扰动形成的不良地质条件下基坑开挖方法研究
时间：2023-05-31 08:00:31 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
梁炳新，唐天麒，黄 晖
(1.广西北海市湖海水利供水有限公司，广西 北海 536006;2.广西北海北投环保水务有限公司，广西 北海 536006)
穿越富水、淤泥等不良地质地段一直是国内外供水管道建设中的重要课题，也是供水管道防漏、防沉降、治灾的突出问题所在。丰富的水源及淤泥会导致供水管道十分容易产生沉降而脱管，并且在开挖基坑时也会带来诸多不便。若不能采取有效的施工方法，会导致项目建设工程工期延误、施工质量下降、工程造价增加及不安全隐患因素增多等。近年来，随着城市管网的不断建设发展，国内外对不良地质条件下基础开挖及支护方面取得了许多成果。不良地质条件方面，如林红星[1]研究了特长铁路隧道穿越不良地质段的综合施工工艺，实现了环境敏感的西北富水地层的特长单一陡坡隧道的安全、环保施工。王定旺[2]研究了小断面输水隧洞开挖及衬砌和开挖中不良地质处理技术。许越[3]研究了鸿图嶂特长公路隧道力学行为及不良地质段控制措施等问题。基坑开挖对临近隧道及建筑物方面，刘重庆[4]通过数值模拟研究了深基坑变形特征及带水开挖的施工方法。Marta[5]、倪茜[6]以及高广运[7]等人利用数值模拟手段，主要研究因基坑开挖产生扰动而引起临近接隧道体发生的形变规律、受力特性以及开挖时的加固和保护措施等进行了一系列的研究。由此可见，国内外学者对基坑开挖的研究大多数集中在研究其开挖时对临边隧道、铁路及其他建筑物的影响，以及研究其穿越不良地质段隧道开挖施工工艺等相关方面；
而对于城市供水工程穿越农田等含水含淤泥丰富不良地质条件下基坑开挖施工开挖方法却少有提及。本文研究富水农田段供水工程基坑开挖施工方法为后期类似工程建设提供具有价值的参考意义。
北海某原水供水管道改扩建工程在3#、4# 隧洞出口的连通井新增2 条输水管道（5#、6#输水管道），途径环田、仓面垌、下沙路水、大井口、伞唐仔、坡尾、牛角江等村庄，输水方式采用有压重力式自流供水。新建管道拟采用两根（DN1600、DN1400 各一根）预应力钢筒混凝土管（PCCPE），单根管线长度约20.4 km，起止桩号设定为K0+000～K20+371。新建两条管道设计引水流量Q=3.34 m3/s，最高日供水量达26.95 m3/d。根据《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL654-2014）[8]，本工程输水管道合理使用年限为50 年；
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）[9]，输水管道等主要建筑物级别为3 级，次要建筑物级别为4 级。该输水管道跨度较长，经过的地质环境十分复杂，且需要穿越较多含水丰富、含大量淤泥的农田。所以，选择合适的基坑开挖施工方法，是本工程建设是否能够完成顺利通水任务的重要一环。
2.1 不良地质条件的界定
不良地质条件是指软粘土地基承载力低，强度增长缓慢；
加荷后易变形且不均匀；
变形速率大且稳定时间长；
具有渗透性小、触变性及流变性大的特点[10]。本文不良地质条件界定：特指表层长期被水浸泡的农田，开挖极易渗水，开挖一定时间后基坑表面完全被水浸泡，在受机械多次来回扰动后地基承载力无法满足设计要求而形成的泥浆地质。本文研究以北海某原水供水管道改扩建工程K7+080～K7+200 为试验段，共计120 m，且满足设定的不良地质条件要求，试验段见图1。
2.2 连续开挖方式
连续开挖方式，即开挖较长距离后再进行安装管道的方式。本文的连续开挖方式，是指将试验段一次性开挖完成，实际每天可开挖基坑30 m，开挖完成后一次性安装管道，开挖桩号为C。开挖时从小桩号向大桩号方向进行开挖。据实际统计，全部开挖完成后每天可安装管道（双管共沟）24 m。其他按设计要求，开挖基坑深约3 m，宽5 m，放坡按1:1 进行。开挖时因基坑大量渗水，基坑表面容易被水完全浸泡，且经过挖机的多次来回扰动后，形成地基承载力无法满足设计要求的泥浆地质，见图2。此时需用片石换填使其地基承载力满足设计要求后才能进行管道安装，否则将会因承载力不足发生沉降，从而形成脱管渗水现象。
2.3 分段开挖方式
分段开挖方式，即采用边开挖边安装管道的方法，具体指在合适机位前提下保证前段开挖基坑满足安装管道条件。也就是先将基坑长度开挖7 m，所开挖基坑各项参数均满足设计条件，同时进行管道安装。据实际统计每天可完成18 m管道安装（双管共沟）任务。
3.1 片石换填实际用量的确定
设定连续开挖试验段片石换填平均高度为0.4 m，理论上所需换填片石量为：
式中：T 为所需片石量（m3），S 为试验段基坑底面积（m2），H 为换填片石高度(m)，α 为片石换填修正系数。α=1 时，计算得到理论需要换填片石方量为:
实际情况下，实际量比理论量要小，经过现场分段统计得到实际片石换填修正系数α 见表1。
表1 片石换填实际修正系数α
由表1 与图3 可知，在试验段范围内，实际片石换填修正系数α 与先后开挖存在着正相关关系，且近似于线性相关，拟合后相关系数R2=0.983 2。随着试验段基坑的不断开挖，由于该位置极其容易渗水，外加上机械的不断扰动，该试验段片石换填修正系数随先后开挖而逐渐升高。将试验段分为3 段，每段20 m，其平均修正系数α 从0.883 上升到0.958，上升幅度达8.49%。同时，得到实际需要片石换填修正系数α 与先后开挖拟合曲线为：
式中，X 为1、2、3 段，每段20 m，具体桩号如图3 所示。试验段实际换填片石用量为：
由此可知，在片石换填修正系数下，实际换填片石用量比理论用量少8.23%，主要原因是换填时片石间存在大量的空隙，而无法完全使用片石将其填满。
3.2 施工进度对比
拟定上述两种开挖方式使用的人员、材料、机械均相同，不考虑泥土倒运及其他管理费用，分别统计实际开挖到管道安装完成不同开挖方式下具体用工时间见表2、表3。
表2 连续开挖方式用工时间表
表3 分段开挖方式用工时间表
设定用工工期为1 台班=1 天，连续开挖方式开挖基础时挖机在各工序中不能同时使用，分段开挖方式中能够满足同一天使用条件。根据表2、表3 得到试验段不同开挖方式下用工时间对比结果，见图4 所示。由图4 知道，连续开挖方式比分段开挖方式中安装作业人员及吊车使用用工时间均少1 d，而挖机使用用工时间则多2 d；
此外，在选取的试验段里，前者总用工时间比后者多2 d。采取分段开挖方式，施工进度更快，工期更短。
3.3 经济效益对比
为了进一步确定不同开挖方式下各自的经济效益性，根据调查统计可得到当地市场人、材、机费用市场均价见表4。
表4 人、材、机当地市场均价
根据表4 结合图4，得到试验段不同开挖方式下经济效益对比结果，见图5。
由图5 可以知道，试验段中分段开挖方式不存在片石换填费用，其人工费、吊车使用费均比连续开挖方式多；
其中，人工费多0.125 万元、吊车使用费多0.28 万元，挖机使用费少0.155 万元。此外，前者总费用比后者总费用少40.27%。最主要原因是，连续开挖方式未能及时安装管道，因基坑大量渗水，使得已开挖基坑被水完全浸泡，并在机械多次来回走动下因为扰动造成不良淤泥土质，从而不得不回填片石以满足设计承载力要求，后者多花的费用主要是需要进行基坑基础换填导致的。
选取北海市某原水供水管道改扩建工程项目中K7+080～K7+200 为本文的试验段，该段四周环田极易渗水，在机械扰动作用下地基承载力无法满足设计要求且容易形成的泥浆的不良土质。先将其分为两个部分，各60 m，再分别采用连续开挖方法及分段开挖方法进行基坑开挖并安装供水管道施工，得到以下主要结论：（1） 在选取的试验段里，连续开挖总用工时间比分段开挖多2 d，即在相同地质、相同人员、相同使用机械的情况下，分段开挖方式施工进度更快，更加节省工期。（2） 与连续开挖方式相比，分段开挖方式因边开挖边管道安装特点，机械在基坑上来回走到次数少（可忽略不计），造成扰动较小，所以开挖的基础不需要进行换填处理。（3） 连续开挖方式总费用比分段式开挖方式总费用多40.27%，即在设定四周环田极易渗水、在机械扰动作用容易形成泥浆的不良地质环境下，使用分段开挖方式更为经济，更加节约成本。
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