深大基坑冲土泵送开挖的施工组织设计要点

危 鼎 周建民 周海贵 赵国伟 许国栋 青长江 龚扎力根白音

1. 中国建筑第八工程局有限公司 上海 200120；

2. 萧山奥博投资有限公司 浙江 杭州 310000

杭州奥体中心工程位于杭州市萧山区钱江世纪城，基坑开挖面积约150 000 m2，土方量约2 000 000 m3，基坑东西长560 m，南北宽320 m，开挖深度9～14 m，围护大部分采用放坡加土钉支护，与周边项目邻近处采用SMW工法桩加混凝土角撑。工程位于钱江世纪城主城区，政府环保要求高，传统土方开挖方法难以满足工期及绿色施工的要求，必须采用新的出土方法。水利工程中使用砂石泵超远距离泵送淤泥与泥沙的技术是解决目前建筑工程出土困难的一个思路，但要把在河道、滩涂等场所泵送淤泥与泥沙的技术应用于超大面积深基坑开挖中，则需要解决一系列问题，如冲土泵送泥浆工序与围护、降水、破桩头、清底、防水与底板施工等各道工序应如何合理穿插，各道工序的工作面应如何形成、展开与交接，各道工序中各种人力、机械、物资资源应如何配置等，做到在保证工期的条件下，使资源投入量最少，并尽早形成资源得到最大化利用的分区分块流水施工[1-2]。

1 深大基坑冲土泵送开挖整体部署

采用冲土泵送开挖大面积基坑时，基坑的整体开挖部署可采用“一点到底、一线到端、以线带面”的“汇流式”整体开挖部署。

“一点到底”是指为提高冲土效率，在开挖起始点就直接挖到基底标高或某设定标高，从而形成水利与土方机械立面组合开挖的工作面，而不是分层开挖，如图1所示。

图1 “一点到底”开挖方式示意

“一线到端”是指为避免重复多次地装拆现场清水管与泥浆管，在大面积基坑开挖的过程中以最大开挖深度或某设定的挖深，沿着一条直线从基坑的一端直接开挖到另一端，而不是传统的分块开挖。

“以线带面，汇流式”开挖指在基坑开挖过程中，以若干条直线开挖槽为主干，直线开挖槽的周边土、基坑周边的边坡土及基底的保护预留土，用土方车短驳的形式汇入直线主干开挖槽内。同时，沿主干开挖槽开挖方向，从前向后依次布置冲土、降水、破桩头、清底、防水与底板施工的工作面，从而形成“以线带面”各道工序有序穿插的流水施工。深大基坑冲土泵送开挖整体部署如图2所示。

图2 “一线到端，以线带面，汇流式”开挖示意

2 各工序先后穿插关系

冲土泵送开挖基坑与传统挖机与土方车配合开挖基坑在施工机具、施工方法等方面都有很大不同[3-4]。冲土泵送开挖时，各工序的先后顺序与传统施工方法有较大差异。

2.1 冲土开挖与围护施工的关系

冲土开挖相当于集水明排开挖，开挖时从周边土里渗流到开挖坑内的水可由砂石泵统一抽走，且砂石泵功率很大，完全有能力将渗流入开挖坑中的水及时抽走，因此不需要等基坑周边围护与止水帷幕全部完成，即可开始基坑开挖，可大幅缩短开挖时间。本项目先行施工“两馆”（主体育馆和游泳馆）部分，且最先施工“两馆”周边有劲性钢管柱部分的结构，因此冲土开挖方向确定为由2台砂石大泵分别沿着“两馆”周边有劲性钢管柱的区域，从西向东进行冲土施工，如图3所示。这些开挖部位离围护基坑边较远，冲土开挖的开始时间基本都在三轴止水围护施工前或部分与围护施工同步进行。

图3 冲土开挖部署示意

2.2 冲土开挖与降水施工的关系

由于采用冲土泵送开挖，土体本身就需要用高压水冲稀成泥浆，且开挖过程中基坑底部又不需要下土方车装运土方，因此冲土开挖不需要像传统开挖方法一样，需等降水井施工完毕且降水效果达到一定程度后才能开始挖土方，冲土开挖的开始时间可提前到降水施工前。但冲土开挖到离基坑设计底标高只有0.5～1.0 m厚土层时，需要停止冲土，改用小挖机与人工开挖最后0.5～1.0 m厚的土与承台，此时为了可使用小型机械下基坑底作业，并方便底板垫层施工，又需要在清底作业前插入降水工序，把坑底地下水位降到底板底标高下1 m。因此，降水施工的工序从土方开挖前调整到冲土开挖到基底标高后。

2.3 冲土开挖与机械破桩头施工的关系

由于冲土泵送开挖采用一冲到底的施工方式，不是传统的分层开挖，桩头也不能分层破除，因此现场经常会出现冲出大片较高的桩头的场景，如图4所示。

图4 “一点到底”开挖出的桩头

有的桩头高达十余米，为了施工安全与下一步工序能够正常开展，必须采用镐头机机械破除冲出的桩头，但在使用机械破除桩头时，为避免镐头机冲击造成断桩，破除点需控制在距离基坑底高1 m以上的标高处。由于冲土区水管与电缆密集，故镐头机破桩作业只能等到冲土现场移除泥浆小泵以及各种水管与电线后才能进行，且为了镐头机能持续作业与有较好的回转半径，镐头机破桩作业最早插入时间可为冲土开挖出至少一块按后浇带划分的底板区域后。此阶段破桩头的工作包括在离基底面高1 m处放倒桩头，并把桩头破碎，吊装到基坑周边运出现场或做其他利用。剩余的高1 m桩头需等到做垫层时人工破除。

2.4 破桩头与降水施工关系

破桩头与降水施工均在冲土开挖到基底标高后进行，若按施工的可操作性分析，降水井施工几乎可与冲土施工同步进行，即当冲土开挖到基坑底后，即可插入降水井作业。若按工序先后服务的关系，降水施工也应放在破桩头施工前，因为降水后基底硬实，方便镐头机在坑底的行驶与破桩作业。但考虑到若按设计要求间距全部完成了降水井施工后，后期插入的破桩头施工会对已完成的降水井产生大量破坏，且前期打好的降水井由于经常要拆装电线让出施工道路给镐头机通行，降水效果也不理想，所以现场可根据实际情况进行分析：若开挖到基底后经过简单、短暂的明排水后，基底的强度可满足镐头机行走要求，则全部的降水井施工都可放在破桩头施工后。若不进行降水时基坑底强度无法满足镐头机行走要求，则可采用局部真空降水方式让局部基底满足镐头机行驶要求，让镐头机先在局部进行破桩作业，其他地方加大明排水的力度并填垫破好的桩头碎块，从而满足镐头机行驶的要求；在一块底板区域内破完桩头并清除完垃圾后，再正式进行降水井施工。未降水条件下的机械破桩头作业现场如图5所示。

图5 未降水条件下的机械破桩头作业现场

2.5 冲土开挖与基底土开挖施工的关系

基底土为设计底板底标高上的0.5～1.0 m厚保护土层，基底土开挖需等到机械破桩头与降水工作结束后进行，土方单位需要进场小型挖机，配合人工清除基底剩余的0.5～1.0 m厚保护土及桩间土，并挖出承台与地梁。挖出承台与地梁后，再使用人工破除高1 m的桩头，把桩头修到设计标高。基底土开挖与桩头修整完毕后，可按正常工序开展后续的垫层、防水与底板施工流程。

3 工作面展开速度与人工机械配置

3.1 冲土展开面速度与人工设备配备

采用土方机械配合水利机械泵送出土时，1台流量为486 m3/h、功率为280 kW的砂石大泵的出土效率平均为2 500 m3/d，若以后浇带为检验批划分界线，1块底板的面积约为40 m×40 m，本项目平均开挖深度10 m，去掉表层与基底土后，大约为8 m，再考虑开挖四周存在一个45°左右的开挖坡度，因此冲出一块底板作业面积需要冲走大约18 300 m3的土，若使用1台砂石大泵开挖则大约需要7 d。1台清水大泵可接9～12个水枪，共需配9～12个水枪操作手，3～4个设备看守操作工，1台砂石大泵可接3个砂石小泵，共需配9个操作与清理手，共约30个工人与管理人员，若两班轮做则需60个工人与管理人员。后续各道工序都可按此7 d一块的冲土工作面展开速度，安排机械设备和劳动力的数量与进场时间。本项目配备2家土方劳务队时，每家劳务队按7 d一块的速度确定冲土展开面，并按此工作面展开速度，安排清底和挖承台的小型挖机数量与配合人工。

3.2 机械破桩头速度与人工机械配备

由于冲土区各种水管与电缆密集，镐头机为大型机械设备，且需要绕场地行走，因此破桩作业只能等到现场移除所有泥浆小泵与水管后才能进行。镐头机破桩作业最早在冲出一块底板的后一天插入进行，即开始冲土7 d后。在一块40 m×40 m底板工作面内，效率与经济性较好的破桩配置是1台镐头机加4个工人。奥体项目一块底板面积内平均有100根桩，1个镐头机平均破桩效率为30根/d，破完100根桩需3.3 d。放倒桩头后还需将桩头破碎与归堆，人工割除钢筋后才能运出破碎的桩头混凝土，此工作需3 d，因此，经济高效地破除一块底板的桩头需要6.5 d。

3.3 基底降水施工速度与人工机械配备

冲土开挖的基底通常起伏较大，没有降水的基坑底部又较软、承载力差，打井机械行走能力不及镐头机，一般不能进入冲土开挖出的基底进行打井施工。考虑到已挖到基坑底部，降水井不需太深，通常可采用人工成井法降水。奥体项目一块底板平均需打井4口，4个工人采用人工成井需要1 d，再把水降到基底下1～2 m需要2 d，即冲土开挖后18 d，第1块底板具备清底与挖承台工作面。

3.4 清底挖承台与人工破桩头速度

降水结束后，土方单位继续进场小挖机配合人工清除基底剩余的0.5～1.0 m厚保护土及桩间土，挖出1～2 m深承台与地梁，并修出边坡。1块底板较经济与合理的配置为1台小挖机与8个工人，此工序要占据3 d。在挖出承台与地梁的同时可插入人工破桩与修桩头作业，通常一块底板由4人进行人工破桩、修桩头作业，工期也为3 d。即冲土开挖后24 d，第1块底板具备垫层施工的工作面。往后进入正常的防水与底板施工流程。

4 结语

在杭州奥体中心工程中，项目部结合工程实际进行技术攻关，在超大面积深基坑开挖中采用水利机械配合土方机械开挖施工技术，有效地进行了基坑围护、场内短驳土、冲土区翻土松土、冲土稀释、泵送泥浆、基坑降水、破桩清底、防水及底板结构施工等工序作业，不仅加快了工程施工进度、降低了成本，而且实现了现场土方施工阶段的绿色环保。本文所总结的深大基坑冲土泵送开挖施工组织设计有着广阔的发展空间和应用前景。