水下開挖法在市政工程深基坑施工中的應用

廖維剛

（四川路通路橋科技股份有限公司，四川廣漢618300）

1 引言

水下開挖法在沉管隧道工程和水工工程中應用較多，由于該類工程難度大且專業性較強，因此對施工工藝和技術要求都相對較高。另一方面，由于城市化水平的不斷提升，市政工程的壓力日益增加，作為城市發展和運作的動力，隨著城市用地壓力愈發緊張，市政工程開始重視對隧道和地下工程的開發，但由于部分地區地質環境較為復雜，特別實在超厚強透水地層進行施工建設時，傳統的深基坑施工工藝難以有效保障工程質量，常規的開挖法存在安全隱患，且工程造價也令財政部門難以承受。目前，盡管水下開挖法在市政工程中的應用尚未普及，但隨著深基坑工程數量不斷提升，關于水下開挖法在市政建設中的應用必將成為新的發展趨勢，通過研究水下開挖法在深基坑施工中的應用情況，能夠積累理論與實踐經驗，對提升市政工程建設質量具有重要意義。

2 水下開挖法的適用條件

水下開挖法更多適用于水工工程和隧道工程中，近年來隨著我國市政工程的建設環境日趨復雜，許多市政工程項目需要面臨深基坑施工的情況，傳統的開鑿工藝受到技術限制，難以保障工程項目的可靠性與施工質量，特別是在南方一些地下水環境相對復雜的城市市政工程建設中，經常面臨著高水位深基坑或基坑地質環境存在透水地層的情況，進而對施工工藝提出了改進和創新要求[1]。水下開挖法在深基坑工程中的應用是近年來用于解決市政工程技術難題的解決方案，要研究其應用情況，首先要對水下開挖法的適用條件有正確的認識[2]。

一般情況下，水下開挖法的應用需要市政工程項目具備以下幾個基本特征：①工程施工地區臨近地表水系，地下水系發達或工程與地下水環境具有一定的聯系；②工程基坑分布有超厚強透水地層，傳統的豎直隔斷手段難以保障工程項目的正常建設，地層滲透系數較高；③基坑深度超過30m以上，普通的深基坑施工工藝難以適用。傳統的基坑施工工藝基本以隔斷方式來解決水系問題或以支護手段來應對水平抗力，而水下開挖法本質上是以一種“自平衡”工藝來解決深基坑施工過程中面臨的困難，能夠在一定程度上提升市政工程的抗風險能力和可靠性，相比傳統施工技術的工程造價也會顯著降低。筆者建議，施工團隊在考慮水下開挖法應用時，應當確保工程項目具備下述特征：首先，基坑深度大、面積可控，即開挖深度在30m以上，面積小于1000m2的工程；其次是工程要臨近于江河水系；最后是施工地帶地下水系發達，基坑與地下水或地表水系有一定聯系[3]。

3 A市風井工程實例分析

3.1 工程概況

本文以南方某副省級城市隧道風井工程為例，闡述水下開挖法在市政工程深基坑施工中的應用情況。該市（以下簡稱A市）過江隧道臨近長江沿岸，采用NS雙線盾構法進行建設。該隧道N線長 4396m，S線長 5840m，隧道內徑12.85m，盾構隧道外徑13.78m。其中該隧道的N線穿過江心的R島，市政規劃人員計劃在R島上建立一座風井，作為人員疏散通道。其中風井平面設計為圓形，內外直徑分別為27.5m和30.2m。底板埋深22.756m，基坑深度46.213m，屬于超深基坑工程項目[4]。

3.2 施工方案及流程

由于江心水系環境復雜，施工場地土質條件基本為粉質黏土。下面為項目負責人設計的基坑施工方案：風井開挖深度46.213m，使用1.5m厚的地下連續墻作為圍護結構。為保障風井結構穩定性及功能性，設計人員在基坑內設置了多道環梁層，頂冠梁截面為1.5m*2.5m，環梁截面1.3m*1.6m。該項目風井施工工序具體如下：①對江心隧道段進行清場，保持施工現場平整度，為大型開鑿設備預留出空間，同時為避免河道水面上漲對施工造成影響，臨時對江心島設置圍堰擋板；②先對基坑的旋噴樁進行加固，再進行圍護連續梁和頂冠梁建設；③基坑開挖。基坑的開挖順序設置為分層開挖，自上而下直到第三道環梁位置。在經過工程單位檢驗后確保基坑環梁強度達到質量標準以后，再向基坑內注水，使坑內水位超出地下水位1.5m以上。在注水過程中如出現異常情況，如水位不受控制等情況，應由項目經理及時叫停并回灌護臂液漿以保障基坑穩定。④開挖完成后對坑壁和基底進行清理，使內壁和坑底保持平整后進行混凝土澆筑對基坑進行封底，最后清理積水完成全部工作[4]。

4 F市站區間風井工程實例分析

4.1 工程概況

F市位于我國東南沿海地區，市政部門計劃在市內某地鐵站區建設一處風井工程，設計開鑿深度約45m，長寬分別為26.8m和19.5m。F市所在地土層結構自下而上分別為卵石層、砂層、素填土和雜填土。臨近區域地下水系復雜，相對水深約為3.6-5.8m，水位標高4.2m-8.5m，風井項目屬于超深基坑工程，且水位互補關系明顯。經工程組研討決定，該站區間風井項目采用水下開挖法進行施工[5]。

4.2 施工設計方案

設計初期為降低風險，選擇了減壓排水法與懸掛圍護相結合的處理方案，基坑尺寸為26.8m*19.5m，深度45m，圍護墻厚度1.5m。地下連續墻的施工需要進行槽壁加固，封底采用三翼高壓旋噴設備，直徑850mm，樁心間距650mm，使用降水井進行排水減壓。在方案論證階段，要首先對基坑排水情況進行試驗并記錄數據，再將經核算后的成果進行論證。降水井的設計方面，采用直徑0.295m降水井設備，單位降水能力為5000m3/d。依據工程規模需求，至少需要同時布置12口降水井才能滿足布井需求，但受到基坑尺寸限制，無法滿足工程降水井布置要求。費用方面，據工程造價部門計算，該基坑每日降水量打到60000m3以上，按6個月的工期計算，該項目共需要電費330.85萬元。

水下開挖施工使用兩級開挖法，首先對第一級已封底的基坑進行降水，然后在第二級基坑采用水下開挖。具體流程如下：①第一級基坑開挖，加固基底和地墻并進行降水操作；②向基坑內注水使其超過坑外地下水位1m以上，開挖至二級基底；③進行水下混凝土澆筑并封底；④對基坑進行清理并鑿除殘留的砂質和泥漿，同時對項目穩定性進行檢驗，在風井內進行風道和緊急通道建設[7]。

5 水下開挖法在市政工程深基坑施工中的應用情況

5.1 水下開挖工藝

在A市風井工程中，水下開挖法使用的是高壓旋噴機具作為開鑿設備，使用的是三翼鉆頭進行施工。在開挖時先在旋噴器上安裝三翼鉆頭，旋噴機在工作時會對土體施加高壓水流，再配合三翼鉆頭的攪動，會產生對土體的切割和粉碎作用，可將黏土轉化為質地均勻的泥漿。隨后聯動低壓旋噴器和高壓水泵，保持下沉幅度和旋轉進度的同步，最后待工用黏土全部打碎為泥漿后，將潛水渣漿崩放在旋噴設備一側進行排漿。開挖的過程要嚴格按照設計順序進行，并且速度要控制在1.2-1.5m/d，開挖的過程中基坑內的水位要始終保持高于地下水位1.5m。所有參與水下基坑開挖的設備相對深度高差不應超過1.2m，才能保持開挖面的平整均勻，保障風井質量。

5.2 深基坑養護與抗浮底板設計

施工過程中降水和地下水環境的變化可能導致坑內積水，此時坑底的水壓高出承載負荷，在封底和接縫處容易出現滲水問題，可能造成安全隱患，因此有必要在接縫處或圍護墻外增設抗剪槽來分擔水平壓力。其具體設計方案見圖1。除抗浮底板外，施工部門還應當重視對基坑的清理，在澆筑后殘存的泥漿和雜質會破壞土層均勻性和平整度，應當由專業的水下清理人員攜帶高壓水槍或刷壁器對基坑護壁和底層進行清除，保障封底與地下連續墻的承接度，提升建筑穩定性。

圖1 抗剪槽設計示意圖

5.3 混凝土澆筑

混凝土澆筑時基坑開挖的后續步驟，如果市政工程項目選擇了水下開挖工藝，則混凝土澆筑的流程也要隨之發生改動。水下混凝土澆筑需要使用導管將已經攪拌完成的混凝土輸送到基坑內提前設計好的位置進行澆筑，在業內也被稱為“滿堂紅”。一般情況下水下混凝土澆筑使用的導管為專門生產的內徑25cm，外徑35cm的無縫鋼管，導管的鋪設間距保持在4-5m，澆筑的過程要反復控制導管的位置，并且對澆筑情況進行測量。首次澆筑之前要對每根導管的灌注量進行計算，按照由外向內的順序進行澆筑；導管的位置調動嚴格依據事先計算好的標高進行處理，要保證定位的準確以及導管升降幅度的協同性。中間要對每次澆筑的混凝土材料用量以及導管位置進行記錄和測量，并在下一次澆筑時進行調整，保障水下混凝土澆筑的質量。最后，要對已經基本成型的澆筑面進行補救，使澆筑面保持平整、無裂痕。使用水下開挖法對混凝土澆筑的工藝要求很高，施工時要把握技術流程和要點，提升應用質量。

6 結論

水下開挖法適用于臨近地表水系和基坑地帶含透水地層的深基坑工程，在施工過程中要嚴格依照正確的施工工藝和作業流程進行施工，做好水下開挖施工設計，混凝土澆筑和基坑地層的養護，秉承“自平衡”理念進行深入研究，加強大面積、超深基坑的應用調研，更好地推動市政工程基礎設施建設發展。望本文研究內容得到相關技術部門和施工企業的重視，在深基坑項目建設過程中做好實地考察，結合企業技術條件和施工現場情況，對方案進行反復的論證和調研，訂制出適合施工環境的技術方案，保障市政工程深基坑施工可控性與可行性。