止水圍堰及深基坑開挖施工技術

許懷彪 卿啟忠

中交一航局第二工程有限公司 山東青島 266071

1 項目實施背景

煙臺開發區大季家污水處理廠深海排放工程位于平暢河入海口，為確保排海調壓井、鎮墩及KP0+022至排海調壓井間管道等項目進行陸上干施工，擬在其周邊設置單排高壓旋噴樁止水圍堰，待樁體達到設計強度后，方可進行基坑內降水、開挖、護坡等項目。因本工程臨海作業，受外海環境影響較大，且圍堰堤身主要為中粗砂，易受海浪沖刷而流失，因此加固圍堰堤身是本文研究的重點，圍堰內基坑開挖深度7.37m-8.38m，屬于深基坑作業，需要做好深基坑安全防護措施，同時圍堰止水效果的好壞，直接影響到基坑內干施工的施工質量，故施工前需認真校核各個環節的施工參數，施工過程中嚴格按照本方案要求進行施工控制。

2 實施效果

2.1 圍堰堤壩實施效果

（1）圍堰堤壩工程概況。本工程圍堰堤壩采取就地取砂進行回填，回填過程中及時在其兩側鋪設一層土工布并采用砂袋壓實。因極端高水位為3.67m，為防止海水倒灌及沖刷影響，止水圍堰頂面標高宜設置為+4.5m，其臨海側土工布外側需鋪設65cm厚100-150kg的護面塊石，進行圍堰旋噴止水樁施工時溢出水泥漿液需均勻分攤到護面塊石縫間，從而加強圍堰護坡穩定性。

（2）圍堰堤壩穩定性驗算。

①圍堰臨海側護面塊體穩定驗算。護面塊體穩定重量按《防波堤設計與施工規范》（JＴJ298-98）4.2.4 條計算：

W=0.1ΥbH3/（KD（Sb-1）3ctga），Sb=Υb/Υ

式中：W-單個塊體的穩定重量（t）；Υb-塊體材料的重度KN/m3，取 23；H-設計波高（m），取0.6；KD-塊體穩定系數，取4.0；Υ-水的重度（KN/m3），取10.25；a-斜坡與水平面的夾角（°），取45

W=0.1×23×0.63/（4.0*（23/10.25-1）3ctg45）=0.0645t

采用100-150kg塊石護面滿足規范要求。

②圍堰臨海側護面塊體厚度計算。護面塊體厚度按《防波堤設計與施工規范》（JTJ298-98）4.2.18條計算

h=n/c（W/（0.1Υb））1/3

式中：h–護面層厚度（m）；n/-護面塊體層數，取2；c–塊體形狀系數，取1.0

h=2×1.0×（0.0645/（0.1*23））1/3=0.61m ＜ 0.65m

本工程護面塊石厚度為0.65m，滿足規范要求。

③圍堰臨海側護面塊體穩定重量驗算。臨海側堤前波浪底流速按《防波堤設計與施工規范》（JTJ298-98）4.2.20條計算：

表1 滑弧計算結果

式中：V–堤前波浪底流速（m/s）；H-設計波高，取0.6；L–計算波長，取65m；d-堤前水深，取4.5m；

經計算，堤前波浪底流速為0.42m/s，根據《防波堤設計與施工規范》表4.2.21護底塊石采用100-150kg塊石滿足規范要求。

④圍堰開挖整體穩定性驗算。根據《港口工程地基規范》（JTS147-1-2010），采用圓弧滑動簡單條分法進行整體穩定性驗算：

Υo/Msd≤MRK/ΥR

式中：Msd-作用于危險滑弧面上滑動力矩的設計值（KN.m/m）；

MRK-作用于危險滑弧面上抗滑動力矩的標準值（KN.m/m）；

Υo/-重要性系數；

ΥR-抗力分項系數，見表1。

表2 抗力分項系數最小時滑弧計算結果

經計算，圍堰使用期整體穩定系數最小值為1.392，滿足規范要求。

（3）依托工程實施效果。根據以往經驗常在原有基礎上進行止水圍堰施工，且止水圍堰回填料基本不采用中砂回填，而本工程采取就地取砂回填堤壩，但中砂回填后易受海浪沖刷而流失，為防止中砂被海浪沖刷，堤壩回填完成后，立即在堤壩外海側鋪設一層土工布，并拋填護坡塊石，利用止水圍堰注漿過程中溢出的漿液灑落在護坡塊石上，漿液凝固后將塊石間縫隙填堵，使得護坡塊石連成一個整體，并經幾次大風大浪后，堤壩整體處于穩定狀態，成功解決中砂遭海浪沖刷而流失等問題，同時節省了大量成本，為后續類似工程奠定了堅實的基礎。

未護坡處理之前

護坡處理后

2.2 圍堰止水實施效果

（1）圍堰工程地質條件。本工程場地內土層大致分為六層，第一層為素填中粗砂，厚度約4.5m，分布在0.43m至+4.93m；第二層為細砂，厚度約4.5m，分布在-4.07m-0.43m；第三層為淤泥質粉質黏土，厚度約0.8m，分布在-4.87m至-4.07m；第四層為中砂，厚度約2.0m，分布在-6.87m至-4.87m；第五層為淤泥質粉質黏土，厚度約3.1m，分布在-9.97m至-6.87m；第六層為中粗砂，厚度約3.1m，分布在-12.07m至-9.97m。

（2）止水圍堰形成后預期止水分析。根據地質勘查資料可判斷弱透水層為淤泥質粉質粘土層，滲透系數取值K=0.525×10-6m/s。

①當樁端入粉質粘土層3.1m時，基坑底管涌按《建筑施工計算手冊》3.8.3條驗算。

基坑底標高取-4.37m，極端高水位為+3.67m，中粗砂的重度r=19KN/m3，抗管涌安全系數K=1.5，海水重度rw=10.25KN/m3

r/=19-10.25=8.75KN/m3，則：

t=（kh/rw-r/h/）/（2r/）

=（1.5×8.04×10.25-8.75×8.04）/（2×8.75）

=3.04m＜3.1m

故不會發生管涌現象，因此本工程樁端入粉質粘土層3.1m時滿足規范要求。②坑底控制滲水量按《建筑施工計算手冊》3.8.4條計算。

K=0.525×10-6m/s

=0.0454m/d

水頭梯度i=h//（h/+2t）

=8.04/（8.04+2×3.04）

=0.57

Q=K×A×i

=0.0454×2021×0.57

=52.3m3/d

③基坑內降水處理

基坑滲水處理

基坑內日滲水量Q天=52.3m3/d

Q時=Q天/24=52.3/24≈2.2m3/h

當每口疏干井內布置水泵流量為5m3/h時，Q總時=5×4=20m3/h＞2.3m3/h，共布置4口疏干井滿足降水要求。

基坑應急排水。當遇強降雨、海水倒灌或基坑涌水等因素影響時，預計基坑內每小時灌水量達10-100m3/h。為滿足應急排水要求，在坑底布設排水溝及3個集水坑，每個集水坑內放置一個100m3/h的潛水泵。

Q總=100×3=300m3/h＞100m3/h

滿足施工應急排水要求。

（3）止水圍堰實施方法。根據上述計算結果，本工程旋噴止水樁需穿透第五層淤泥質粉質黏土層，并進入第六層中粗砂層約0.5m方可滿足規范要求，因本工程旋噴止水樁需同時滿足止水及支護要求，旋噴樁樁徑宜為Φ800mm，樁間咬合200mm。旋噴止水樁施工采用二重管高壓旋噴施工工藝，該工藝采取分開輸送氣、漿二介質的二重管，產生的高壓漿射流和外圍環繞的氣流同軸噴射沖切擠壓土體，使漿液在切割范圍內更好的與地層顆粒摻和，形成強度較高的連續固結體，起到加固防滲的作用。

①旋噴止水樁試樁。為保證施工質量，機械設備進場后，先進行試樁，試樁根數不少于3根，深度為4m，通過試噴校驗施工設備的技術性能、工藝參數、試噴效果及其技術措施能否滿足施工現場及設計規范要求。待試樁強度達到設計強度后，即可將旋噴樁體挖出，檢查每根樁的均勻性、完整性、強度、樁間搭接量等是否滿足設計、規范要求。

a.單嘴直徑2.4mm，旋噴。

漿壓（MPa） 28 提速（cm/min） 12氣流量（m3/min） 1.0-2.0 轉速（次/min） 12氣壓（MPa） 0.5-0.7 漿液比重（g/cm3） 1.48-1.53漿流量（L/min） 65-80 水灰比 1∶1孔位偏差（cm） ≤5

b.雙嘴直徑1.7mm，旋噴。

漿壓（MPa） 32 提速（cm/min） 12氣流量（m3/min） 1.0-2.0 轉速（次/min） 12氣壓（MPa） 0.5-0.7 漿液比重（g/cm3） 1.48-1.53漿流量（L/min） 65-80 水灰比 1∶1孔位偏差（cm） ≤5

c.單嘴直徑2.4mm，定噴。

漿壓（MPa） 35 提速（cm/min） 10氣流量（m3/min） 1.0-2.0 轉速（次/min） ∕氣壓（MPa） 0.5-0.7 漿液比重（g/cm3） 1.48-1.53漿流量（L/min） 65-80 水灰比 1∶1孔位偏差（cm） ≤5

②試樁后效果分析。

單嘴直徑2.4mm，旋噴

雙嘴直徑1.7mm，旋噴

采取單嘴直徑2.4mm旋噴方式試樁，樁徑達Ф810，樁身完整，旋噴樁抗壓強度達6MPa以上，滿足設計要求；采取雙嘴直徑1.7mm旋噴方式試樁，樁勁達Ф900，樁身完整，旋噴樁抗壓強度達6MPa以上，滿足設計要求。通過試樁發現雙嘴直徑1.7mm旋噴方式噴射存在樁徑偏大且使用水泥多，成本高，而單嘴直徑2.4mm旋噴方式噴射正好滿足設計、規范要求，經研究決定本工程旋噴樁采取單嘴直徑2.4mm旋噴方式進行噴射。

臨海側排污管道底部止水采取單嘴直徑2.4mm，定噴方式試樁，樁的噴射寬度達150mm，噴射長度達2200mm，樁身完整，旋噴樁抗壓強度達6MPa以上，

因樁的噴射寬度太小，不能滿足設計要求，為增大樁的噴射寬度，經研究決定采用擺角300的擺噴方式來進行施工，其余參數均按試樁時的參數實施。

單嘴直徑2.4mm，定噴

（4）依托工程實施效果。

①采用30°擺噴噴射法，成功解決深埋式大直徑管道下方止水困難的問題。深埋式大直徑管道下方止水采用30°擺噴噴射法史無前例，本工程排污管道深埋在圍堰臨海側堤壩底部，為使排污管道下方達到止水目的，決定在管道兩側先鉆孔，再采取30°擺噴對噴法進行試樁，各項參數如下表：

噴射完成后，在距離噴射孔后方20cm處再鉆孔進行Ф800mm旋噴樁施工。施工完成后，立即安排施工人員將樁體頂部挖出，檢查發現樁體連續，且止水墻最小厚度達600mm。圍堰內基坑開挖過程中未發現此處滲水，止水效果較好，今后類似工程可采取此方案進行大直徑管底部止水施工。

單嘴直徑2.4mm，30°擺噴

②回填堤壩潮差段采用插入PVC管及雙液注漿法，成功解決潮差段止水困難的問題。根據以往經驗回填堤壩常回填透水性較弱的土質，而本工程臨時圍堰堤壩采用中砂回填，中砂透水性較強，采用常規方法進行止水施工時，潮差段漿液未初凝前將被海水沖刷，達不到止水目的。為防止遭海浪沖刷，在常規漿液中參入水玻璃，參入量為漿液量的10%-30%，乘平潮時對潮差段進行雙液注漿。同時為防止在潮差段發生踏孔現象，在鉆孔過程中跟進Φ110PVC管（經試驗當漿壓達到28MPa時可成功將Φ110PVC管刺破，不影響注漿效果），通過此類方法成功解決潮差段止水困難及踏孔現象的問題，且止水效果較好，今后類似工程可采取此方案進行止水。

2.3 基坑開挖實施效果

（1）基坑開挖實施方法。根據以往經驗深基坑進行開挖時需先鋪路后開挖，而針對本工程寬度狹窄，長度較長，深度較深的基坑，宜采用長臂挖掘機直接進行倒退開挖，再由普通挖掘機、后八輪進行倒運施工，成功解決基坑開挖難的問題，大大節省時間，同時也節約大量資金，今后類似工程可采取此方案進行開挖施工。

（2）基坑邊坡護坡處理。因本工程土質主要為中粗砂，需進行護坡處理，待基坑邊坡開挖完成后，立即組織人員對基坑邊坡進行修整、掛網噴坡處理。對于易坍塌的區域采取如下措施：基坑修整后立即噴射一層20-40mm砼護坡，砼凝結后再布置鋼釘孔位，進行下一道施工工序。

砼噴射24小時后澆水養護，每天至少噴水四次。養護時間一般不小于7天。第一次噴水保養時，水壓力不宜過大，以防止沖壞噴射砼防護層表面。

3 實踐中的經驗和教訓

（1）止水圍堰施工前，應采用地質鉆機進行現場鉆孔取樣，檢查取樣結果是否與設計勘察結果一致，若不一致時，需邀請監理、業主、設計、勘察單位進行現場確認，進一步確認無誤后方可進行止水圍堰施工；

（2）旋噴止水樁施工前，需進行現場鉆孔試樁，檢查樁徑是否符合設計要求，樁身是否完整，若與設計要求不符，需調整相關參數后，再進行試樁，直至樁徑、樁身滿足設計及規范要求為止。

（3）止水樁鉆孔施工過程中常遇孤石，嚴重影響圍堰止水質量，應先探明孤石的大小，當孤石較小時，可不予考慮，當孤石較大時應在孤石側面進行補樁處理。

（4）當基坑開挖至底層時，由于個別區域滲水較為嚴重，影響基坑護坡施工，可采取真空井點降水法（管道長6m，管間距0.6m，管上布滿小孔，管道連接真空機后實施降水）快速將邊坡內水引出，待基坑底部表面不出現滲水時，先在其底部豎向鋪上1層竹架板，竹架板外側打設木樁，并預留排水管，再掛網噴坡，待噴坡混凝土強度達到規范要求后方可停止快速降水法。

4 結語

本文采取理論與實際相結合的方法總結了止水圍堰及深基坑開挖施工的全過程，詳細敘述了臨時止水圍堰及深基坑開挖過程中各個環節的操作要點，及施工中所面臨的問題及解決方案，同時總結了圍堰堤壩回填、止水帷幕施工過程中的經驗和教訓，亦提供大量的施工技術參數，具有較強的施工指導意義，為后續施工奠定了堅實的基礎。