河道治理項目節制閘深基坑開挖施工技術

賈玉霞

（河北省水利工程局集團有限公司，石家莊 050000）

1 工程概況

本項目建設地點位于河北省大清河南支流上，建設主要內容為河道治理，其中節制閘主要建筑物包括上游鋪蓋、閘室段、交通橋段及下游連通渠段等。地面高程約10.0m，根據施工圖紙開挖至高程-2.1m，基坑開挖最大深度約12.10m，開挖邊坡1∶1，基坑開挖深度超過5m，屬于超過一定規模的危險性較大工程。基坑安全設計等級為二級，設計使用年限為8 個月。主要工程量：土方開挖38792m3，土方回填13431m3，水泥土換填（10%）6261m3。

1.1.2 氣象條件

本工程區域屬于溫帶大陸性半干旱季風氣候， 四季分明，春旱多風，夏熱多雨，秋涼氣爽，冬寒少雪。 降水量年際變化大，年內分配不均，主要集中在6—9月，占年降水量的80%，平均年降水量為522.9mm。

1.1.3 水文條件

河道常年無水，河道干涸，局部河段見水坑。工程區地下水埋藏較深，埋深為21.0m，水位高程為-10m以下。地下水為第四系孔隙潛水，主要賦存于砂土和黏性土孔隙中。 節制閘最大開挖深度至高程-2.1m，因此不需要采取降水措施。

1.1.4 地質條件

節制閘開挖深度范圍內的土層主要為第四系全新統沖洪積層（Q4alp）及第四系全新統沖湖積層（Q4all）。其主要土質類型有重、中、輕粉質壤土，粉質黏土，中粗砂，粉砂層。

根據巖土工程勘察報告， 本工程地質土層自上而下分為15層：第一層，灰黃色、黃褐色，稍濕，可塑狀的重粉質壤土，具中等壓縮性，以微極～微透水性為主。分布穩定連續，厚度為0.5～1.3m。第二層：灰黃色，稍濕，可塑狀的中粉質壤土，微透水性。分布穩定連續，厚度為1.0～1.3m。 第三層，黃褐色～灰褐色，稍濕～濕，可塑狀粉質黏土。 具中等壓縮性，微透水性。分布穩定連續，厚度為0.7～0.8m。 第四層，黃褐色，濕，可塑狀重粉質壤土，具中等壓縮性，微透水，分布連續，厚度為3.7～3.8m，局部夾中粉質壤土夾層，第四系全新統沖湖積層（Q4all）。 第五層，灰褐色，濕，可塑狀粉質黏土， 局部見白色貝殼碎屑。 具中等壓縮性，微透水性。分布穩定連續，厚度為0.7～1.0m。第六層，黃褐色，濕，可塑狀中粉質壤土。 具中等壓縮性，微透水性。分布穩定連續，厚度為2.0～2.2m。第七層，黃褐色，濕，可塑狀，重粉質壤土。 中等壓縮性，以極微～微透水性為主。分布穩定連續，厚度為1.0～1.7m。第八層，淺黃色，濕，可塑狀輕粉質壤土，具中等壓縮性，以弱～微透水性為主。分布穩定連續，厚度為1.0～1.3m。 第九層，黃褐色，濕，可塑狀重粉質壤土。 具中等壓縮性，以微透水性為主。 分布穩定連續，厚度為0.8～1.2m。 第十層，黃褐色，濕，可塑狀中粉質壤土。具中等壓縮性，以微透水性為主。 分布穩定連續，厚度為1.5～2.0m。第十一層，淺黃色，濕，可塑狀輕粉質壤土。 具中等壓縮性，以微透水性為主。 分布穩定連續，厚度為0.5～1.0m。 第十二層，黃褐色，濕，可塑狀重粉質壤土。 具中等壓縮性，以極微透水性為主。 分布穩定連續，厚度為1.3～1.5m。 第十三層，黃褐色，濕，可塑狀中粉質壤土。 具中等壓縮性，以微透水性為主，分布穩定連續，厚度為1.8～3.0m。 第十四層，淺黃色，濕～飽和，密實，質均粉砂。以微透水性為主。分布穩定連續，厚度為1.3～2.0m。 第十五層，灰黃色，飽和，密實，質均中粗砂。 以弱透水性為主。 分布連續，局部夾中壤土及粉砂夾層， 厚度1.5～2.5m。 地下水情況以微透水性為主。

2 技術參數計算及驗算

2.1 開挖邊坡穩定性驗算

為了驗算基坑開挖邊坡的穩定性， 在開挖邊坡坡比固定的情況下， 首先選取連續邊坡最高的斷面進行驗算。在未進行任何支護措施時，兩輛重車并排通過坡頂施工道路，若在此工況下，邊坡穩定安全系數滿足要求， 則說明基坑開挖邊坡穩定性能夠滿足安全要求，如圖1。

圖1 最危險開挖斷面及工況

2.2 計算參數選取

經過查閱相關地質勘察資料， 在基坑開挖范圍內的土層主要為第四系全新統沖洪積層（Q4alp）及第四系全新統沖湖積層（Q4all）。 其主要土質類型有重、中、輕粉質壤土、粉質黏土。

為了簡化計算， 將粉土和粉質黏土按土層厚度進行加權平均，計算參數如表1。

表1 挖方邊坡最大允許高度計算參數

2.3 挖方安全邊坡計算

邊坡安全穩定性計算如圖2，θ=45＞φ=21.1°，為陡坡。

圖2 邊坡安全穩定性計算示意圖

當土體處于極限平衡狀態時， 挖方邊坡的允許最大高度可按式（1）計算：

式中 γ為土的重度（kN/m3）；θ為邊坡的坡度角（°）；φ為內摩擦角（ °）；c為土黏聚力（kN/m2）；土坡允許最大高度為41.914m。

2.4 汽車荷載當量換算

將車輛荷載換算成土柱高（當量高度），車輛按最不利情況排列，即兩輛車并排通過環基坑道路。換算公式如式（2）：

式中 h0為當量土柱高度；N為橫向分布的車輛數，雙車道取2；Q為每一輛車的重量， 標準車輛荷載為550kN；B為橫向分布車輛輪胎最外緣之間總距，取5.5m；L為汽車前后軸的總距，按JTG B01—2003《公路工程技術標準》規定，標準車輛取12.8m；γ為路基土的容重，取18.3kN/m3。

則h0=2×550/（5.5×12.8×18.3）=0.85m

2.5 驗算結論

閘室段開挖深度為12.1m，汽車荷載換算土柱高0.85m， 經驗算土坡允許最大高度為41.914m， 大于12.95m，滿足要求。

3 施工程序方法

3.1 基坑周邊擋水埝技術參數

為防止基坑周邊區域的雨水流入基坑， 擬環基坑開口線外側0.5m處設一道頂寬不小于70cm， 高不小于50cm的擋水埝，坡度比1∶1，四周環形布設，保證外部水不流入基坑，擋水埝橫斷面如圖3。

圖3 擋水埝橫斷面

3.2 基坑底部排水技術參數

根據水文資料，施工區內地下水位較低，地下水位高程為-10.8m，節制閘最大開挖深度至高程-2.1m，因此不需要采取降水措施。基坑開挖時段處于雨季，基坑采用明溝加集水井排水的方法， 對基坑底部臨時積水進行抽排，保證干場作業。

明溝寬度0.5m， 深度0.5m， 集水井設在邊角部位， 集水井約1m×1m×1m。 集水井內放置污水泵，將雨水抽排至基坑外集水坑內。

3.3 土方開挖技術參數

基坑開挖施工區地面高程10.0m 左右， 最深開挖高程為-2.1m，則基坑最大開挖深度為12.1m。 基坑開挖邊坡坡比為1∶1， 于高程5.9m處設一級馬道，馬道寬度為2.0m。

基坑開挖施工時，先進行表土清理，清理范圍超出基坑開口線3m，清理厚30cm。 土方開挖總體遵循分層開挖、嚴禁超挖的原則，分層厚度不大于3m。

為保證邊坡穩定，在每層開挖過程中，嚴格按設計要求進行開挖。 同時，要加強對邊坡的安全監測，若發現邊坡變形達到報警值，應及時啟動應急預案。

3.4 土方開挖

3.4.1 施工程序

土方工程工序關系如圖4。

圖4 基坑開挖流程關系

3.4.2 基坑土方開挖施工

根據施工圖紙進行施工放樣， 并將開挖邊線放樣上報， 經批準后進行表土清理開挖， 清理厚度30cm，清表后的地面保持平整。 清理表土集中堆放，采用推土機清理， 裝載機裝自卸汽車將表土轉運至臨時貯存料場，作為后期綠化回填用土。

開挖自上而下分層分段依次進行， 分層厚度不大于3m。采用挖掘機開挖裝自卸汽車運輸，機械開挖至基底高程以上預留不小于30cm厚保護層， 由人工配合機械挖除保護層，不擾動基面原狀土。

節制閘處原狀地面高程約10.0m， 基坑最深處高程為-2.1m，開挖深度12.1m。 基坑開挖分三步進行，第一步開挖至▽5.9m，開挖坡比1∶1，開挖完成后設一級馬道，寬度2m，進行基坑底部第二、三步開挖；第二、三步進行橋閘段基坑開挖，橋閘段基坑開挖至▽-2.1m，開挖坡比1∶1。

為保證車輛運輸中不對上游鋪蓋基面 （高程4.8m）造成剪切破壞，除橋閘基坑外，其他部位暫開挖至▽5.9m，設置寬度不小于5m臨時運輸道路，待該部位施工時另行挖除。

基坑開挖完成后立即進行水泥土換填施工，水泥土換填施工完成后進行排水明溝和集水井的布設施工。

開挖過程中，嚴格控制開挖高程，專人在現場進行控制，特別是建筑物基底的開挖，為防止超挖和保持基坑邊坡坡度正確，不擾動基面原狀土，機械開挖至接近設計高程時， 在基底高程以上預留不小于30cm厚保護層，由人工配合機械挖除保護層。基坑頂部邊緣，禁止堆載，禁止過重車。

基礎開挖完成組織相關人員進行聯合驗收，經驗收合格后進行下一步工作。

3.4.3 基坑土方開挖平面圖和斷面圖

基坑土方開挖平面圖如圖5。

圖5 基坑土方開挖平面圖

基坑土方開挖斷面如圖6。

圖6 基坑土方開挖斷面圖

3.4.4 土方運輸

開挖區土方通過場內道路運輸至堤防回填面用于防洪堤或生態堤土方回填， 引渠土方開挖用于節制閘土方回填。施工坡道與場內運輸道路連接，將開挖土方運至回填區，場區內不設堆土場。

4 安全監測監控

在基坑開挖及坑內結構物施工中， 對基坑的開挖邊坡進行監測。通過監測，可時刻掌握基坑邊坡穩定動態，可有效判定基坑的穩定性，為安全施工提供保障。

4.1 觀測方法

基坑周邊地面的位移觀測采用全站儀極坐標法直接測量觀測點位移量， 沉降觀測采用往返閉合觀測法，測量人員做好記錄。

4.2 裂縫監測

在基坑開挖及坑內施工過程中， 觀察基坑邊坡開裂情況，并對變化較快的裂縫進行監測，監測的內容包括裂縫的位置、走向、長度、寬度、深度及變化程度。 當裂縫寬度超過30mm時，及時通知坑內人員撤出坑外，并對邊坡進行加固處理。

4.3 水平位移監測及垂直位移監測

為保證觀測數據的準確性， 至少要有3個穩定、可靠的變形監測基準點。 基準點選在相對穩定和使用方便的位置。監測期間，定期檢查工作基點和基準點的穩定性。

沿基坑閘室及交通橋開挖邊坡各設一個監測斷面，每個斷面設4個觀測點，坡頂及馬道處坡頂各設1個，點位布置如圖7。

圖7 監測斷面點位布置

4.4 觀測頻率

在基坑開挖深度大于5m時，1次/d， 雨天2次/d。基坑開挖完成7d后，若監測數據無異常，則3d觀測1次。基坑開挖完成15d后，若監測數據無異常，則每周觀測1次，直至坑內工程施工結束。 遇到特殊情況加密觀測次數，當有事故征兆時，應連續監測。 遇到特殊情況是指當變形超過有關標準（如報警值等）或監測結果變化速率較大時。

4.5 監測報警

當地面最大沉降量和基坑邊坡水平位移的累計值或變化速率達到表中報警值時， 立即停工，基坑內所有人員均撤離至安全區域，并啟動安全應急預案。 在險情排除完畢并確認安全后方可繼續施工。 各監測項目界限報警值如表1。

表1 各監測項目界限報警值

5 結語

建筑物基坑開挖的關鍵工作是技術參數的選擇計算及邊坡穩定驗算， 本文結合工程實際、 地質情況、結構特點等，進行了施工技術參數的計算，選擇了合適的技術參數，并對邊坡安全穩定進行了驗算，尤其對于在未進行任何支護措施時， 模擬最不利的兩輛重車并排通過坡頂施工道路工況， 通過對汽車荷載當量的換算，得出土坡的允許最大高度，為后續基坑順利開挖提供了技術支撐。