擾動形成的不良地質條件下基坑開挖方法研究

梁炳新，唐天麒，黃 暉

(1.廣西北海市湖海水利供水有限公司，廣西 北海 536006;2.廣西北海北投環保水務有限公司，廣西 北海 536006)

引言

穿越富水、淤泥等不良地質地段一直是國內外供水管道建設中的重要課題，也是供水管道防漏、防沉降、治災的突出問題所在。豐富的水源及淤泥會導致供水管道十分容易產生沉降而脫管，并且在開挖基坑時也會帶來諸多不便。若不能采取有效的施工方法，會導致項目建設工程工期延誤、施工質量下降、工程造價增加及不安全隱患因素增多等。近年來，隨著城市管網的不斷建設發展，國內外對不良地質條件下基礎開挖及支護方面取得了許多成果。不良地質條件方面，如林紅星[1]研究了特長鐵路隧道穿越不良地質段的綜合施工工藝，實現了環境敏感的西北富水地層的特長單一陡坡隧道的安全、環保施工。王定旺[2]研究了小斷面輸水隧洞開挖及襯砌和開挖中不良地質處理技術。許越[3]研究了鴻圖嶂特長公路隧道力學行為及不良地質段控制措施等問題?；娱_挖對臨近隧道及建筑物方面，劉重慶[4]通過數值模擬研究了深基坑變形特征及帶水開挖的施工方法。Marta[5]、倪茜[6]以及高廣運[7]等人利用數值模擬手段，主要研究因基坑開挖產生擾動而引起臨近接隧道體發生的形變規律、受力特性以及開挖時的加固和保護措施等進行了一系列的研究。由此可見，國內外學者對基坑開挖的研究大多數集中在研究其開挖時對臨邊隧道、鐵路及其他建筑物的影響，以及研究其穿越不良地質段隧道開挖施工工藝等相關方面；而對于城市供水工程穿越農田等含水含淤泥豐富不良地質條件下基坑開挖施工開挖方法卻少有提及。本文研究富水農田段供水工程基坑開挖施工方法為后期類似工程建設提供具有價值的參考意義。

1 工程概況

北海某原水供水管道改擴建工程在3#、4# 隧洞出口的連通井新增2 條輸水管道（5#、6#輸水管道），途徑環田、倉面垌、下沙路水、大井口、傘唐仔、坡尾、牛角江等村莊，輸水方式采用有壓重力式自流供水。新建管道擬采用兩根（DN1600、DN1400 各一根）預應力鋼筒混凝土管（PCCPE），單根管線長度約20.4 km，起止樁號設定為K0+000～K20+371。新建兩條管道設計引水流量Q=3.34 m3/s，最高日供水量達26.95 m3/d。根據《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范》（SL654-2014）[8]，本工程輸水管道合理使用年限為50 年；根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2017）[9]，輸水管道等主要建筑物級別為3 級，次要建筑物級別為4 級。該輸水管道跨度較長，經過的地質環境十分復雜，且需要穿越較多含水豐富、含大量淤泥的農田。所以，選擇合適的基坑開挖施工方法，是本工程建設是否能夠完成順利通水任務的重要一環。

2 不良地質條件下基坑的開挖方法

2.1 不良地質條件的界定

不良地質條件是指軟粘土地基承載力低，強度增長緩慢；加荷后易變形且不均勻；變形速率大且穩定時間長；具有滲透性小、觸變性及流變性大的特點[10]。本文不良地質條件界定：特指表層長期被水浸泡的農田，開挖極易滲水，開挖一定時間后基坑表面完全被水浸泡，在受機械多次來回擾動后地基承載力無法滿足設計要求而形成的泥漿地質。本文研究以北海某原水供水管道改擴建工程K7+080～K7+200 為試驗段，共計120 m，且滿足設定的不良地質條件要求，試驗段見圖1。

2.2 連續開挖方式

連續開挖方式，即開挖較長距離后再進行安裝管道的方式。本文的連續開挖方式，是指將試驗段一次性開挖完成，實際每天可開挖基坑30 m，開挖完成后一次性安裝管道，開挖樁號為C。開挖時從小樁號向大樁號方向進行開挖。據實際統計，全部開挖完成后每天可安裝管道（雙管共溝）24 m。其他按設計要求，開挖基坑深約3 m，寬5 m，放坡按1:1 進行。開挖時因基坑大量滲水，基坑表面容易被水完全浸泡，且經過挖機的多次來回擾動后，形成地基承載力無法滿足設計要求的泥漿地質，見圖2。此時需用片石換填使其地基承載力滿足設計要求后才能進行管道安裝，否則將會因承載力不足發生沉降，從而形成脫管滲水現象。

2.3 分段開挖方式

分段開挖方式，即采用邊開挖邊安裝管道的方法，具體指在合適機位前提下保證前段開挖基坑滿足安裝管道條件。也就是先將基坑長度開挖7 m，所開挖基坑各項參數均滿足設計條件，同時進行管道安裝。據實際統計每天可完成18 m管道安裝（雙管共溝）任務。

3 不同開挖方式結果對比

3.1 片石換填實際用量的確定

設定連續開挖試驗段片石換填平均高度為0.4 m，理論上所需換填片石量為：

式中：T 為所需片石量（m3），S 為試驗段基坑底面積（m2），H 為換填片石高度(m)，α 為片石換填修正系數。α=1 時，計算得到理論需要換填片石方量為:

實際情況下，實際量比理論量要小，經過現場分段統計得到實際片石換填修正系數α 見表1。

表1 片石換填實際修正系數α

由表1 與圖3 可知，在試驗段范圍內，實際片石換填修正系數α 與先后開挖存在著正相關關系，且近似于線性相關，擬合后相關系數R2=0.983 2。隨著試驗段基坑的不斷開挖，由于該位置極其容易滲水，外加上機械的不斷擾動，該試驗段片石換填修正系數隨先后開挖而逐漸升高。將試驗段分為3 段，每段20 m，其平均修正系數α 從0.883 上升到0.958，上升幅度達8.49%。同時，得到實際需要片石換填修正系數α 與先后開挖擬合曲線為：

式中，X 為1、2、3 段，每段20 m，具體樁號如圖3 所示。試驗段實際換填片石用量為：

由此可知，在片石換填修正系數下，實際換填片石用量比理論用量少8.23%，主要原因是換填時片石間存在大量的空隙，而無法完全使用片石將其填滿。

3.2 施工進度對比

擬定上述兩種開挖方式使用的人員、材料、機械均相同，不考慮泥土倒運及其他管理費用，分別統計實際開挖到管道安裝完成不同開挖方式下具體用工時間見表2、表3。

表2 連續開挖方式用工時間表

表3 分段開挖方式用工時間表

設定用工工期為1 臺班=1 天，連續開挖方式開挖基礎時挖機在各工序中不能同時使用，分段開挖方式中能夠滿足同一天使用條件。根據表2、表3 得到試驗段不同開挖方式下用工時間對比結果，見圖4 所示。由圖4 知道，連續開挖方式比分段開挖方式中安裝作業人員及吊車使用用工時間均少1 d，而挖機使用用工時間則多2 d；此外，在選取的試驗段里，前者總用工時間比后者多2 d。采取分段開挖方式，施工進度更快，工期更短。

3.3 經濟效益對比

為了進一步確定不同開挖方式下各自的經濟效益性，根據調查統計可得到當地市場人、材、機費用市場均價見表4。

表4 人、材、機當地市場均價

根據表4 結合圖4，得到試驗段不同開挖方式下經濟效益對比結果，見圖5。

由圖5 可以知道，試驗段中分段開挖方式不存在片石換填費用，其人工費、吊車使用費均比連續開挖方式多；其中，人工費多0.125 萬元、吊車使用費多0.28 萬元，挖機使用費少0.155 萬元。此外，前者總費用比后者總費用少40.27%。最主要原因是，連續開挖方式未能及時安裝管道，因基坑大量滲水，使得已開挖基坑被水完全浸泡，并在機械多次來回走動下因為擾動造成不良淤泥土質，從而不得不回填片石以滿足設計承載力要求，后者多花的費用主要是需要進行基坑基礎換填導致的。

4 結論

選取北海市某原水供水管道改擴建工程項目中K7+080～K7+200 為本文的試驗段，該段四周環田極易滲水，在機械擾動作用下地基承載力無法滿足設計要求且容易形成的泥漿的不良土質。先將其分為兩個部分，各60 m，再分別采用連續開挖方法及分段開挖方法進行基坑開挖并安裝供水管道施工，得到以下主要結論：（1） 在選取的試驗段里，連續開挖總用工時間比分段開挖多2 d，即在相同地質、相同人員、相同使用機械的情況下，分段開挖方式施工進度更快，更加節省工期。（2） 與連續開挖方式相比，分段開挖方式因邊開挖邊管道安裝特點，機械在基坑上來回走到次數少（可忽略不計），造成擾動較小，所以開挖的基礎不需要進行換填處理。（3） 連續開挖方式總費用比分段式開挖方式總費用多40.27%，即在設定四周環田極易滲水、在機械擾動作用容易形成泥漿的不良地質環境下，使用分段開挖方式更為經濟，更加節約成本。