深基坑施工中水下开挖探讨

王佛保

（中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都 610066）

深基坑作业本身存在较大风险，水中深基坑开挖则风险更高，从技术层面分析，目前有两种水中深基坑开挖方式，即利用围堰隔离排水后开挖和利用专门机械设备直接在水中作业。利用围堰隔离排水后开挖技术简单，但成本高；利用专门机械设备直接在水中作业技术含量高，但成本低。部分开挖过程中还涉及爆破工作，安全风险大，因此基于具体项目重点分析深基坑施工水下开挖的技术方法具有重要的现实意义。

1 工程概况

某水利工程的取水首部包括进口引渠、取水建筑等，引渠后布置取水首部，取水首部为钢筋混凝土结构。

断面尺寸为25.00 m×9.30 m×36.04 m，闸首设置拦污栅，两道工作闸门，建筑物后接有压引水隧洞。引渠开挖包含引渠和岩坎两个部分的开挖，坎顶高程110 m，引渠底面宽度10.06 m，两侧的坡比1∶0.5，开挖深度12.6 m。

项目现场地质情况：岩坎的挡水坡面为自然坡面，坡度40°，岩坎背水面为人工构筑边坡，坡度70°，临空条件较好，岩坎岩性为混合花岗岩，中硬～坚硬，节理较发育，结构面倾角44°～51°，弱透水。引渠侧岩为混合花岗岩。

项目机具设备包括CM351潜孔钻、KSZ-100潜孔钻、手风钻、柴油空压机供风、供风管路利用橡胶软管。施工用电为10 kV电源，照明方面专门制作专用灯塔，塔上安装2～3个2 000 W可调整投光灯。

基坑内部渗水由15 kW水泵抽排。

2 深基坑水下开挖思考

一般情况下，深基坑开挖中主要采取以抗为主的思路，即采取止水帷幕等方法将水排开，利用帷幕进行边坡防护，形成自平衡特性，解决施工中的风险。深基坑施工中的风险客观存在，不能被完全消除，但可以将风险控制在合理范围内[1]。水下开挖方法在深基坑中的应用通常需要考虑施工位置靠近江河湖海，使用明挖法的深基坑，基坑开挖深度应在30 m左右，面积在1 000 m2以内，透水层与地表水之间存在高度关联性。

3 基于项目的深基坑水下开挖方法

实际工程项目取水首部预留岩坎需要分两次开挖，先开挖引渠部分，安装闸门，开挖预留岩坎部分。预留岩坎底面宽为26.7 m，顶面宽度为4 m，边坡设计开挖坡比为1∶0.5。强风化层挖除以后，结构面内部以混合花岗岩为主，经过验算，预留岩坎的抗倾斜稳定安全系数为38.96，满足抗倾覆稳定的要求。

抗倾覆计算：

式中：Ko——抗倾稳定安全系数；∑My——作用于墙体的荷载对墙前趾产生的稳定力矩；∑Mo——作用于墙体的荷载对墙前趾产生的倾覆力矩。

倾覆力矩计算：

式中：G——岩体自重；L1——稳定力力臂；γo——水容重；h——水头高程；L2——倾覆力力臂。

代入数据，∑My=13 744.64，∑Mo=352.8，Ko=38.96。

Ko>1.3，满足抗倾覆稳定安全要求。

岩坎岩性体现为混合花岗岩，上部存在强风化层，厚度大约4.0 m，卸荷裂隙发育，强度较低，下部弱风化层，质地坚硬，抗压强度在40 MPa以上，结构面倾角44°～51°，基于上述条件边坡的稳定安全系数为1.968，满足要求。

采取分区分层分块开挖的方法，引渠部分分层分块，年平均汛期前水位以下部分为A区；汛期前水位以上、汛期水位以下部分则作为B区，其余部分为C区。

B、C两区采取爆破方法开挖，A区水下部分分成四块，采用水下爆破的方法，A区与B区交叉部分则先B区明挖爆破后，再爆破A区部分。

根据相关标准和技术规范中水下爆破章节的要求，水下出渣采取长臂反铲出渣，爆破渣体的粒径要求为400 mm以下在40%以上，400～600 mm的在20%～45%，600 mm以上则在15%以下，由此单耗约0.6～1.2 kg/m3。由于岩性较好，水下爆破炸药单耗约1.0 kg/m3。

水下部分主爆区基岩布置竖直孔，为了方便施工采用矩形布孔，垂直钻孔且孔径为115 mm，装药直径90 mm。孔距要求1.5～2.9 m，最小抵抗线1～2.5 m，排距1～2.5 m。

孔深按爆破孔位置至开挖底部高度确定，为了保证水下不留根底，钻孔需要超深，取值范围1.5～2.0 m。水下爆破出渣部位基本位于水面之下，只能水面出渣，难度较大，为了保障出渣效率，应当尽可能降低大块渣概率，炸药单耗取1.0 kg/m3。竖直孔堵塞长度1.4～3.0 m。

采取孔外微差法，最大段起爆药量45.6 kg，间隔50 ms。预裂孔孔径设计为90 mm，装药70 mm，按照设计要求坡比进行钻孔，预裂孔装药密度，按照相似工程取0.4 kg/m，孔距1 m，孔深15.5 m，堵塞长度1.0～1.5 m，单孔最大装药4.02 kg，导爆索连接起爆。

钻孔爆破的每孔装药量可按体积公式计算：

式中：Q——炮孔计算装药量（kg）；q——水下钻爆单耗值（kg/m3），拟选1.0 kg/m3；a——孔距（m）；b——排距（m）；H——设计开挖深度（m），13.5 m。

根据各部位最大允许起爆药量要求，爆破时采用孔间、排间微差的方式进行，以毫秒级时差顺序起爆药包，爆破总炸药能量被分割成多数较小能力，在合理装药结构下，每个药包可创造多个临空面，以达到最佳的爆破效果。为了确保爆破质量和安全性，预先根据设计要求进行爆破试验，试验场选择距离主体建筑物50 m以外的安全试验场地，利用出渣船搭建临时钻孔平台，按中风压冲击成空方法钻孔，试验孔深13.5 m，按照安全操作规程要求起爆。

施工开挖中最先开挖C区，C区岩性主要是强风化花岗岩和弱风化花岗岩，开挖时先反铲挖除表面松动岩块，对强度高的岩体采用松动爆破。及时运走爆破后的破碎岩块，进入B区开挖。

B区岩性主要为弱风化花岗岩，强度较高，分层厚度为7.7 m，采取垂直深孔爆破，周边预裂爆破，一次爆破成型。爆破后作业船利用长臂反铲将水中的石渣铲走，转至出渣码头由自卸货车运至弃渣场堆放。

A区情况相对复杂，四个区块中近水面区域为强风化花岗岩，后续部分为弱风化花岗岩，开挖方法为水下爆破和周边预裂爆破。水下钻孔用潜孔钻机钻孔，钻孔前需要在钻孔位置竖直安装130 mm直径的套管，钻具通过套管下至钻孔位置钻孔，孔内使用内径为100 mm的高强度PVC套管，用以保护爆破孔，爆破后由作业船长臂反铲运走岩渣。

引渠检修竖井闸门等工作闸门安装调试完成后下闸，周边建筑物等均采取防护后，进行岩坎开挖施工。根据地质勘察报告，岩坎分层中第一层、第二层均为弱风化花岗岩，采取明挖爆破，且主爆孔超深（控制在1.5～2.0 m），超深至临水面依次降低，爆破后迫使下一层开始时临空面倾向水库，周边则用预裂爆破。第三层为水上部分，弱风化花岗岩，水上钻孔，水下爆破出渣，利用水上钻孔平台钻孔。

根据各部位最大允许起爆药量要求，爆破时采用孔间、排间微差的方式进行，即以毫秒级时差顺序起爆各个药包，把爆破的总炸药能量分割为多数较小的能量，采取合理的装药结构，最佳的微差间隔时间和起爆顺序，为每个药包创造多个临空面，以达到最佳爆破效果，将爆破振动控制在允许值内。本工程的孔间微差为110 ms，排间微差为25、50 ms，预裂爆破时预裂孔超前主爆孔110 ms起爆预裂。

利用工程前期混凝土浇筑形成的脚手架制作防护网，预防爆破飞石，岩坎开挖前设置一条减震沟，闸门前布置三组气泡帷幕。

由于第三层以后的岩坎爆破是在静水中进行，因此为了防止爆破后水压倾泻冲击闸门及附属建筑物，需要在爆破前向基坑内注大约5 800 m3的水，以保证水头平衡。基坑边坡支护使用Φ25锚杆，梅花形布置且间距为2.0 m×2.0 m，挂钢筋网并喷射C25混凝土。上部设排水孔，用Φ50PVC管制作排水管，端头用土工布包裹。

4 水下开挖质量保证措施

（1）总工程师应组织技术人员进行图纸会审，确保设计参数准确、无误。

（2）做好所有参建人员安全、技术交底工作，通过全员严格遵守安全、技术规范，达到保证施工质量控制目标。

（3）建立质量检查监督机构，各小组均应制定质量管理目标，从人、机、料、法、环各个环节遵照执行与检查。

（4）施工准备阶段，施工管理机构与质量检查机构应根据工程施工的每一个工序，建立检管理要素清单，例如设备的机械性能、人员的经验能力验证、爆破材料的适用性、工序衔接管控，针对水上平台运行、钻孔、装药、爆破、排危、水下出渣、转运、卸料等各工序建立检查清单，确保水下开挖各工序质量得到保证。

（5）爆破钻孔应严格按爆破设计进行钻造，如遇特殊地质条件与设计不相符合的，应及时报告地质工程师、爆破设计师，根据现场实际地质围岩调整爆破参数，达到预想的爆破效果及安全控制。

（6）爆破专业人员应严格按照爆破设计进行装药和爆破网络连接，采用设计要求的填塞物封孔，爆破网络安装完成后应由专人负责检查连接后的网络参数，确保连接、装药无误后方可起爆。

5 结语

综上所述，深基坑施工涉及水下开挖，施工难度较大，技术上采取爆破技术可行，应采取合适的水下爆破技术，以确保开挖质量。本文对水下爆破开挖方法进行了简单分析，项目实践中也基于此方法取得了良好效果。