水下大面积基坑快速开挖施工方法——北引渠首工程中应用实例

时间：2024-07-28

杨甫权，白广明

(黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨150080)

1 工程简介

1.1 工程概况

北部引嫩渠首工程是尼尔基引嫩扩建骨干一期工程重要组成部分，位于讷河市拉哈镇西北约5 km，尼尔基水利枢纽坝址下游28 km的嫩江干流，为有坝渠首，是黑龙江省引嫩扩建骨干一期工程中的重点工程。渠首枢纽由土坝、总干进水闸、船闸(预留位置)、泄洪闸、溢流坝、固滩和堤防等工程组成。北引渠首属大(1)型工程、Ⅰ等工程，主要建筑物泄洪闸为1级，土坝、溢流坝和总干进水闸级别为2级，固滩工程为3级，渠首枢纽工程设计洪水为50 a一遇，校核洪水标准为200 a一遇。泄洪闸正常运用水位176.20 m，设计洪水位179.04 m，校核洪水位 179.73 m，设计洪水流量为4 629 m3/s，校核洪水流量为5 156 m3/s。

1.2 工程构成及其地理位置

泄洪闸位于嫩江主河床枢纽轴线桩号2+473.5～2+ 697处，为平底板开敞式闸，共12孔，每孔净宽16 m，总净宽192 m，泄洪闸纵轴线与水流方向一致以保证泄流平顺，堰型采用宽顶堰，闸底板与河底高程一致，高程为169.0 m。泄洪闸主要由进口段、闸室段、消力池段、海漫段组成。

闸室结构采用钢筋混凝土“U”槽型式，闸室上下游底板设置齿槽，分缝设在闸墩上，止水采用铜片止水。闸墩及挡土墙设置排水孔以降低墙后水位。闸室段长22.5 m，底板厚2.0 m，中墩宽2.5 m，为缝墩，边墩顶宽2.0 m，底宽3.5 m，墩顶高程181.80 m;工作门为16.00 m×7.20 m弧形钢闸门，液压式启闭机，检修门为平板钢闸门，门式启闭机，墩顶设7.0 m宽交通桥。

1.3 主要工程量

本工程的主要工程量为:土方开挖283.3万m3，土方填筑80.32万m3，砂砾石填筑2.04万m3，钢筋制安3 310 t，混凝土11.27万m3，铅丝石笼8.83万m3，无纺布5.92万m2，土工布13.91万m2，工作闸门及埋件810 t，检修闸门及埋件212.5 t。

其中基坑水下砂砾料开挖工程量约为26万m3，其中主江道抽砂船开挖18万m3，两侧挖掘机开挖区域8万m3。

2 工程自然条件

2.1 水文气象资料

工程所在区多年平均气温1～4℃，自10月下旬—来年4月上旬气温低于0℃，区内极端最低气温为－42～－37℃，极端最高气温为36.3～39℃，＞10℃积温分布与年平均气温的分布一致，积温在2 600～2 850℃。年总辐射量110 kK/cm2～120 kK/cm2，由西南向东北逐渐减少。

洪水发生情况见表1:

表1 不同时段不同频率洪水成果表 m3/s

2.2 工程地质

泄洪闸位于嫩江江道中，江底高程164.27～170.47 m，地层为第四系全新统冲积层(alQ4)及中更新统冲积、湖积层(al +lQ2)。其岩性主要为级配良好细砾、高液限黏土、级配良好粗砂、级配良好粗砾等。

区内地下水为第四系松散层孔隙水，分为上、下两层，上层为第四系全新统松散层孔隙潜水，含水层由级配良好细砾等组成，其富水性良好，极强透水性;下层为第四系中更新统孔隙承压水，含水层由级配良好粗砂、级配良好粗、细砾等组成。顶面埋深15.80～20.00 m。其富水性及透水性均较强。其岩性根据钻孔揭露自上而下为:③级配良好细砾(黄色，饱和，中密)连续分布于全区，层厚3.90～6.20 m，层顶面高程168.45～170.55 m，位于水下。④高液限黏土(黄褐色，稍湿，硬塑)连续分布于全区，层厚2.00～6.50 m，层顶面高程163.85～164.95 m。④－1级配良好粗砂(黄色，饱和，中密)呈透镜体状分布于④层中，层顶面高程162.07～164.26 m，最大厚度2.50。⑧级配良好细砾(黄色，饱和，中密)连续分布于全区，层厚15.80～20.00 m，顶面高程158.45～161.07 m。⑧－1级配良好粗砂(黄色，饱和，中密)层厚2.00 m，层顶面高程143.45～143.46 m。

图1 基坑地址勘探断面图

3 基坑开挖的特点分析及对策

3.1 工程特点分析

1)区内地下水为第四系松散层孔隙水，分为上、下两层，上层为第四系全新统松散层孔隙潜水，含水层由级配良好细砾组成，其富水性良好，极强透水性;下层为第四系中更新统孔隙承压水，含水层由级配不良细砾组成，承压水头高8.60～11.40 m，顶板埋深12.80～13.40 m。如采取常规的排水开挖，下层承压水将顶穿相对不透水层，而扰动闸基础，故泄洪闸基础开挖须在水下进行。

2)围堰内基坑土方开挖总量为26万m3，水下级配细砾开挖工程量较大，消力池部位最深开挖底高程为163.50 m，如江水位为175.50 m，则基坑内水下最深达12 m，当水深超过8 m时，抽砂船开挖的效率极底。

3)在169.01～172.18 m高程以下有4.95～9.80 m厚连续分布、中密的级配良好细砾，比较密实，需提前翻松后才能用抽砂船开挖，水下开挖难度大。

4)在两岸存在大量冻土，并进行原码头及护岸拆除。

3.2 采取相应的对策

对于主体基坑土方开挖工程的施工，采取挖掘机及挖泥船联合施工作业的方式，中间部位先用长臂挖对中密的铁板砂进行翻松，再用挖泥船进行开挖，岸边位置采用单勾、反铲及长臂挖掘机进行开挖。

4 主要施工方案

4.1 基础开挖

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为10.5 m，汛期在设计标准内挖深为12.02 m，汛前期为10.21 m，所以在不同的嫩江当时水位的水下开挖亦是影响工程进程的关键。在江底169.01～172.18 m顶高程有4.95～9.80 m厚连续分布、中密的级配良好细砾，对这层已经板结的密实的砾石层，不仅坚硬而且水下开挖深度大，所以其开挖难度较大。

4.2 基础开挖布置

岸边的水上、水下土方开挖采用挖掘机进行开挖，首先修筑临时便道，由挖掘机分多个施工作业面同时进行开挖，水下开挖料经岸边沥水后，再用挖掘机装自卸汽车外运到监理工程师或建设单位指定弃渣场。开挖时一次开挖不到设计深度时，采用长臂挖掘机开挖，最后用挖砂船挖至设计底高程，边坡按水下自然稳定为止，一般在1∶3～1∶4，尽最大限度地减少用挖泥船进行水下开挖的工程量。

泄洪闸基础水下砂砾开挖根据设计单位给定的地质资料，开挖地层砂砾由级配良好的细砾组成，为黄色、饱和、中密连续分布坚硬板结地层，如直接采用挖泥船或采砂船进行开挖效率极低。采取先用长臂挖掘机对该开挖层进行翻松后，再用挖泥船及采砂船进行开挖的施工方案。

基坑内砂砾料开挖随着开挖区域内的水深不同，采用不同的施工方法:岸边挖掘机可作业的部位水深在3.0 m之内的采用普通挖掘机进行开挖，水深在3.0～5.0 m采用长臂挖掘机进行开挖;挖掘机进不去及水深超过5.0 m的区域采用挖砂船及挖泥船进行开挖。

消力池段为开挖工程量最大，约13.2万m3，其中江道抽砂船开挖方量约为5.9万m3，挖掘机开挖方量约为7.3万m3，同时消力池区域也是开挖最深的部位。消力池开挖分为3个开挖区域，即消力池一区，二区，三区。消力池轴线右侧(Ⅰ区)开挖底高程为163.5 m，轴线左侧(Ⅱ区)开挖底高程为164.5 m、靠近左岸(Ⅲ区)开挖底高程为165.5 m。

闸室段基础开挖宽度为22.5 m，长度为228.65 m，基础开挖底高程为轴线右侧166.0 m，轴线左侧166.50 m，开挖工程量约为7.8万m3，其中主江道抽砂船开挖2.78万m3，挖掘机开挖区域5.02万m3。闸室开挖分为二个开挖区域，即闸室一区，二区。闸室轴线右侧(Ⅰ区)开挖底高程为166.00 m，轴线左侧(Ⅱ区)开挖底高程为166.50 m。

图2 挖掘机岸边开挖作业图

图3 消力池基础开挖分区图

图4 闸室段基础开挖平面图

4.3 级配良好密实细砾层水下翻松方法

初步设计拟采用自制浮船，浮船上用18 m长臂挖掘机对水下铁板砂进行翻松。其施工方法是在开挖区的两岸平行于泄洪闸轴线对称设锚固钢丝绳的锚具，通过两岸连接的一对钢丝绳来稳定浮船，长臂挖掘机在浮船上进行水上开挖作业。固定于浮船上的0.5 m3长臂反铲挖掘机，根据开挖区域可在水上对水下用采砂船开挖不了的级配良好细砾实施翻松作业。

后来由于施工工期较紧(主要考虑今年尼尔基水库放流相对不大)，如果焊制200 t双筒浮船需要相当长的时间，又经过经济比较，考虑施工现场嫩江渡桥有200t拖船，经协商后，租用其渡口的200t拖船代替自制浮船。

图5 200 t双筒浮船结构图

在开挖区的拖船上同时用2台长臂挖掘机，其中一台长臂挖掘机将其抓斗锚固与水下坚硬的砂砾料中，另外一台长臂挖掘机开始开挖施工作业。固定于浮船上的0.5 m3长臂反铲挖掘机，根据开挖区域可在水上对水下用采砂船开挖不了的级配良好细砾实施翻松作业。

4.4 基坑水下土方开挖方法

江底经过翻松后的区域再采用50 m3/h抽砂船施工开挖方案。当开挖水深超过8.0 m施工困难时，主要采取两种方法解决:①对抽砂船进行配重，降低抽砂船的吸程;②加快截渗工程施工进度，提前进行基坑内抽水，降低基坑内的开挖作业水面。保证泄洪闸水下开挖的几何尺寸及高程，是泄洪闸水下开挖的关键质量控制点之一。开挖前先进行开挖试验，确定开挖船的布点、开挖方向。挖砂船开挖出的砂砾料，直接输送到岸上，再用推土机集堆淋水，然后用装载机装自卸车运送到围堰外的建设单位指定的临时弃渣场，用推土机将渣料集堆。可用于混凝土骨料的开挖料，通过在岸筛分后，将成品骨料运至混凝土搅拌站的骨料场。

采用挖沙船进行基坑开挖施工示意图见图6。

图6 挖沙船开挖作业施工平面布置图

水下开挖出的土方的临时堆料场设置在下游围堰与大江右岸的沙坑(可以临时堆放10万m3)和下游围堰与导流明渠之间的沙坑内(可临时堆放2万m3);待沥水后由挖掘机装自卸翻斗车运至指定弃渣场。

在土方施工中，经常测量、校正平面位置、标高、边坡。待水下土方开挖完成后，用工作船统一进行基坑高程验收，对不平整的部位，用链斗式挖泥船进行扫平。经自检合格后报监理单位进行验收，验收合格后进行封底混凝土浇筑。

4.5 冻土开挖

每施工段均需要配备1～2台带松土器的挖掘机，先翻松挖除上层冻土，然后采用反铲挖掘机进行水下土方开挖。

基坑的岸上部分已经发生冻结，加之尼尔基水库冬季为国家东北电网调峰发电放水，导致工程区域江段的水位变化每天在1.0m左右，增加了冻土开挖量。为了加快施工进度需要进行冻土开挖，采用带松土器的单钩液压挖掘机首先对上部冻层进行翻松挖除，后面紧跟反铲挖掘机进行水下砂砾料开挖，最后采用长臂挖掘机及抽砂船进行开挖到位。

4.6 岸边护岸及码头拆除

在开挖区域在江道岸边有混凝土码头及多年累积施工的固床抛石护岸3 106.45 m3，钢筋混凝土码头33.6 m3，素混凝土面57.8 m3，在进行岸边开挖之前需进行拆除。水下部分冻土及混凝土采用液压冲击镐先破碎，其余部分用液压单钩钩松，再用反铲挖掘机挖除，对3.0 m以下普通钩机挖不到的部位采用索铲及长臂挖掘机进行护岸块石的拆除。拆除的碴料经岸边沥水后，用挖掘机装自卸翻斗车运至指定弃渣场。