水下大面積基坑快速開挖施工方法——北引渠首工程中應用實例

楊甫權，白廣明

(黑龍江省水利科學研究院，哈爾濱150080)

1 工程簡介

1.1 工程概況

北部引嫩渠首工程是尼爾基引嫩擴建骨干一期工程重要組成部分，位于訥河市拉哈鎮(zhèn)西北約5 km，尼爾基水利樞紐壩址下游28 km的嫩江干流，為有壩渠首，是黑龍江省引嫩擴建骨干一期工程中的重點工程。渠首樞紐由土壩、總干進水閘、船閘(預留位置)、泄洪閘、溢流壩、固灘和堤防等工程組成。北引渠首屬大(1)型工程、Ⅰ等工程，主要建筑物泄洪閘為1級，土壩、溢流壩和總干進水閘級別為2級，固灘工程為3級，渠首樞紐工程設計洪水為50 a一遇，校核洪水標準為200 a一遇。泄洪閘正常運用水位176.20 m，設計洪水位179.04 m，校 核 洪 水 位 179.73 m，設 計 洪 水 流 量 為4 629 m3/s，校核洪水流量為5 156 m3/s。

1.2 工程構成及其地理位置

泄洪閘位于嫩江主河床樞紐軸線樁號2+473.5～2+ 697處，為平底板開敞式閘，共12孔，每孔凈寬16 m，總凈寬192 m，泄洪閘縱軸線與水流方向一致以保證泄流平順，堰型采用寬頂堰，閘底板與河底高程一致，高程為169.0 m。泄洪閘主要由進口段、閘室段、消力池段、海漫段組成。

閘室結構采用鋼筋混凝土“U”槽型式，閘室上下游底板設置齒槽，分縫設在閘墩上，止水采用銅片止水。閘墩及擋土墻設置排水孔以降低墻后水位。閘室段長22.5 m，底板厚2.0 m，中墩寬2.5 m，為縫墩，邊墩頂寬2.0 m，底寬3.5 m，墩頂高程181.80 m;工作門為16.00 m×7.20 m弧形鋼閘門，液壓式啟閉機，檢修門為平板鋼閘門，門式啟閉機，墩頂設7.0 m寬交通橋。

1.3 主要工程量

本工程的主要工程量為:土方開挖283.3萬m3，土方填筑80.32萬m3，砂礫石填筑2.04萬m3，鋼筋制安3 310 t，混凝土11.27萬m3，鉛絲石籠8.83萬m3，無紡布5.92萬m2，土工布13.91萬m2，工作閘門及埋件810 t，檢修閘門及埋件212.5 t。

其中基坑水下砂礫料開挖工程量約為26萬m3，其中主江道抽砂船開挖18萬m3，兩側挖掘機開挖區(qū)域8萬m3。

2 工程自然條件

2.1 水文氣象資料

工程所在區(qū)多年平均氣溫1～4℃，自10月下旬—來年4月上旬氣溫低于0℃，區(qū)內極端最低氣溫為－42～－37℃，極端最高氣溫為36.3～39℃，＞10℃積溫分布與年平均氣溫的分布一致，積溫在2 600～2 850℃。年總輻射量110 kK/cm2～120 kK/cm2，由西南向東北逐漸減少。

洪水發(fā)生情況見表1:

表1 不同時段不同頻率洪水成果表 m3/s

2.2 工程地質

泄洪閘位于嫩江江道中，江底高程164.27～170.47 m，地層為第四系全新統(tǒng)沖積層(alQ4)及中更新統(tǒng)沖積、湖積層(al +lQ2)。其巖性主要為級配良好細礫、高液限黏土、級配良好粗砂、級配良好粗礫等。

區(qū)內地下水為第四系松散層孔隙水，分為上、下兩層，上層為第四系全新統(tǒng)松散層孔隙潛水，含水層由級配良好細礫等組成，其富水性良好，極強透水性;下層為第四系中更新統(tǒng)孔隙承壓水，含水層由級配良好粗砂、級配良好粗、細礫等組成。頂面埋深15.80～20.00 m。其富水性及透水性均較強。其巖性根據鉆孔揭露自上而下為:③級配良好細礫(黃色，飽和，中密)連續(xù)分布于全區(qū)，層厚3.90～6.20 m，層頂面高程168.45～170.55 m，位于水下。④高液限黏土(黃褐色，稍濕，硬塑)連續(xù)分布于全區(qū)，層厚2.00～6.50 m，層頂面高程163.85～164.95 m。④－1級配良好粗砂(黃色，飽和，中密)呈透鏡體狀分布于④層中，層頂面高程162.07～164.26 m，最大厚度2.50。⑧級配良好細礫(黃色，飽和，中密)連續(xù)分布于全區(qū)，層厚15.80～20.00 m，頂面高程158.45～161.07 m。⑧－1級配良好粗砂(黃色，飽和，中密)層厚2.00 m，層頂面高程143.45～143.46 m。

圖1 基坑地址勘探斷面圖

3 基坑開挖的特點分析及對策

3.1 工程特點分析

1)區(qū)內地下水為第四系松散層孔隙水，分為上、下兩層，上層為第四系全新統(tǒng)松散層孔隙潛水，含水層由級配良好細礫組成，其富水性良好，極強透水性;下層為第四系中更新統(tǒng)孔隙承壓水，含水層由級配不良細礫組成，承壓水頭高8.60～11.40 m，頂板埋深12.80～13.40 m。如采取常規(guī)的排水開挖，下層承壓水將頂穿相對不透水層，而擾動閘基礎，故泄洪閘基礎開挖須在水下進行。

2)圍堰內基坑土方開挖總量為26萬m3，水下級配細礫開挖工程量較大，消力池部位最深開挖底高程為163.50 m，如江水位為175.50 m，則基坑內水下最深達12 m，當水深超過8 m時，抽砂船開挖的效率極底。

3)在169.01～172.18 m高程以下有4.95～9.80 m厚連續(xù)分布、中密的級配良好細礫，比較密實，需提前翻松后才能用抽砂船開挖，水下開挖難度大。

4)在兩岸存在大量凍土，并進行原碼頭及護岸拆除。

3.2 采取相應的對策

對于主體基坑土方開挖工程的施工，采取挖掘機及挖泥船聯(lián)合施工作業(yè)的方式，中間部位先用長臂挖對中密的鐵板砂進行翻松，再用挖泥船進行開挖，岸邊位置采用單勾、反鏟及長臂挖掘機進行開挖。

4 主要施工方案

4.1 基礎開挖

4月30日前枯水期嫩江水位在174.00 m左右，基坑挖深在江水面以下為10.5 m，汛期在設計標準內挖深為12.02 m，汛前期為10.21 m，所以在不同的嫩江當時水位的水下開挖亦是影響工程進程的關鍵。在江底169.01～172.18 m頂高程有4.95～9.80 m厚連續(xù)分布、中密的級配良好細礫，對這層已經板結的密實的礫石層，不僅堅硬而且水下開挖深度大，所以其開挖難度較大。

4.2 基礎開挖布置

岸邊的水上、水下土方開挖采用挖掘機進行開挖，首先修筑臨時便道，由挖掘機分多個施工作業(yè)面同時進行開挖，水下開挖料經岸邊瀝水后，再用挖掘機裝自卸汽車外運到監(jiān)理工程師或建設單位指定棄渣場。開挖時一次開挖不到設計深度時，采用長臂挖掘機開挖，最后用挖砂船挖至設計底高程，邊坡按水下自然穩(wěn)定為止，一般在1∶3～1∶4，盡最大限度地減少用挖泥船進行水下開挖的工程量。

泄洪閘基礎水下砂礫開挖根據設計單位給定的地質資料，開挖地層砂礫由級配良好的細礫組成，為黃色、飽和、中密連續(xù)分布堅硬板結地層，如直接采用挖泥船或采砂船進行開挖效率極低。采取先用長臂挖掘機對該開挖層進行翻松后，再用挖泥船及采砂船進行開挖的施工方案。

基坑內砂礫料開挖隨著開挖區(qū)域內的水深不同，采用不同的施工方法:岸邊挖掘機可作業(yè)的部位水深在3.0 m之內的采用普通挖掘機進行開挖，水深在3.0～5.0 m采用長臂挖掘機進行開挖;挖掘機進不去及水深超過5.0 m的區(qū)域采用挖砂船及挖泥船進行開挖。

消力池段為開挖工程量最大，約13.2萬m3，其中江道抽砂船開挖方量約為5.9萬m3，挖掘機開挖方量約為7.3萬m3，同時消力池區(qū)域也是開挖最深的部位。消力池開挖分為3個開挖區(qū)域，即消力池一區(qū)，二區(qū)，三區(qū)。消力池軸線右側(Ⅰ區(qū))開挖底高程為163.5 m，軸線左側(Ⅱ區(qū))開挖底高程為164.5 m、靠近左岸(Ⅲ區(qū))開挖底高程為165.5 m。

閘室段基礎開挖寬度為22.5 m，長度為228.65 m，基礎開挖底高程為軸線右側166.0 m，軸線左側166.50 m，開挖工程量約為7.8萬m3，其中主江道抽砂船開挖2.78萬m3，挖掘機開挖區(qū)域5.02萬m3。閘室開挖分為二個開挖區(qū)域，即閘室一區(qū)，二區(qū)。閘室軸線右側(Ⅰ區(qū))開挖底高程為166.00 m，軸線左側(Ⅱ區(qū))開挖底高程為166.50 m。

圖2 挖掘機岸邊開挖作業(yè)圖

圖3 消力池基礎開挖分區(qū)圖

圖4 閘室段基礎開挖平面圖

4.3 級配良好密實細礫層水下翻松方法

初步設計擬采用自制浮船，浮船上用18 m長臂挖掘機對水下鐵板砂進行翻松。其施工方法是在開挖區(qū)的兩岸平行于泄洪閘軸線對稱設錨固鋼絲繩的錨具，通過兩岸連接的一對鋼絲繩來穩(wěn)定浮船，長臂挖掘機在浮船上進行水上開挖作業(yè)。固定于浮船上的0.5 m3長臂反鏟挖掘機，根據開挖區(qū)域可在水上對水下用采砂船開挖不了的級配良好細礫實施翻松作業(yè)。

后來由于施工工期較緊(主要考慮今年尼爾基水庫放流相對不大)，如果焊制200 t雙筒浮船需要相當長的時間，又經過經濟比較，考慮施工現(xiàn)場嫩江渡橋有200t拖船，經協(xié)商后，租用其渡口的200t拖船代替自制浮船。

圖5 200 t雙筒浮船結構圖

在開挖區(qū)的拖船上同時用2臺長臂挖掘機，其中一臺長臂挖掘機將其抓斗錨固與水下堅硬的砂礫料中，另外一臺長臂挖掘機開始開挖施工作業(yè)。固定于浮船上的0.5 m3長臂反鏟挖掘機，根據開挖區(qū)域可在水上對水下用采砂船開挖不了的級配良好細礫實施翻松作業(yè)。

4.4 基坑水下土方開挖方法

江底經過翻松后的區(qū)域再采用50 m3/h抽砂船施工開挖方案。當開挖水深超過8.0 m施工困難時，主要采取兩種方法解決:①對抽砂船進行配重，降低抽砂船的吸程;②加快截滲工程施工進度，提前進行基坑內抽水，降低基坑內的開挖作業(yè)水面。保證泄洪閘水下開挖的幾何尺寸及高程，是泄洪閘水下開挖的關鍵質量控制點之一。開挖前先進行開挖試驗，確定開挖船的布點、開挖方向。挖砂船開挖出的砂礫料，直接輸送到岸上，再用推土機集堆淋水，然后用裝載機裝自卸車運送到圍堰外的建設單位指定的臨時棄渣場，用推土機將渣料集堆。可用于混凝土骨料的開挖料，通過在岸篩分后，將成品骨料運至混凝土攪拌站的骨料場。

采用挖沙船進行基坑開挖施工示意圖見圖6。

圖6 挖沙船開挖作業(yè)施工平面布置圖

水下開挖出的土方的臨時堆料場設置在下游圍堰與大江右岸的沙坑(可以臨時堆放10萬m3)和下游圍堰與導流明渠之間的沙坑內(可臨時堆放2萬m3);待瀝水后由挖掘機裝自卸翻斗車運至指定棄渣場。

在土方施工中，經常測量、校正平面位置、標高、邊坡。待水下土方開挖完成后，用工作船統(tǒng)一進行基坑高程驗收，對不平整的部位，用鏈斗式挖泥船進行掃平。經自檢合格后報監(jiān)理單位進行驗收，驗收合格后進行封底混凝土澆筑。

4.5 凍土開挖

每施工段均需要配備1～2臺帶松土器的挖掘機，先翻松挖除上層凍土，然后采用反鏟挖掘機進行水下土方開挖。

基坑的岸上部分已經發(fā)生凍結，加之尼爾基水庫冬季為國家東北電網調峰發(fā)電放水，導致工程區(qū)域江段的水位變化每天在1.0m左右，增加了凍土開挖量。為了加快施工進度需要進行凍土開挖，采用帶松土器的單鉤液壓挖掘機首先對上部凍層進行翻松挖除，后面緊跟反鏟挖掘機進行水下砂礫料開挖，最后采用長臂挖掘機及抽砂船進行開挖到位。

4.6 岸邊護岸及碼頭拆除

在開挖區(qū)域在江道岸邊有混凝土碼頭及多年累積施工的固床拋石護岸3 106.45 m3，鋼筋混凝土碼頭33.6 m3，素混凝土面57.8 m3，在進行岸邊開挖之前需進行拆除。水下部分凍土及混凝土采用液壓沖擊鎬先破碎，其余部分用液壓單鉤鉤松，再用反鏟挖掘機挖除，對3.0 m以下普通鉤機挖不到的部位采用索鏟及長臂挖掘機進行護岸塊石的拆除。拆除的碴料經岸邊瀝水后，用挖掘機裝自卸翻斗車運至指定棄渣場。

4.7 水下開挖平整度控制措施

在北引渠首泄洪閘工程施工過程中，我們利用實時差分GPS、測深儀和計算機建立一套監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了水下開挖施工的實時監(jiān)控，可防止超挖、欠挖。從而有效的控制了施工質量，同時為現(xiàn)場施工贏得寶貴的時間，為水下基坑開挖的順利完成提供了有力的保證。

大面積水下開挖完成后，利用GPS定位儀結合測深儀監(jiān)控系統(tǒng)進行全開挖區(qū)域測量，如有達不到高程的部位，再采用挖砂船進行找平，直至達到設計及規(guī)范要求。

5 結語

本工程由于地質條件特殊性，不能采用常規(guī)的降水方法，為此經研究確定了以上施工方案，在施工過程中科學組織、精心安排，在基坑開挖過程中經試驗效果良好，達到了預期目的，從而保證了工程整體目標的順利實現(xiàn)。

［1］楊方.水下淤泥開挖施工技術［J］.甘肅水利水電技術，2005，(04):392－393.

［2］韓治國，唐依偉.淺談引水渠水下開挖施工方法［J］.水利天地，2007(07):45.