[工作精品论文]船闸基坑土方开挖工艺

中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集船闸基坑土方开挖工艺余斌（中交四航局二公司杨家湾船闸工程项目部广东广州510300）摘要基坑土方开挖是船闸结构施工前的第一道关键工序，存在着地质复杂多变，难度和施工意义大等特点。本文从基坑土方开挖常规工艺为主线，对施工过程中的涉及到的降排水、边坡稳定及防护等措施一并进行了介绍。关键词船闸基坑开挖工艺降排水边坡监测1工程概况新建杨家湾船闸工程地处高淳县花奔附近，距高淳县城约3公里，上游距原杨家湾枢纽约3公里，下游距芜太公路桥约12公里。工程所处区域内地势较平坦，大部分是鱼塘和蟹塘。无大型的需拆迁的工矿企业，民房少，施工场地开阔，外部建设条件较好。基坑开挖主体位于现有鱼塘区域，工程施工前需要清除鱼塘，并保持干地一段时间才能进行大范围土方开挖，对工程前期施工进度影响较大。船闸主体工程建设规模为232304M，其中上、下闸首平面尺寸分别为52628M、526315M，闸室平面尺寸为230286M，上、下闸首开挖底高程分别为475M、225M，闸室底标高为315M，原始地面平均标高为70M，设计采用天然放坡大开挖方式，设计边坡为13，其中上闸首、闸室分两级放坡，中间设3米小平台，其他采用一级放坡形式，船闸总开挖方量为130万M3，其中主体部分开挖土方量累计约26万M3。图11船闸基坑土方开挖平面图2基坑开挖工艺21基坑施工特点拟建船闸和引航道穿过官溪河，位于老船闸至花奔河段，工作区域上属河湖平原地貌，除河流及沟渠外，其余地形、地势均较平坦。工程所属区域范围内基本上为农田、鱼塘。基作者简介余斌（1982），男，助理工程师，从事港航工程施工技术管理工作。531中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集坑坐落在1粉质粘土层、淤泥粉质粘土、粉质粘土层、1粘土层以及2粉质粘土层上。场区地下水主要为孔隙潜水，潜水主要赋存于填土及浅部新近沉积土层中，填土层一般水量较为丰富，但孔隙度变化较大，透水性不均匀，新近沉积土层透水性较差。基坑主要特点如下（1）开挖岸线长、面积广、深度大，本工程全长约2公里，基坑顶宽100米，开挖最深约12米。（2）地质条件复杂，土质软，大部分坐落于淤泥质粉质粘土层，基坑位于临近官溪河边这样丰富的水源旁，如何保证进行干开挖施工就是最大的难点。（3）船闸土方开挖工程量大，且部分土质较差，需做好土方周转和调配，保证总体土方量平衡，减少弃土量发生。闸室和边坡主要土质情况见断面图图12船闸基坑土方开挖主要地质断面图22开挖工艺的采用221开挖前准备工作（1）施工前对施工区域内的地形、地貌、道路等情况进行全面了解，清除各类障碍物、垃圾等，初步平整场地，进行施工现场布置。（2）测量放样，准确定出基坑中心线、开挖边线及堆土区的位置，并用石灰线和标杆作出醒目标志。（3）合理布置土方运输车辆的行车路线，修筑基坑道路、运输道路、临时堆土场道，创造好的运输条件。（4）在施工区域内设置排水沟、截水沟，疏通并排除地表水，使施工场地无积水，阻532中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集止雨水顺坡流入基坑。基坑边坡边缘外15M处砌筑一顶宽1M，高1M的排水沟，每隔50米设置一集水坑，作为坑内积水集中排水处，用水泵将水排向基坑外。222开挖方法施工前，先安排周边鱼塘清理，然后将闸塘区地坪标高进行平整，将开挖线以内的地坪标高削低到550左右，上闸首区域适当降低到500，采用推土机推土到两侧已有的施工便道外，利用反铲翻倒土体到东侧鱼塘预制场和搅拌楼附近回填，场地清理完成后，规划进行施工便道的修筑。闸体主基坑按照基塘先行，垄沟第二，再开挖第一层土方思路，采用“放坡开挖明沟降排水”的总体方案，闸体基坑土方开挖采用10M反铲挖掘机挖、5T自卸汽车运输的工艺分层开挖，纵向方向开挖深槽，横向方向分块开挖的方法。先挖上闸首试验段基坑中部的土方，然后向两侧边坡推进，开挖施工设备布置在基坑的两侧作业。即根据闸塘深度与土质情况,并经土坡稳定计算确定分两级向下开挖，第一级按13放坡到000M，并设置宽3米的平台，西侧闸室墙后方为预留施工通道平台宽度暂定4米，坡脚处布置截水沟，平台以下土质较好，且无承压水存在，开挖集水坑集中降水后再进行第二级土方开挖，一直开挖至设计基底标高以上30CM，设计基底标高以上30CM保护层土方在封底前采用人工跟进突击挖除，第二级开挖坡比按13控制，基底两侧各留1米工作平台，在挖土过程中始终保持地下水位在基坑面以下050M。测量放样场地清表，推土平整后标高为50M55M第一次开挖标高到20M利用铺垫钢板便道，第二次开挖标高到10M淤泥层已基本挖除，修筑施工便道和修整边坡上闸首开挖至445M闸室开挖至285M下闸首开挖至195M人工挖除30CM保护层土方至设计标高鱼塘疏干、晾晒图21土方开挖工艺流程图根据水文地质资料，第一级土方中存在淤泥质软土，为控制垂直开挖速度，避免开挖过快造成塌方事故，第一级土方分两层开挖，详见图42第一层土方开挖示意图。第一层土方开挖至200M完成后立即修筑施工便道，采取铺筑石渣钢板形成施工便道供车辆行走等方法，利用上下两台挖机进行分级倒土传递的施工方法，第二层土方直接开挖到第一级平台533中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集000M，闸体主基坑范围上闸首、闸室开挖至100M，此时下部主体土方进一步减少，普通反铲不能挖除的盲角，建议采用长臂反铲第二级一次直接开挖到底，下闸首开挖至200M，闸室开挖到290M，上闸首开挖到450，各预留30CM土体进行人工挖除的方式降低对基底的扰动。开挖时两边开挖深沟散水，保证基底不积水、不积淤泥。1、场地平整后，第一次挖深约3M550M200M500M铺垫钢板2、利用石渣钢板铺筑便道，形成第二次开挖深约3M；250M100M200M倒土图22100M以上土方开挖示意图3、下闸首、闸室用反铲开挖第3层土深2029M，预留30CM土方人工挖除。000M315M（225）人工挖除285M195M000M倒土图23闸室以及下闸首土方开挖示意图534中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集3、上闸首第三次挖深约35M，预留30CM人工进行挖除000M475M100M445M人工挖除倒土图24上闸首土方开挖示意图6M石渣砖渣土基图25临时施工便道示意图223施工设备配置使用标准臂反铲挖泥装车，长臂反铲整理边坡，5T轻型自卸车运土。配置设备生产能力计算分析（1）设备参数反铲拟用斗容10M3，5T轻型自卸车运土。（2）反铲配置及装车速度10M3标准臂反铲，开挖同时进行装车，每斗有效容量按06M308M3计，装车速度1分钟完成1斗的装车，每4分钟完成1台车的装土（与下面所采用的汽车容积有关），因此，每台反铲每1小时可以开挖及装车15台。（3）运输汽车采用5T轻型自卸车，相当于4M35M3,从开挖区到弃土区，平均距离按2KM内计算，行速1015公里/小时，装车4分钟，往程15分钟，卸车5分钟，回程10分种，因此，每台车完成1趟运土所需时间24分钟，每天平均有效10小时计算，每天可装土10602425次，每台车实际运土量100M3125M3/每天。（4）生产效率计算上闸首总土方量73万M3，要求30天完成，则每天需要完成量73000/302433M3，即每天完成挖土2500M3应是基本的要求；汽车的基本配置最多250010425台，考虑各种因素，应配置土方运输车辆40台左右。开挖及装车反铲的基本配置2546台；535中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集考虑到堆土翻晒使用反铲12台，建议进场反铲总数量8台。224基槽保护层土方开挖按照设计要求，为避免扰动地基层，当机械开挖到基底时，需预留30CM的土方采用人工进行开挖。同时考虑到永久结构预留沉降量1525CM和施工前后土基层不排水浅沉降量2CM3CM，总体考虑土基层预留沉降量为56CM。（1）施工准备1）、机具尖头铁锹、平头铁锹、十字镐、手推车、钢卷尺、坡度尺、铲车等2）、作业条件A、地表面要清理平整，做好排水坡向，要挖临时性排水沟。B、基础材料已备足，能保证基础开挖后连续施工。C、利用勾机斗前加焊钢板进行平刮土基层后方开始人工开挖。（2）操作工艺1）、开挖时先用铁锹顺灰线切出基槽（坑）边沿，然后向下开挖。2）、开挖时应合理确定开挖顺序和分层开挖深度，当接近地下水位时应先完成标高最低处的地方，以便在该处集中排水，并在结构坑外设置专门的集水坑安装水泵进行抽水。在挖至接近槽底时应随时确定基槽宽度标准，校核槽底标高，清除槽底土方，修底铲平。3）、基槽挖好后立即按施工方案要求的位置，数量进行铲探，取出的试样应按顺序排列整齐，以便记录，开挖出来的土方用人力斗车运至集中部位，再通过反铲将堆积起来的土方集中开挖走，人力斗车采用铺垫木夹板行走，并及时组织设计、监理、业主等有关方面验槽，办理报验手续。4）、雨季施工，沿槽（坑）外围四周做好挡土梗，防止地面雨水流入。5）、检查验槽记录，必须保证基槽（坑）的土质符合设计要求，并严禁扰动。6）、开挖基槽（坑）的位置、标高、断面尺寸，必须符合设计和施工规范要求。7）、夜间施工必须有足够的灯光照明，在危险地段应设置明显标志。23边坡降水方法231方案选择由于本工程结构基坑主体坐落在在1粉质粘土层、淤泥粉质粘土、粉质粘土层、1粘土层、2粉质粘土层上，均为不透水层，渗透系数在106108CM/S之间，且周围无地下承压水存在。根据我部类似工程的经验计算上闸首基坑理论计算涌水量不到18M3/D，抽水影响半径为238米，结合10月30日召开的本工程施工组织专家审查会意见，对于该类型土质，采用一般工程降水很难起到作用效果，而真正采用明沟排水是相对比较理想的。我部于12月初开始船闸主体基坑进行试验段开挖，现上闸首位置已经开挖至200M，开挖后发现饱和土体中含水量很小，土体的垂直和水平渗透性较差，据勘察资料，淤泥粉质粘土的垂直渗透系数为109106CM/S，水平渗透系数278106CM/S，现场至今仍未出现大面积积水情况暂时不用进行大量明排，因此，我们提出改用明沟降排水替代设计深536中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集井降水方案。232明沟降水方法根据降水作用和原理，开挖过程中为保证开挖的土方不受雨水及地下水浸泡，先沿闸塘纵向每30M左右开挖一条降水沟，使之与挖槽形成互相连通的排水沟,土体渗水和地表水引入排水沟,集中排到基坑外,然后再将沟之间每块土方采用后退式开挖方式进行开挖，开挖过程始终将抽水泵布置在最低点，通过挖渠引水集中抽水的办法，将基坑内的水位降至开挖面以下。由于可能存在不可预估的局部不良地质影响如涌水量增大，稳定性差等情况，影响到了边坡安全时，我们应在开挖到000标高后，再视开挖进程和现场施工实际采取一些特别处理，如发现开挖土质与地质资料不符等情况，则增加设计深井降水等做为一级备用方案。图26船闸基坑明沟降排水示意图24土方调配安排船闸总挖方量127万M3，其中闸室主体基坑开挖量26万M3，土质较差的淤泥土、表层耕植土即在鱼塘原地面清理推低的1M左右，约2万M3，由于含水丰富，且杂质较多，未经处理不能直接用于墙后回填，拟全部用于闸区东侧鱼塘抬高晾晒处理，先将搅拌楼和预制场周边地坪加宽回填3万余M3，部分较好的土用于堆载到西侧拟新建防洪大堤上，地面标高为60，利用反铲堆高晾晒，堆高拟分多次进行，堆载标高至设计标高为止，总共需容土14万M3，根据工期安排加以晾干翻晒3个月后部分区域二次开挖时直接用于闸室墙后回填。本工程土方开挖包括船闸、靠船墩、驳岸基坑开挖和航道开挖。详见下表土方调配一览表单位万M3表1537中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集墙后填土工程项目水上挖方水下挖方二次利用土方外购土方导航墙、闸首及闸室上游引航道下游引航道填筑防洪大提闸区地坪抬高围堰备注闸塘223223上游引航道7123252325852下游引航道338112311635164外购土方44二次利用土方3535合计1265813544482321511253246备注二次利用土方为破除围堰时，上层好土约合35万M3用于下游引航道墙后回填。25基坑外止水及地面排水251基坑外止水由于船闸基坑周边地质不存在透水砂层，均为淤泥质粉质粘土层，所以基坑无需再施工临时止水帷幕，但考虑到邻近官溪河道，需对该侧防洪大堤做好防止管涌、坍塌等不良地质应急处理工作，同时由于基坑面积广，为避免暴雨或其他情况下坑外余水流入基坑，建议在基坑坡顶处设一截水粘土墙，防止边坡受到冲刷和减小降雨后基坑汇水面积，保证基坑安全。图27地面截水土坝示意图252最大暴雨量计算目前由于雨量计算公式比较复杂，本工程参考公路排水规范1997进行简单的计算。（1）雨量强度确定为了便于简化计算，本工程按1小时为降雨时段考虑进行雨量计算，参考南京气象信息，50年一遇的最高时降雨量598MM，考虑下雨局部不均匀情况，取不均匀系数K085,则本工程雨量强度Q085598951MM/小时，取值51MM/小时计算。（2）基坑总面积下雨量确定基坑汇水顶面积34253M2，则基坑在1小时内的总的降水量Q0051342531747M3/小时（3）基坑底实际流量确定根据雨水迳流理论，一般而言，地面点在受雨过程中，首先被植物截留。在地面开始受雨时因地面干燥，渗水率较大，而降雨的起始雨率还小于入渗率，这时降雨被地面全部吸收。538中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集随着历时的增长，雨率大于入渗率后地面开始产生余水，当余水量积满洼地后，开始地面产生迳流，这时部分余水产生积水深度，部分余水产生迳流，在雨率增至最大时相应产生最大余水率，之后雨率逐渐递减，余水率亦渐减小，当雨率降至入渗率时，余水现象停止，但这时有地面积水存在，故仍然产生迳流，入渗率仍按地面入渗能力渗漏，直至地面积水消失，迳流才告终止，而后洼地积水逐渐渗完。渗完积水后，地面实际渗水率将按雨率渗漏，直至雨终。迳流系数的实际大小与覆盖面类型有关，根据公路排水设计规范（1997）规定，迳流系数见可按下表采用路面迳流系数表2路面类别迳流系数沥青混凝土路面095水泥混凝土路面090透水性沥青路面060080粗料路面040060粗粒土坡面和路肩010030细粒土坡面和路肩040065本工程是主要就是土坡面，但是，与一般的公路路面不完全相同，就是边坡面干燥程度不一样，但由于本工程没有实测数据，故迳流系数参考取035，则基坑底实际流量QT035174761145M3/小时253抽水泵设备方案从以上计算可知，按降雨后3小时内抽干坑内水考虑，则每小时抽水泵的实际为QW204M3/小时，参考设备资料，抽水设备需采用6台403/，扬程15水泵以及其他小型水泵相结合进行强排水。每小时抽能力640240M3/小时,满足施工要求此为抽水泵设备方案的高峰配置，平时如果雨量未达到最大的下雨量时，启动小流量的水泵，并随着雨量的增大开启大流量的水泵，以节约电量。254边坡及基坑排水沟布置基坑顶边坡外考虑设置截水墙，减小坑内汇水量，一般采用粘土或粘土袋堆积成坝。边坡排水沟采用3030CM断面，表面抹M10的砂浆；基坑顶排水沟平均断面采用6060CM断面，深度可根据坡度比调节，砌单墙砖局部设24墙立柱加强，沟底表面抹M10的砂浆，断面尺寸见图。539中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集30基坡面范围排水沟结构断面平台坡面13M75砂浆厚3CM306055地面砌单墙砖地面M75砂浆厚5CM（实际深度根据坡降设定）坡顶及地面范围排水沟结构断面60803060基坑底的排水沟由于是随着开挖过程变动的，因此不考虑护面，随着开挖过程布置，但断面一般不小于8080CM。26边坡防护基坑开挖形成后，边坡还须进行必要保护，按专家会意见采用铺设土工布防护，但是根据现场土壤和气候条件，项目部建议的具体做法是在基坑开挖边坡理坡工作完成之后需考虑采用撒草籽形成草皮护坡方式进行边坡防护。这种方案能能准确预见边坡变形和位移情况。而对于盐碱性较大的粉质粘土部分则采用铺设土工编织布结合的方式，土工布交接处及周边用水泥砂浆压住。经过半年多施工阶段观察，草籽成长良好，坡面绿化工作令人满意，这种做法既达到比较经济效果，也达到边坡防护的目的。27边坡稳定验算为了保证基坑的施工安全委托山东省航运工程设计院有限公司（水运行业甲级）进行复核验算，分别选取上闸首、闸室和下闸首等三个断面，如可取最深上闸首基坑最不利断面，该位置边坡整体稳定安全系数最小为1697，同样计算得出任意断面边坡安全系数大于13，因此采用该方案进行放坡开挖，整体上是安全的。28边坡安全监测土方开挖过程做好降排水的同时加强日常边坡监测管理工作，一但发现监测数据超出警戒值或开挖面有裂缝的异常情况，根据现场发生情况进行判断，采取迅速撤离施工人员、施工设备或坡顶卸载等措施，经过23天的观测，如果监测数据趋向稳定，现场情况变好，才继续开挖，否则，视现场情况还须要进一步采取施工木桩和增加井点排水等措施。根据相关经验，船闸土方开挖期间监测主要以基坑边坡顶及各平台水平位移、垂直位移监测为主，考虑到旧大堤的防汛要求和施工安全，必须定期观测原有大堤的位移、水位变动情况。监测点埋设采用埋钉设标法，观测标埋设深度至地表下1米。监测仪器主要以施工测量专用的水准仪和全站仪为主。我部拟在基坑顶和一级平台布置监测点各12个，上闸首位置基坑顶和一级平台各布置监测点4个，闸室两侧基坑顶和一级平台各布置6个，下闸首基坑顶布置4个。沉降观测按照每开挖一层观测一次，开挖完成后每天观测一次，位移与沉降稳定后每三天观测一次。若发现变形异常或者遇大雨、暴雨时，应加密观测次数。对监测结果应及时进行信息反馈，发540中交四航局二公司第八届青年管理、技术论文发布交流会论文集现异常情况时应及时通知设计人员及有关管理人员，以便指导施工或便于及时处理。图210船闸基坑边坡监测布置图281边坡变形警戒值的设定放坡开挖的基坑，其变形警戒值现行规范没有明确，只能参考有关文献。上海地铁基坑施工规程允许的基坑最大变形为07H。类似工程如上海长兴放坡大开挖的干坞坡顶最大水平位移与开挖深度H的比值均149，均保持了稳定。放坡开挖基坑水平位移比有支护结构基坑大得多，具体侧向变形值大小取决于基坑的周围环境另外，土体暴露时间愈长，土体变形也愈大。因此，对放坡开挖，且周围环境保护要求不高的基坑最大水平位移警戒值可定为15H；若周围环境保护要求较高，可适当减小警戒值。282边坡变形判断模式及控制措施变形判断模式是指将变形预测结果与变形警戒值进行对比，然后作出定量与定性描述的方式。变形判断模式的数量设置，目前还没有公开的文献报道，相关研究也不充分。模式设置过多，则操作比较复杂；反之，模式设置过少，则太粗糙、操作性不强。本工程将变形判断模式设为以下4个（1）正常阶段当变形预测值小于警戒值的75时，称变形处于正常阶段内，无须采用变形控制措施。（2）关注阶段当变形预测值大于警戒值的75，且小于警戒值的100时，称变形处于关注阶段内，须发出变形预警信号，即提醒施工人员谨慎施工，加强监测，并适当缩小开挖步长。（3）比较危险阶