4 道路設計

5.4.1 道路布置原則

結合地形主干道盡量寬，厚路基減少維護，循環路增加通行效率。

5.4.2 道路布置說明

將在M1和M2，M3，M4區分別布設施工道路，做到互不影響。港池外的主道路寬度設計15m寬，雙向兩車道，進入港池內的道路設計寬8m。港池內根據分區分段情況布設支路向池內主道路輻射，形成循環路。隨開挖層加深道路按1：10 放坡修筑（如圖8）。

圖8 道路平面布置圖

5.4.3 道路修筑維護說明

港池外主干道主要位于港池四周和去棄土區的道路，需要在松散的沙漠狀原地面上修筑，道路設計15m 寬，雙向兩車道，路基厚度50cm，采用30mm～60mm級配碎石和馬兒土修筑，5%～10%含水率，鏟車攤鋪，壓路機壓實，壓實后灑水養護，經過太陽暴曬后，道路具有較好的承載力，能滿足后八輪自卸車載重承載力要求，道路中間放置空油桶作為中央隔離帶，道路外側邊緣用原狀土堆成邊坡防止自卸車沖出道路外側。

港池內開挖道路主要采用開挖的原狀砂卵石土進行修筑，寬度8m，雙向單車道，路基厚度50cm，黏土層上路基厚度1m，道路兩側使用原狀土堆防護，防止自卸車沖出道路。

開挖過程中始終安排設備進行道路的維護，每天換班后對道路進行灑水，所有道路交叉路口設置旗手進行車輛指揮。

5.5 設備配置

以高峰期土方最大開挖量為6 萬方/天示例，設備考慮兩個臺班，每個臺班10小時。

5.5.1 挖掘機配備

挖掘機生產效率按下式計算：

式中：

q——斗容量，取1.2m3；

K充——鏟斗充盈系數，取0.90；

K松——土的可松系數，松散土層取0.90，黏土層取0.8，砂卵石層取0.70；

K時——時間利用系數，取0.75；

T——挖掘機工作循環時間，松散土層取15S，黏土層取16S，砂卵石層取17s。

則一臺1.2m3的挖掘機每小時的生產率為：

①松散土層。

每天按1臺班10小時計，兩個臺班20小時

挖機數量：N=60000÷3480.4=18臺，則取18臺1.2m3的單斗反鏟挖掘機進行土方開挖。

②黏土層。

每天按1臺班10小時計，兩個臺班20小時。

挖機數量：N=60000÷2916=21臺，則需21臺挖機。

③砂卵石層。

每天按1臺班10小時計，兩個臺班20小時。

挖機數量：N=60000÷2401.4=25臺，則需25臺挖機。

5.5.2 自卸車的配備：

自卸車考慮兩個臺班，每個臺班10小時。

自卸車生產率P裝可按下式計算：

式中：

V——車箱堆裝容量，按平均15m3計；

T——工作循環時間，內棄土區運距按平均3km 計算，取22min；

K松——時間利用系數，取0.75；

則自卸車生產率P裝=15×60×0.75÷22=30.68（m3/h）

每天運土量：P=10×2×30.68=613.6 m3/d

則每臺挖掘機應配套的自卸車數量為：

①松散土層。

總共須要自卸車數量為：

若T——工作循環時間，外部棄土區運距按平均25km計算，取55分鐘計算，則需要配備自卸車：N車=14輛。總共需要自卸車數量為：N車=18×14=252輛。

②黏土層。

N車=P挖÷P裝=145.8÷30.68=4.75 臺。總共須要自卸車數量為：N車=21×4.75=100輛。

若T——取55分鐘計算，則需配備自卸車：N車=11輛。總共需要自卸車數量為：N車=21×11=231輛。

③砂卵石層。

N車=P挖÷P裝=120.07÷30.68=3.91 臺。總共須要自卸車數量為：N車=25×3.91=98輛。

若T——取55分鐘計算，則需配備自卸車：N車=9.5輛。總共需要自卸車數量為：N車=25×9.5=238輛。

6 施工困難點及處理方式

港池開挖深度超過20m，高峰期日均開挖方量6 萬余方，現場施工設備400 余臺，白夜交替，現場生產組織、交通管控難度大，風險高，主要困難點幾處理方式如下。

6.1 地質影響

6.1.1 黏土層

+1m～-8.5m地層，中間偶爾會遇到1m～2m黏土層；針對黏土層的開挖，在開挖過程中應避免直接開挖到這層對下層開挖道路修建帶來困難。具體措施如下：

黏土層對降水的影響，由于黏土層保水性較強，對降水的快慢有影響。當開挖至黏土層表面含水較多則開挖表面排水溝，把表面未滲透的水引導集中明排水。

對于黏土層對施工道路的影響則分以下幾點。

（1）若黏土層每層開挖的中間層，則直接挖到黏土層以下。

（2）若黏土層在開挖下一層的表面，本層開挖不能完全挖完黏土層則本層開挖的時候減小開挖厚度在黏土層上方預留50cm作為下一層開挖的施工道路。

（3）如開挖黏土層太厚則采用挖機翻土把黏土層翻起來放在兩側，中間開挖至砂卵石層作為施工道路。

（4）對于黏土層的開挖，自卸車主要選擇后八輪運土，對道路適應性較強，增加運輸安全性。

6.1.2 硬層

硬層主要出現在港池M1，M2區域-9m～-10m標高位置，厚度在0.5m～1m不等。

（1）硬層對降水的影響，硬層和黏土層一樣也具有相對隔水性，屬于隔水層，在降水的時候需要打引滲井提前降水，或在挖到硬層后使用破碎錘在硬層上開口使硬層上的水下滲。

（2）硬層對開挖的影響主要是硬層的硬度較硬，呈板結裝，面積較大，厚度較厚，標慣值在50以上，又不像混凝土一樣具有脆性，挖機破碎頭一鑿一個洞，并沒有破碎開，所以使用挖機破碎頭進行硬層破碎效率極差。當開挖至硬層時，使用帶松土勾的推土機破硬層，前期采用小松D355和D455進行破硬層施工，可以破除50cm 厚的硬層，但遇到較厚硬層時破碎效果較差，出現履帶打滑情況，后期采用更大更重的CAT D10N 推土機，破碎效果好，可以輕松破碎1m 厚板結的卵石層大大增加了破碎效率。

6.2 交通影響

（1）主干道車流量大，與支路道路設計成循環路，增加單向通行效率，主干道和支路點都設置人工交通指揮點，指揮車輛匯入主干道避免交通擁堵。

（2）主干道易出現車輛超速，出現安全事故，主要是通過增加減速帶，道路中央設置隔離帶，控制車速不超過30km/h，增大道路車輛行駛安全性。道路兩側設置1m高沙坡，防止車輛沖出道路。

7 結語

（1）開挖前需對施工區域地質情況充分分析，有利于對開挖方式的設計以及開挖設備的選型。

（2）針對不同的地質條件下進行開挖效率的分析，有利于設備選型以及道路布置設計。

（3）場內道路布置，主干道盡量寬，路基修筑承載力滿足最大承載要求，避免道路維護頻繁影響道路通行，場內設置循環路，單向通行提升運輸效率。

（4）交叉道路設置交通指揮點，主干道需設置減速帶，道路中間設置中央隔離帶，道路兩側設置1m 高沙坡防護，增大道路行駛的安全性。