泵站基坑開挖及支護施工技術要點淺析

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摘要：完善基礎設施是加快社會發展的必要條件，在大部分基礎設施建設過程中都需要開展基坑施工，因此，基坑開挖以及支護施工備受關注。隨著施工理念與技術革新，此類工程的施工水平也得到了大幅提升。本文著眼于泵站基坑施工，以優化深基坑技術應用為目標，對常見的泵站基坑開挖和支護施工的技術方法進行總結，然后結合實際案例簡述技術應用要點，以供借鑒。

關鍵詞：基坑開挖；基坑支護；泵站工程；技術要點

泵站是水利工程的重要組成部分,建設泵站必須開展基坑施工,而且后者質量將會直接影響泵站以及水利工程整體實用性。因此,科學選用施工技術,強調基坑開挖與支護可靠性成為工作重點。在此情況下,探究泵站基坑開挖以及支護技術要點,有利于總結經驗、優化方法,能為泵站基坑工程現場施工提供有力支持和指導。

1.常見的泵站基坑開挖支護技術類型

作為泵站工程中不可或缺的一部分,泵站基坑施工的可靠性將直接影響泵站工程整體效益。隨著泵站使用范圍擴大、工程數量增多,有關于泵站施工技術的研究也不斷豐富。實際作業環節,泵站基坑開挖以及支護技術種類極具多樣性,但在使用中卻不能隨意選用。從現實角度來看,泵站基坑開挖與支護技術選用必須從實際出發,否則極容易出現支護失效的情況,將會對施工人員的生命安全造成威脅[1]。為此,筆者對常見的泵站基坑開挖與支護技術的種類和實施要點加以總結,以便施工人員可以結合實際作出合理選擇。

1.1開挖技術要點

泵站基坑開挖主要依靠機械完成,施工時需要按照工程需求安全、快速地完成土方開挖。泵站屬于水利工程,所以此類工程的基坑開挖以明挖技術和邊坡開挖技術為主。1.1.1明挖技術。開挖泵站基坑前,設計人員需要先根據實際需求,選定阻水支護方案,從而避免地下水或土層位移引發安全風險。明挖技術具有簡單成熟、高效便捷的特點,是最具普遍性的一種基坑開挖方法。實際作業環節,基坑開挖人員需從地表開始向下開挖基坑,開挖深度應該與設計標高等同；而且,在開挖過程中,應該遵循“邊挖邊支”的原則,確保基坑穩定性和地下施工安全性。通常來說,基于明挖法開挖基坑,應先做好基坑排水再進行土方開挖；主要排水方法為設置排水溝、截水溝、擋水臺、排水井,打造排水管網[2]。為保證技術應用實效性,土方開挖環節施工人員應該按照分層、分段開挖支護的方式作業,實踐中必須嚴守施工順序、高度重視質量把控,嚴禁超挖。1.1.2放坡開挖。放坡開挖是一種具有較高安全性的基坑開挖方式,該方法在水利工程施工中十分常用。從本質上來看,放坡開挖就是在深基坑邊緣放出足夠邊坡,將直上直下的基坑開挖方式轉化為斜坡下挖,從而避免土壁倒塌的一種基坑開挖技術。通常來說,放坡開挖技術適用于土質條件惡劣的地區,在軟土、砂土等土層穩定性差的區域常采用此方法開挖基坑；而且,施工場地土層含水量高、基坑開挖深度超過3m或基坑周邊建筑數量多時也可選用此方法來提高施工安全性。需要注意的是,放坡開挖對周邊環境影響大且對空間開放性要求高。

1.2支護技術要點

結合實踐不難發現,泵站基坑施工中開挖與支護技術需要配套使用,而在支護環節既可以選擇單一技術也可通過技術合用達到復合支護體系。當前,最為常用的集中泵站基坑支護技術如下。1.2.1土釘墻支護技術。土釘墻的本質是一種土擋墻,施工時需要以粗鋼筋或角鋼為土釘加固天然土體從而極具穩定性的擋墻。作為一種復合土體,土釘墻最大的價值就是保證基坑穩定性,有效應用土釘墻不僅可以形成安全可靠的支護結構,使邊坡整體穩定性和超載承受力增加；更能減少基坑施工的成本支出、噪音振動以及放坡難度。采用土釘墻支護技術時,泵站基坑施工人員同樣需要采取分層分段“邊挖邊支”方式作業,施工順序如下：①基坑開挖；②邊坡處理；③鉆孔插筋；④注漿鋪網；⑤混凝土噴射；⑥混凝土養護。需要注意的是,應用土釘墻支護技術必須嚴格控制注漿水灰比（大多為1:3）,強調鋼筋網鋪設環節的網片固定間距誤差控制（不超過±30mm）；還必須保證均勻且自下而上地灌注混凝土,結合實際控制分層噴射厚度并保證養護質量。1.2.2土層錨桿支護技術。土層錨桿施工技術原理十分簡單,設計應用環節需要先做好基坑圍護結構設置,然后隨著基坑開挖深度增加不斷在土層內部進行錨桿施工。施工中,土層錨桿的兩端應分別與土層和基坑圍護結構相連,這樣可以切實保證支護土層的穩定性。對于泵站基坑施工人員來說,使用土層錨桿施工技術需做好錨桿鉆井,無論是基于沖擊式鉆機、旋轉式鉆機還是沖擊旋轉式鉆機都可有效成孔；將錨桿插入鉆孔前需做好防腐處理,錨桿插入時需要做好灌漿工作從而使錨桿與土層緊密結合；確保錨桿穩固后即可張拉錨桿,此時可基于千斤頂施工,完成張拉錨固以后開展二次灌漿[3]。1.2.3水泥土擋墻支護技術。泵站基坑施工中,基于水泥擋墻支護也十分普遍。這種擋墻也被稱為重力式水泥土擋墻,是基于天然土層與固化劑共同形成的復合體,其支護原理與土釘墻支護技術具有一定的相似性。實際作業環節,施工人員可基于高壓噴射注漿法實現原有土層與水泥漿混合,將原本的軟弱土體轉化為不易透水、穩定性強且致密性強的擋墻。當前,水泥擋土墻種類眾多,格柵形式最為常見；技術應用環節,可根據實際需求選擇是否在樁中添加型鋼。需要注意的是,基于水泥土擋墻支護技術的軟土基坑施工深度不可超過7m,若土層的初始抗剪強度低或土壤酸性強,則不適宜使用該方法。1.2.4地下連續墻支護技術。地下連續墻具有極強的擋土防滲作用,在土層含水量高的基坑施工中十分適用,所以這種基坑支護技術在泵站基坑工程中極為常見。從本質上來看,地下連續墻支護就是依托于泥漿護壁技術打造連續的地下墻體,使之發揮截水防滲以及擋土支護作用。通常來說,地下連續墻適用于深基坑施工,具有整體性、承載力強和靈活性、穩定性高的特點,而且施工擾動小、噪音少；不過,這種支護方式并不適用于軟黏土以及巖溶地區,而且施工過程中會產生大量廢土、廢漿[4]。實際作業環節,若采取地下連續墻支護技術施工,則需要按照如下步驟作業：①劃分墻段槽孔；②泥漿護壁；③機械鉆孔并插入接頭管；④混凝土灌注；⑤連接墻段。1.2.5排樁支護技術。顧名思義,排樁支護技術就是利用排樁形成支護結構從而達到支護效果的基坑支護技術。在實際應用環節,排樁的樁型并不固定,單體樁可通過多種形式排列,施工人員可按照實際需求設定排樁方案。旋噴樁、壓漿樁、灌注樁都是常見的樁型；單樁排列可按照咬合排列、交錯排列、分離排列、雙排樁等形式設計。從現實角度來看,排樁支護技術應用環節,需基于“支護樁+防滲帷幕+土層錨桿”打造系統支護結構,以便為深基坑施工提供穩定環境。實踐中,排樁支護施工必須重視單樁連接,只有保證連接可靠性才能發揮整體支護效果,常用的連接方式是設置樁頂環梁

2.泵站基坑工程項目概述

案例泵站為某市雨水泵站工程,主體屬于單層地下鋼筋混凝土結構。泵站的占地面積以及設計規模分別為3135m2和15.8m3/s。在案例泵站基坑施工環節,需開挖處面積為1352m2的圓形基坑,基坑9.25m深。基坑四周有空地,也有景觀河道以及車道,但無管線。從實際情況來看,泵站主體結構位于地下,這一鋼筋混凝土結構的參數如表1所示。施工現場30m深度范圍內的土層由人工填土層、淤泥質粘土層、粉質粘土層組合而成；場地內地下水含量豐富,粉土以及砂土層均為含水層,以孔隙潛水作為主要地下水。受到海水和降水影響,地下水位會隨著時間和溫度不斷變化。在本次施工前的地質勘探期間,地下水位相對穩定,其埋深和標高分別是1.6-2.5m和2.37-3.38m。受水文地質條件以及開挖深度影響,本次施工需采用深基坑支護技術,必須高度重視開挖與支護安全性。

3.泵站基坑開挖與支護技術要點

案例泵站基坑的水文地質條件較為特殊,經分析不難發現土壁穩定性相對較弱,所以在基坑開挖及支護環節必須選擇穩定性、支撐力強的支護形式。從現實角度來看,泵站基坑支護深受環境因素和主體工程因素影響,無論是水文地質條件、施工條件、周邊建筑物還是支護設計依據、技術特性還是工程目標,都會對現場施工產生深刻影響。為此,在本次泵站基坑開挖與支護方案選用環節,施工人員必須高度重視方案必選,強調因地制宜,做好可行性、安全性、適用性、便捷性、高效性、經濟性分析。

3.1方案比選

當前,可選用的泵站基坑施工類型極多。從基坑淺部開挖和支護方面來看,由于施工場地開闊性強、四周較為空曠且地勢平坦,所以極為適合開展放坡開挖。案例工程的基坑開挖深度為9.25m,在放坡開挖深度范圍之內,該方法既可以保證開挖支護質量又能提升施工便捷性和經濟性,所以該方法極為適用。在確定泵站基坑深部支護技術時,可從現有施工技術中選用單一技術或融合技術。在本次施工中,由于基坑深度較大所以水泥擋土墻技術并不適用（基坑深度不宜超過7m）；而且,施工現場以淤泥質土為主,難以鉆孔成孔所以同樣不適合適用土釘墻支護技術。相比之下,排樁支護技術以及地下連續墻支護技術與現場施工條件較為相符,但后者造價過高所以同樣不適用。從現實角度來看,排樁支護綜合性價比最高,所以施工階段可采用此方法作業。經過方案比選后擬定的泵站基坑開挖與支護方案如下：（1）淺部地層采用放坡開挖方式開挖支護；（2）深部地層采用排樁支護技術施工。此外,為解決施工現場地下水位高的問題,施工過程中基于降水井進行降水。

3.2基坑開挖

正如前文所言,案例泵站基坑所在地的施工條件極為適合放坡開挖,所以施工人員應先制定施工順序和標準而后有序開挖。為保證施工安全性,可先進行試開挖,基于這一操作可統計開挖速度,并對邊坡留置加以分析。實際作業環節,施工人員必須踐行分段分層開挖支護原則,嚴格執行“邊挖邊支”規定。放坡開挖時,可采用島式開挖方法作業,可按照先撐后挖順序施工,而且開挖后應及時回填。土方開挖階段,需確定各步驟的土方開挖深度以及開挖總量：（1）原土4.1m-大沽高程2.7m部分的整體卸土方量以及卸土深度為4389m3、1.4m；（2）下部土方開挖以及減載環節共需挖出16160m3土方,按9.25m的深度開挖。施工過程中,所有開挖土方都需運送至臨時搭建的棄土場。基坑內土方開挖時,需按照順序開挖。本次施工的基坑內土方開挖共分為五個步驟,自大沽4.1m開始施工,而后各階段的施工節點分別為大沽2.7m、大沽0.7m、大沽-1.55m、大沽-3.3m、大沽-6.55m。

3.3基坑支護本次施工選擇

以排樁支護方式實現深基坑支護,在實際作業環節將基于排樁構建復合支護體系。施工人員可利用工字鋼擋墻以及環梁與管樁合用,從而打造出極具穩定性的基坑支護體系[5]。為此,本次排樁支護的樁型主要分為管樁和工字鋼樁,為保證單樁有效連接將設置鋼筋混凝土環梁。實踐中,選用底面寬144mm、筋厚12.5mm、每米理論重量為73.878kg的40B工字鋼樁,其有效長度以及布設范圍分別為12m和4.25m（地下）。施工中,管樁與工字鋼樁相鄰,前者在后者內側,其有效長度以及樁頂深度分別為14m和5.9m（地下）。為提高內支撐效用,混凝土環梁位于管樁和工字鋼樁頂部。需要注意的是,本次深基坑支護環節的降水井位于基坑內部,以無砂大口管井形式存在,井徑、管徑以及深度分別為700mm、400mm、12m。為保證泵站基坑支護可靠性,施工人員需要在施工前做好水土荷載計算,并依托于彈性地基梁法、剛性支承連續梁法、空間彈性地基梁方法、力學簡化方法以及增量計算法實現支護結構內力分析。通過合理計算支護體系整體穩定性、工字鋼樁與管樁受力情況、環梁受力情況確保施工方案的可行性。為保證技術方案可靠性,施工人員還可以基于FLAC3D模擬基坑施工從而觀察支護效果,為方案調整以及實踐工作提供指導。在實際作業環節,當基坑開挖深度達到2.25m時,可采用自中心向出口的退挖方式作業；而后應按照一順一丁方式布設鋼板樁,降水井施工應與土方開挖穿插進行。需要注意的是,放坡開挖以及鋼板樁施工后的內卸土形狀應分別為島型和環狀溝；挖土底面為-3.3m時可進行墊層施工以及混凝土環梁施工。為避免發生機械應用引發的管樁損壞,在清樁（頂部20cm）時刻采用人工方式作業。

4.結束語

綜上所述,泵站基坑工程本身具有復雜性和綜合性特點,施工難度大、影響因素多且質量安全標準高,一旦出現技術方案不合理問題就容易引發事故。對于泵站基坑施工人員來說,明確基坑周邊環境以及質量安全因素,從實際出發選用適宜的深基坑支護技術,并基于規范施工與嚴格質控保障技術有效應用至關重要。

作者:賴清照 單位:中投德創建工有限公司