水下开挖法在市政工程深基坑施工中的应用

廖维刚

（四川路通路桥科技股份有限公司，四川广汉618300）

1 引言

水下开挖法在沉管隧道工程和水工工程中应用较多，由于该类工程难度大且专业性较强，因此对施工工艺和技术要求都相对较高。另一方面，由于城市化水平的不断提升，市政工程的压力日益增加，作为城市发展和运作的动力，随着城市用地压力愈发紧张，市政工程开始重视对隧道和地下工程的开发，但由于部分地区地质环境较为复杂，特别实在超厚强透水地层进行施工建设时，传统的深基坑施工工艺难以有效保障工程质量，常规的开挖法存在安全隐患，且工程造价也令财政部门难以承受。目前，尽管水下开挖法在市政工程中的应用尚未普及，但随着深基坑工程数量不断提升，关于水下开挖法在市政建设中的应用必将成为新的发展趋势，通过研究水下开挖法在深基坑施工中的应用情况，能够积累理论与实践经验，对提升市政工程建设质量具有重要意义。

2 水下开挖法的适用条件

水下开挖法更多适用于水工工程和隧道工程中，近年来随着我国市政工程的建设环境日趋复杂，许多市政工程项目需要面临深基坑施工的情况，传统的开凿工艺受到技术限制，难以保障工程项目的可靠性与施工质量，特别是在南方一些地下水环境相对复杂的城市市政工程建设中，经常面临着高水位深基坑或基坑地质环境存在透水地层的情况，进而对施工工艺提出了改进和创新要求[1]。水下开挖法在深基坑工程中的应用是近年来用于解决市政工程技术难题的解决方案，要研究其应用情况，首先要对水下开挖法的适用条件有正确的认识[2]。

一般情况下，水下开挖法的应用需要市政工程项目具备以下几个基本特征：①工程施工地区临近地表水系，地下水系发达或工程与地下水环境具有一定的联系；②工程基坑分布有超厚强透水地层，传统的竖直隔断手段难以保障工程项目的正常建设，地层渗透系数较高；③基坑深度超过30m以上，普通的深基坑施工工艺难以适用。传统的基坑施工工艺基本以隔断方式来解决水系问题或以支护手段来应对水平抗力，而水下开挖法本质上是以一种“自平衡”工艺来解决深基坑施工过程中面临的困难，能够在一定程度上提升市政工程的抗风险能力和可靠性，相比传统施工技术的工程造价也会显著降低。笔者建议，施工团队在考虑水下开挖法应用时，应当确保工程项目具备下述特征：首先，基坑深度大、面积可控，即开挖深度在30m以上，面积小于1000m2的工程；其次是工程要临近于江河水系；最后是施工地带地下水系发达，基坑与地下水或地表水系有一定联系[3]。

3 A市风井工程实例分析

3.1 工程概况

本文以南方某副省级城市隧道风井工程为例，阐述水下开挖法在市政工程深基坑施工中的应用情况。该市（以下简称A市）过江隧道临近长江沿岸，采用NS双线盾构法进行建设。该隧道N线长 4396m，S线长 5840m，隧道内径12.85m，盾构隧道外径13.78m。其中该隧道的N线穿过江心的R岛，市政规划人员计划在R岛上建立一座风井，作为人员疏散通道。其中风井平面设计为圆形，内外直径分别为27.5m和30.2m。底板埋深22.756m，基坑深度46.213m，属于超深基坑工程项目[4]。

3.2 施工方案及流程

由于江心水系环境复杂，施工场地土质条件基本为粉质黏土。下面为项目负责人设计的基坑施工方案：风井开挖深度46.213m，使用1.5m厚的地下连续墙作为围护结构。为保障风井结构稳定性及功能性，设计人员在基坑内设置了多道环梁层，顶冠梁截面为1.5m*2.5m，环梁截面1.3m*1.6m。该项目风井施工工序具体如下：①对江心隧道段进行清场，保持施工现场平整度，为大型开凿设备预留出空间，同时为避免河道水面上涨对施工造成影响，临时对江心岛设置围堰挡板；②先对基坑的旋喷桩进行加固，再进行围护连续梁和顶冠梁建设；③基坑开挖。基坑的开挖顺序设置为分层开挖，自上而下直到第三道环梁位置。在经过工程单位检验后确保基坑环梁强度达到质量标准以后，再向基坑内注水，使坑内水位超出地下水位1.5m以上。在注水过程中如出现异常情况，如水位不受控制等情况，应由项目经理及时叫停并回灌护臂液浆以保障基坑稳定。④开挖完成后对坑壁和基底进行清理，使内壁和坑底保持平整后进行混凝土浇筑对基坑进行封底，最后清理积水完成全部工作[4]。

4 F市站区间风井工程实例分析

4.1 工程概况

F市位于我国东南沿海地区，市政部门计划在市内某地铁站区建设一处风井工程，设计开凿深度约45m，长宽分别为26.8m和19.5m。F市所在地土层结构自下而上分别为卵石层、砂层、素填土和杂填土。临近区域地下水系复杂，相对水深约为3.6-5.8m，水位标高4.2m-8.5m，风井项目属于超深基坑工程，且水位互补关系明显。经工程组研讨决定，该站区间风井项目采用水下开挖法进行施工[5]。

4.2 施工设计方案

设计初期为降低风险，选择了减压排水法与悬挂围护相结合的处理方案，基坑尺寸为26.8m*19.5m，深度45m，围护墙厚度1.5m。地下连续墙的施工需要进行槽壁加固，封底采用三翼高压旋喷设备，直径850mm，桩心间距650mm，使用降水井进行排水减压。在方案论证阶段，要首先对基坑排水情况进行试验并记录数据，再将经核算后的成果进行论证。降水井的设计方面，采用直径0.295m降水井设备，单位降水能力为5000m3/d。依据工程规模需求，至少需要同时布置12口降水井才能满足布井需求，但受到基坑尺寸限制，无法满足工程降水井布置要求。费用方面，据工程造价部门计算，该基坑每日降水量打到60000m3以上，按6个月的工期计算，该项目共需要电费330.85万元。

水下开挖施工使用两级开挖法，首先对第一级已封底的基坑进行降水，然后在第二级基坑采用水下开挖。具体流程如下：①第一级基坑开挖，加固基底和地墙并进行降水操作；②向基坑内注水使其超过坑外地下水位1m以上，开挖至二级基底；③进行水下混凝土浇筑并封底；④对基坑进行清理并凿除残留的砂质和泥浆，同时对项目稳定性进行检验，在风井内进行风道和紧急通道建设[7]。

5 水下开挖法在市政工程深基坑施工中的应用情况

5.1 水下开挖工艺

在A市风井工程中，水下开挖法使用的是高压旋喷机具作为开凿设备，使用的是三翼钻头进行施工。在开挖时先在旋喷器上安装三翼钻头，旋喷机在工作时会对土体施加高压水流，再配合三翼钻头的搅动，会产生对土体的切割和粉碎作用，可将黏土转化为质地均匀的泥浆。随后联动低压旋喷器和高压水泵，保持下沉幅度和旋转进度的同步，最后待工用黏土全部打碎为泥浆后，将潜水渣浆崩放在旋喷设备一侧进行排浆。开挖的过程要严格按照设计顺序进行，并且速度要控制在1.2-1.5m/d，开挖的过程中基坑内的水位要始终保持高于地下水位1.5m。所有参与水下基坑开挖的设备相对深度高差不应超过1.2m，才能保持开挖面的平整均匀，保障风井质量。

5.2 深基坑养护与抗浮底板设计

施工过程中降水和地下水环境的变化可能导致坑内积水，此时坑底的水压高出承载负荷，在封底和接缝处容易出现渗水问题，可能造成安全隐患，因此有必要在接缝处或围护墙外增设抗剪槽来分担水平压力。其具体设计方案见图1。除抗浮底板外，施工部门还应当重视对基坑的清理，在浇筑后残存的泥浆和杂质会破坏土层均匀性和平整度，应当由专业的水下清理人员携带高压水枪或刷壁器对基坑护壁和底层进行清除，保障封底与地下连续墙的承接度，提升建筑稳定性。

图1 抗剪槽设计示意图

5.3 混凝土浇筑

混凝土浇筑时基坑开挖的后续步骤，如果市政工程项目选择了水下开挖工艺，则混凝土浇筑的流程也要随之发生改动。水下混凝土浇筑需要使用导管将已经搅拌完成的混凝土输送到基坑内提前设计好的位置进行浇筑，在业内也被称为“满堂红”。一般情况下水下混凝土浇筑使用的导管为专门生产的内径25cm，外径35cm的无缝钢管，导管的铺设间距保持在4-5m，浇筑的过程要反复控制导管的位置，并且对浇筑情况进行测量。首次浇筑之前要对每根导管的灌注量进行计算，按照由外向内的顺序进行浇筑；导管的位置调动严格依据事先计算好的标高进行处理，要保证定位的准确以及导管升降幅度的协同性。中间要对每次浇筑的混凝土材料用量以及导管位置进行记录和测量，并在下一次浇筑时进行调整，保障水下混凝土浇筑的质量。最后，要对已经基本成型的浇筑面进行补救，使浇筑面保持平整、无裂痕。使用水下开挖法对混凝土浇筑的工艺要求很高，施工时要把握技术流程和要点，提升应用质量。

6 结论

水下开挖法适用于临近地表水系和基坑地带含透水地层的深基坑工程，在施工过程中要严格依照正确的施工工艺和作业流程进行施工，做好水下开挖施工设计，混凝土浇筑和基坑地层的养护，秉承“自平衡”理念进行深入研究，加强大面积、超深基坑的应用调研，更好地推动市政工程基础设施建设发展。望本文研究内容得到相关技术部门和施工企业的重视，在深基坑项目建设过程中做好实地考察，结合企业技术条件和施工现场情况，对方案进行反复的论证和调研，订制出适合施工环境的技术方案，保障市政工程深基坑施工可控性与可行性。