高滲水型深基坑免降排水開挖施工工藝研究

◎ 耿小曦 李波 中交廣州航道局有限公司

1.引言

傳統(tǒng)深基坑施工過程中為防止邊坡失穩(wěn)，保證施工安全，常采取的保證措施有設(shè)置合理的邊坡、設(shè)置邊坡護(hù)面、采用鋼板樁進(jìn)行基坑支護(hù)、降低地下水位等[1]。施工過程中，隨著基坑開挖深度的增加，邊坡的穩(wěn)定性防護(hù)以及基坑降排水難度也越來越大，土方開挖、倒運(yùn)難度也越來越大，特別是在近海受潮汐影響較大的區(qū)域，基坑支護(hù)、降水難度及施工風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)也將大大增加?，F(xiàn)結(jié)合工程實(shí)例針對(duì)近海高滲水型深基坑免降排水開挖施工工藝進(jìn)行研究與分析。

2.工程概述

北海市某取水口工程深基坑一側(cè)與海域相鄰，基坑開挖完畢后對(duì)取水口邊坡進(jìn)行袋裝砂護(hù)面防護(hù)以及拋石護(hù)面防護(hù)?；拥鼗_挖土質(zhì)主要為中粗砂、中細(xì)砂，地下水位較高且受潮汐影響較大，基坑滲水嚴(yán)重，基坑開挖難度較大，施工期間極易發(fā)生管涌現(xiàn)象。若采用傳統(tǒng)基坑支護(hù)、降排水等工藝干地施工，開挖、支護(hù)及降排水難度較大，造價(jià)較高，安全隱患較大，所需工期較長，難以滿足后續(xù)其他工序的節(jié)點(diǎn)要求。

針對(duì)本工程的工況特點(diǎn)，本項(xiàng)目研究了一種針對(duì)高滲水型深基坑免降排水開挖的施工工藝，有效解決了近海工程深基坑開挖滲水性強(qiáng)、基坑降排水及支護(hù)難度大等難題，提高了施工效率，降低了施工成本，取得了良好的施工效果。

3.施工工藝

高滲水型深基坑免降排水開挖的施工工藝為：表層陸地機(jī)械開挖+下層吸砂泵排水下開挖。吸砂泵排施工的工藝原理為：吸砂泵吸砂管頭帶有高壓水槍，施工期間通過高壓水槍將基坑底部泥砂沖散形成泥砂混合物，同時(shí)通過吸砂管將沖散的泥砂混合物吸出，通過排泥管線吹填至指定的納泥區(qū)域。

根據(jù)吸砂泵的開挖半徑，開工前將基坑按一定的寬度劃分成若干條，采用分條、分段、分層的開挖工藝。施工時(shí)通過調(diào)整浮排上的錨纜來固定及移動(dòng)吸砂泵排，吸砂泵排的吸砂管在基坑底部進(jìn)行吸砂浚深時(shí)，根據(jù)吸砂管上的刻度判斷開挖深度，當(dāng)一個(gè)開挖點(diǎn)深度滿足設(shè)計(jì)要求后通過錨纜移動(dòng)吸砂泵排沿著前期劃分好的條帶緩慢向前移動(dòng)，從而開挖出一條滿足設(shè)計(jì)標(biāo)高的溝槽。施工期間，吸砂泵排所開挖的溝槽條與條之間、段與段之間均要有一定的搭接，以減少欠挖、漏挖現(xiàn)象的發(fā)生。施工期間，通過RTK 進(jìn)行吸砂泵排定位控制，通過打水坨、水尺以及采用測深儀等測量儀器進(jìn)行開挖質(zhì)量控制。

3.1 施工準(zhǔn)備

基坑開挖前，測量技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行現(xiàn)場測量放線，將基坑各邊線和轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行放樣，并將帶有旗子的木樁安插在基坑開挖邊線的各轉(zhuǎn)點(diǎn)上，工程技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)開挖基坑的開挖土質(zhì)以及現(xiàn)場實(shí)際工況條件計(jì)算基坑開挖邊坡的穩(wěn)定性。待所有的準(zhǔn)備工作完成后，方可組織機(jī)械設(shè)備及人工進(jìn)場進(jìn)行下一步的施工作業(yè)。

圖1 施工工藝流程圖

圖2 基坑干地開挖至出現(xiàn)一定深度的地下水

圖3 吸砂泵排組裝完成照片

圖4 吸砂泵排在基坑內(nèi)施工示意圖

3.2 基坑陸上干地開挖

由于吸砂泵排需要帶水作業(yè)，若前期基坑上層為干地，則需要首先采用鉤機(jī)、鏟車等設(shè)備將基坑表層開挖出一定深度的地下水。基坑陸上土方開挖時(shí)，一般使用挖掘機(jī)直接開挖，鏟車配合近距離土方轉(zhuǎn)運(yùn)，運(yùn)距較遠(yuǎn)時(shí)采用自卸車運(yùn)輸。施工中應(yīng)定期測量校正開挖斷面尺寸，控制合理的邊坡坡比，采取挖一層邊坡修整一層的方式進(jìn)行施工，施工期間對(duì)可能引起的滑坡和塌方的部位采用預(yù)防性的保護(hù)措施[1]。同時(shí)，在施工過程中還應(yīng)仔細(xì)檢查邊坡的穩(wěn)定性，定期對(duì)開挖的邊坡進(jìn)行沉降位移監(jiān)測[2]。

3.3 吸砂泵排就位、開工展布

工程中常使用的吸砂泵排所需的施工水深較淺，一般當(dāng)取水口基坑上層開挖部分水深達(dá)到1m左右時(shí)，即可滿足吸砂泵排進(jìn)場施工作業(yè)的條件。

1）吸砂泵排組裝。吸砂泵排主要由：離心式吸砂泵、吸砂管、高壓水槍、排泥管線、柴油機(jī)、輕型浮排等組成。吸砂泵及柴油機(jī)的功率、參數(shù)可根據(jù)實(shí)際施工需要進(jìn)行選擇。輕型浮排一般采用鋼制框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用泡沫填充。工程中常用的吸砂泵排主要采用9寸離心式吸砂泵加6m*6m*1.5m浮排組裝而成，平均吃水約1m，可在水上進(jìn)行組裝，也可在岸上組裝后采用汽車吊吊至施工位置。吸砂泵排組裝工藝流程：輕型浮排下水拋錨→固定浮排→抽砂機(jī)組安裝→管線安裝。

9寸離心式吸砂泵常采用250KW的柴油機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，吸砂泵吸砂管頭采用長度4-5m，內(nèi)徑9寸的鋼管。施工期間，通過卷揚(yáng)機(jī)調(diào)節(jié)吸砂管頭的下放深度，確保水下開挖期間定深控制，在鋼管旁邊固定有高壓水槍，用來沖散基底的泥砂，形成泥砂混合物。施工期間通過離心泵將高壓水槍沖散的泥砂混合物吸入吸砂泵，再通過排泥管線將泥砂混合物輸送至指定納泥區(qū)域，工程中常用的9寸離心式吸砂泵最遠(yuǎn)吹距可達(dá)150m。

2）吸砂泵排就位開工展布。吸砂泵排就位主要采用RTK進(jìn)行施工定位及放樣，施工前將吸砂泵排施工所劃分的條帶在岸上采用帶標(biāo)記的竹竿或在水上采用浮標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。吸砂泵排施工期間，每個(gè)浮排配置4～5名工人，主要負(fù)責(zé)浮排定位、移動(dòng)、開挖定深控制、吹填管線調(diào)整等工作。

3.4 吸砂泵排水下開挖

吸砂泵排水下開挖主要根據(jù)土質(zhì)、設(shè)計(jì)挖深以及不同的外界施工條件，采用分區(qū)、分條、分段、分層開挖。常用的9寸吸砂泵排一般按6m寬度進(jìn)行分條，按3-5m厚的泥層進(jìn)行分層。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，吸砂泵排主要適合開挖平均粒徑0.5mm以下的中砂、細(xì)砂以及淤泥土質(zhì)。當(dāng)開挖粒徑為0.5mm以上的粗砂以及軟質(zhì)黏土?xí)r，吸砂泵排施工具有一定的難度。吸砂泵排一般不適合開挖粒徑大于2.0mm的圓礫、碎石以及硬質(zhì)黏土等土質(zhì)。當(dāng)開挖土質(zhì)為粒徑較大的中、粗砂或粉質(zhì)粘土?xí)r可適當(dāng)減少開挖厚度，降低堵管風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)泥層為粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)土?xí)r，可適當(dāng)加大分層厚度，提高開挖效率。

1）吸砂泵上層開挖。上層開挖期間可加大吸砂管頭高壓水槍的沖水壓力，在不堵管的情況下盡量降低吸砂管頭的下放深度，以提升吸砂泵的吸砂濃度，提高施工效率。施工期間，吸砂泵排操作手還應(yīng)根據(jù)不同的土質(zhì)情況來調(diào)節(jié)吸砂濃度，當(dāng)開挖土質(zhì)顆粒為較大的粗砂以及黏土?xí)r，應(yīng)適當(dāng)提升吸砂管頭，降低吸砂濃度，降低吸砂泵堵管的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)開挖土質(zhì)為淤泥、粉細(xì)砂等細(xì)顆粒土質(zhì)時(shí)可適當(dāng)降低吸砂管頭的高度，加大開挖濃度以提升施工效率。

2）吸砂泵下層開挖。下層開挖主要以定深控制為主，一般將底層約2.0m的泥層留作最后一層進(jìn)行精挖。底層開挖期間應(yīng)采用打水坨以及測深儀測量等方式監(jiān)測開挖深度，必要時(shí)應(yīng)加大測量頻率。當(dāng)開挖高程接近基底高程時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小高壓水槍的沖水壓力，同時(shí)配合提升吸砂管頭的高度以控制開挖標(biāo)高，確保開挖底高程及開挖平整度滿足設(shè)計(jì)要求，減少超挖廢方。

圖5 采用測深儀進(jìn)行基坑水深測量

圖6 吸砂泵排基坑開挖與充填袋裝砂工藝相結(jié)合

3）邊坡區(qū)域開挖。邊坡區(qū)域開挖主要采用上欠下超的施工工藝，將基坑邊坡開挖成臺(tái)階狀，利用砂性土質(zhì)易坍塌的特點(diǎn)，形成自然坡?；舆吰麻_挖期間應(yīng)特別注意控制好合理的坡比[1]，避免把臺(tái)階一次性開挖過寬、過高，從而導(dǎo)致邊坡上部土方大規(guī)模塌方，影響開挖邊坡的穩(wěn)定性。一般邊坡開挖臺(tái)階的高度控制在2m左右，寬度控制在5m左右，具體開挖尺寸還應(yīng)根據(jù)前期計(jì)算好的邊坡的坡比進(jìn)行控制。

4）吸砂泵開挖與袋裝砂護(hù)面充填工藝相結(jié)合。若基坑護(hù)面采用袋裝砂護(hù)面，則可以將吸砂泵基坑開挖與袋裝砂護(hù)面充填有序的結(jié)合起來，即采用吸砂泵排開挖基坑的同時(shí)，將開挖泥砂混合物通過排泥管線直接充填至護(hù)面袋裝砂袋內(nèi)，既滿足了開挖施工的需求，同時(shí)又完成了袋裝砂護(hù)面的施工，有效提高了施工效率，降低了施工成本。主要施工工藝流程：袋裝砂護(hù)面位置開挖→充填砂袋定位、鋪設(shè)→吸砂泵基坑開挖充填至袋裝砂→充填完成進(jìn)行下一袋體充填。

袋裝砂護(hù)面充填時(shí)應(yīng)確保袋體的充填飽滿度和平整度，充砂袋體充盈率不低于85%。充砂管袋體之間縱向搭接寬度不小于2m，為保持袋裝砂護(hù)面的穩(wěn)定性，袋裝砂護(hù)面的邊坡一般控制在1:1.5左右。

5）吸砂泵排掃淺施工。采用吸砂泵排掃淺施工期間，為保證施工質(zhì)量減少超挖廢方，應(yīng)采用測深儀加大測量頻率。測量人員將測量淺點(diǎn)劃分成不同的塊，通過采用RTK 進(jìn)行淺點(diǎn)區(qū)域定位，指導(dǎo)吸砂泵排定點(diǎn)定深掃淺施工。由于掃淺泥層一般厚度較薄，施工期間應(yīng)高度重視定深控制，嚴(yán)格控制吸砂管頭的下放深度，并及時(shí)采用打水拓、測深儀等方式檢驗(yàn)開挖深度。

4.結(jié)論

（1）高滲水型深基坑免降排水開挖施工工藝主要采用吸砂泵排在深基坑內(nèi)帶水作業(yè)，主要工作原理是通過吸砂泵吸砂管頭的高壓水槍將基坑底部泥砂沖散形成泥砂混合物，再通過吸砂泵將沖散的泥砂混合物吸出，通過排泥管線吹填至指定的納泥區(qū)域，從而完成基坑的挖深目的。

（2）采用該施工工藝施工期間，不需要對(duì)基坑內(nèi)進(jìn)行降排水。由于開挖土質(zhì)為中粗砂、中細(xì)砂等滲透系數(shù)較大的土質(zhì)，且基坑臨近海域，基坑內(nèi)水位與外界海平面基本持平，基坑邊坡穩(wěn)定性較好，施工期間只要控制好合理的坡度，不需要另行進(jìn)行基坑支護(hù)，有效降低了施工成本。

（3）若深基坑護(hù)面采用袋裝砂護(hù)面，在基坑后續(xù)開挖施工中，可將吸砂泵水下開挖與袋裝砂護(hù)面充填工藝相結(jié)合，采用吸砂泵吸砂直接充填至護(hù)面充填砂袋內(nèi)，有效減少了施工工序，降低了施工成本。

（4）該施工工藝主要采用吸砂泵帶水作業(yè)，與傳統(tǒng)深基坑干地開挖、土方運(yùn)輸相比施工機(jī)械數(shù)量及種類較少，現(xiàn)場交通及安全管理壓力較小。此外，由于所有施工內(nèi)容均為帶水作業(yè)，有效避免了粉塵、揚(yáng)塵等情況的發(fā)生，具有較好的環(huán)保意義。