某软土深基坑开挖方案优化设计

魏 昕

（江苏省灌南县建筑工程质量监督站，江苏 连云港 222000）

基坑开挖过程是事故频发的时间段，在许多基坑工程中由于开挖方式的不当引起的坍塌事故屡见不鲜[1-4]。如何确定基坑开挖的方案尤为关键，其合理性决定基坑工程的安全性。尤其在软土基坑开挖中，由于软土的工程性质极差，往往产生基坑变形过大而倒塌或者大量工程桩产生倾斜的后果[5-7]，常规的开挖方法并不一定适用。以连云港某污水处理工程为例，其基坑类型为圆形深基坑，采用了水力冲挖法进行软土基坑开挖，并通过开挖过程中监测分析，认为水力冲挖法在软土基坑开挖中具有一定的优势。

1 工程概况

连云港某污水处理工程采用了半地下式钢筋混凝土池体，为直径52 m的圆形基坑，最大开挖深度4.8 m，池底采用了预应力混凝土管桩基础，管桩直径为500 mm，长度18 m。沉池底板呈1：10倾斜，见图1中所示剖面图。经过工程勘察，影响本工程的主要土层自上而下分别为：素填土层，平均厚度约0.95 m；黏土层，平均厚度约1.03 m；淤泥层，平均厚度约15.15 m。基坑主要涉及的土层见表1。

图1 基坑开挖示意图

表1 土层物理力学性质

从表1中可以看出，淤泥土层的强度极低，其对工程桩的约束作用较小，因此基坑开挖过程中工程桩的保护是最大的难点，稍有不慎就会出现工程桩倾斜或断桩事故。

2 开挖方案优化

针对本基坑的具体情况，分析了两种基坑开挖方案，方案一为首先采用满堂式深搅桩对池底进行加固。采用此方案时，如果采用机械开挖，由于地基土的性质较差，势必对工程桩产生影响，在以往工程中由于机械开挖导致的工程桩倾斜事故屡见不鲜，如图2所示。如果采用人工开挖势必加长的工期，且采用此方案时其地基加固的费用较高。针对此方案曾召开两次专家评审会，与会专家一致认为，该方案在技术上经调整后可行，但经济上不可行。

图2 机械开挖导致的桩体倾斜

方案二为采用水力冲挖法进行基坑开挖，且仅对地基进行部分加固。此方案首先放坡开挖基坑顶部2.1 m范围的土层，接着进行底板施工，两条管道及中心下沉区域底板暂不施工；然后开挖管道及中心下沉区域土层，并采用搅拌桩支护及格栅加固；最后施工剩余部分底板。

方案一、二的造价对比见表2所示。考虑到工程造价、工程桩保护、场地条件、施工工期等多方面因素，该工程最终决定采用方案二施工。

表2 不同方案造价对比 /万元

3 水力冲挖施工工艺

3.1 水力冲挖介绍

水力冲挖施工法借鉴了自然界水流冲刷的原理[8]，借助水力作用来进行土方开挖及运送，再用立式泥浆泵及其输泥管吸送。

与传统土方开挖方式相比，该法具有以下优点：

（1） 提高了土方开挖的机械化程度。对于软土场地的基坑而言，由于土体的工程性质较差，为了最大限度地降低工程扰动，一般采用小型机械作业，或者采用人工开挖，这就大大增加了开挖程序。采用水力冲挖法后，土方开挖及外运全部机械化，显著提高了施工机械化程度。

（2） 显著缩短土方开挖工期。水力冲挖法的机械化程度高，挖土效率快，且可以24 h持续工作，可以显著缩短施工工期。

（3） 水力冲挖机组自重轻，冲挖过程中对工程桩扰动小，另外产生的泥浆将由管道运输至外部，这就避免了土方外运机械对工程桩的扰动。因此，本工法在开挖及外运两个方面同时降低了扰动。

其施工流程见图3。

图3 水力冲挖工艺流程图

3.2 水力冲挖工艺的主要工序及控制要点

（1） 杂物清理。

为了提高冲挖效率及保护冲挖设备，应在开挖前清楚地表杂物。严禁擅自焚烧污染环境。清理瓦砾、建筑垃圾等杂物采用小型挖掘机，局部体积较小的采用人工挖除。

（2） 水力冲挖施工。

首先用高压水泵抽水，再接送至高压水枪进行冲挖。冲挖产生的泥浆将由泥浆泵抽出，泥浆泵固定于浮筒上。排放出的泥浆由管道输送至泥浆池中，并进行沉淀。

沉淀产生的清水作为冲挖循环水使用，水力冲挖设备最佳工作水深约为1 m，因此，在施工中应严格控制开挖区水位。

（3） 泥浆处理。

场外泥浆采用管道运输，管道直径应根据泥泵出水口扬程、输送距离及流量等因素制定。如果输送行程较大，中间可设置加压设备，以增加输送效率。如图4所示。注意泄水口的布置，要避免泄水对周围环境的影响。

图4 浆液输送中间加压实况

3.3 水力冲挖法效果评价

图5 为高压水枪冲挖现场图片，本次开挖选择的水枪扬程为55 m，流量55 m3/h。泥浆泵扬程20 m，流量200 m，55 m3/h。

图5 水力冲挖过程图片

本次开挖对基坑周边进行了变形监测，结果显示位移量极小，完全满足工程要求。图6为基坑底板浇筑现场图片。

图6 基坑底板浇筑图片

由于采用了水力冲挖法，基坑底部工程桩的偏移量得到了有效控制，如图7所示。大部分工程桩偏移量在10 mm以内，最大桩体偏移量为47 mm，按规范要求倾斜程度不得大于0.5%，即90 mm，满足要求。

图7 工程桩偏移情况

4 结语

海相软土的特殊工程特性，在开挖过程中易引起很多技术问题，在这种背景下研发基坑土方的水力冲挖技术，有效的解决了这些问题，并能显著节约工程造价，减少施工工期。通过工程实践，得到以下基本结论：

（1） 水力冲挖技术有其特有优点，但是应注意其适用性。深厚软土场地，机械开挖容易造成桩基倾斜，周边具备一定的泥浆处理场所，可考虑采用本方法；硬质场地土自身强度高，水力切割困难较大，不适宜采用水力冲挖。

（2） 与水利疏浚工程不同，水力冲挖的施工对象是基坑工程，土体含水量变化易造成基坑侧壁安全性下降，故坑内冲挖泥浆量应控制在较小范围，以泥浆深度满足泥浆泵正常工作即可，泥浆过多时可通过增加泥浆泵数量进行调节。

（3） 水力冲挖一般采取盆式挖土，即先挖中间区域，后挖周边区域土方。必要时周边土方课采用机械挖土或人工挖除，减少土体含水量增加值。

（4） 应结合项目周边环境特点，合理设置存浆池，杜绝泥浆输送造成的环境污染。

软土基坑开挖极易导致变形过大和工程桩偏位等事故，本文提出的水力冲挖法能够有效地避免这些事故，并通过了工程实例的验证，在采用水力冲挖法后基坑变形量极小，且基坑底部的工程桩偏移量也在规范允许范围内。