临海深大基坑降水干开挖施工组织设计技术浅析

陈顺治 唐 壹

中交二航局第一工程有限公司

1 引言

港池干开挖施工工艺是将大部分疏浚所需进行工作转换成干开挖这种低成本高效率的方式来完成，可实现成本和工期的优化。本文以某集装箱码头项目的成功实施为例，详细介绍了临海深大基坑降水干开挖港池的施工工艺及技术要点，为类似项目提供参考。

2 工程概况

码头港池设计长1350m，顶部宽325m，底部宽250m，顶部标高+3.5m，底部标高-17m，港池北侧是地连墙码头，地下连续墙埋深32.5m（底标高-29.0m），开挖深度20.5m，干开挖总方量约600余万方。港池开挖平面图及临海侧围堰截面图如图1、图2。

图1 港池开挖平面图

图2 临海侧围堰截面图

3 工程地质情况

港池地质大体分为3层：

（1）港池0m～1350m区域标高+3.5m～+1m为粉细砂层或砂夹泥层，为松散地层，砂质粉土或粘质粉土夹有少量细砂，厚度不等。

（2）港池0m～1350m区域标高+1m～-8.5m为较密实的粉细砂层，粉沙或砂砾，非常密实，厚度不等，中间偶尔会遇到1m～2m厚的黏土层，粉质黏土夹有少量的细沙，厚度不等。

（3）港池0m～700m区域标高-8.5m～-43.5m为较为密实的砂卵石层，非常密实，砂卵石，少量粉土填充，中间-10m～-16m标高有1～4m厚的粉质黏土层。

（4）港池700m～1350m 区域标高-8.5m～-43.5m 为较为密实的砂卵石层，非常密实，砂卵石，少量粉土充填。

4 气候及水文情况

项目地处红海边上，全年干旱少雨，年降水量约为22.8mm，该地区盛行北风和西北风，最大风速约为16m/s。最高天文潮位+2.20m，最低天文潮位-0.10m，平均水位+1.1m。

5 港池开挖设计

5.1 开挖区域及分层划分

结合港池四周降水井施工计划将干开挖施工划分成四个区域M1（0m～300m），M2（300m～600m），M3（600m～900m），M4（900m～1350m），其中在M1和M2设置两道围堰作为阻水和降水平台。港池开挖完成后，继续M2区域第二道围堰开挖，第一道围堰最后疏浚（如图3）。

图3 港池开挖区域划分图

每区分级降水、分层开挖，开挖前先将水位将至开挖层底标高以下。港池靠近地连墙区域预留30m 保护区，待前墙和锚墙施工完成后墙后开挖标高控制在+0.0m，先施工拉杆再施工胸墙，胸墙施工完成后将30m 保护区采用干开挖挖至-17.0m（如图4）。

图4 港池分层降水开挖断面图

5.2 不同地层开挖方式

对于不同地层特性设计挖机开挖方式以减少修筑道路的影响和提升开挖效率。不同地层开挖方式如图5。

5.2.1 粉质黏土夹砂卵石层开挖。

对于粉质黏土层夹砂卵石层，由于粉质黏土层不适合修筑自卸车道路，选择自卸车道路修筑在砂卵石层层上，挖机可正铲或反铲开挖进行装车，前期由于降水的影响，自卸车只能位于挖机后方，挖机倒退的方式开挖上料。降水完成后最优方式是自卸车在挖机前方，挖机反铲开挖上料。

5.2.2 粉质黏土层开挖

主要分布在M1和M2区域（CH0～700m），粉质黏土层较厚且不适合修筑道路，所以此区域开挖将一个断面5m～7m高度整体开挖，挖机先修筑一个3m 左右高台阶，对于台阶和后侧的土进行同时向后退方向开挖，自卸车道路位于底部的砂卵石层上。

5.2.3 砂卵石层开挖

对于砂卵石层开挖，比较适合道路修筑，最优方式是反铲开挖，自卸车在挖机前方上料。

图5 不同地层开挖方式

5.3 边坡设计

每层开挖边坡需按设计坡比开挖到位，港池南侧和西侧-1.5m以上位置是小于1：5坡比的自然散坡护岸，-1.5m以下是柔性沙坡，坡比为1：2.5，两道围堰设置1：2坡比开挖，地连墙保护土体按1：3坡比开挖（如图6、图7）。

图6 港池开挖边坡设计

图7 港池开挖边坡设计

5.4 道路设计

5.4.1 道路布置原则

结合地形主干道尽量宽，厚路基减少维护，循环路增加通行效率。

5.4.2 道路布置说明

将在M1和M2，M3，M4区分别布设施工道路，做到互不影响。港池外的主道路宽度设计15m宽，双向两车道，进入港池内的道路设计宽8m。港池内根据分区分段情况布设支路向池内主道路辐射，形成循环路。随开挖层加深道路按1：10 放坡修筑（如图8）。

图8 道路平面布置图

5.4.3 道路修筑维护说明

港池外主干道主要位于港池四周和去弃土区的道路，需要在松散的沙漠状原地面上修筑，道路设计15m 宽，双向两车道，路基厚度50cm，采用30mm～60mm级配碎石和马儿土修筑，5%～10%含水率，铲车摊铺，压路机压实，压实后洒水养护，经过太阳暴晒后，道路具有较好的承载力，能满足后八轮自卸车载重承载力要求，道路中间放置空油桶作为中央隔离带，道路外侧边缘用原状土堆成边坡防止自卸车冲出道路外侧。

港池内开挖道路主要采用开挖的原状砂卵石土进行修筑，宽度8m，双向单车道，路基厚度50cm，黏土层上路基厚度1m，道路两侧使用原状土堆防护，防止自卸车冲出道路。

开挖过程中始终安排设备进行道路的维护，每天换班后对道路进行洒水，所有道路交叉路口设置旗手进行车辆指挥。

5.5 设备配置

以高峰期土方最大开挖量为6 万方/天示例，设备考虑两个台班，每个台班10小时。

5.5.1 挖掘机配备

挖掘机生产效率按下式计算：

式中：

q——斗容量，取1.2m³；

K充——铲斗充盈系数，取0.90；

K松——土的可松系数，松散土层取0.90，黏土层取0.8，砂卵石层取0.70；

K时——时间利用系数，取0.75；

T——挖掘机工作循环时间，松散土层取15S，黏土层取16S，砂卵石层取17s。

则一台1.2m³的挖掘机每小时的生产率为：

①松散土层。

每天按1台班10小时计，两个台班20小时

挖机数量：N=60000÷3480.4=18台，则取18台1.2m³的单斗反铲挖掘机进行土方开挖。

②黏土层。

每天按1台班10小时计，两个台班20小时。

挖机数量：N=60000÷2916=21台，则需21台挖机。

③砂卵石层。

每天按1台班10小时计，两个台班20小时。

挖机数量：N=60000÷2401.4=25台，则需25台挖机。

5.5.2 自卸车的配备：

自卸车考虑两个台班，每个台班10小时。

自卸车生产率P装可按下式计算：

式中：

V——车箱堆装容量，按平均15m³计；

T——工作循环时间，内弃土区运距按平均3km 计算，取22min；

K松——时间利用系数，取0.75；

则自卸车生产率P装=15×60×0.75÷22=30.68（m³/h）

每天运土量：P=10×2×30.68=613.6 m³/d

则每台挖掘机应配套的自卸车数量为：

①松散土层。

总共须要自卸车数量为：

若T——工作循环时间，外部弃土区运距按平均25km计算，取55分钟计算，则需要配备自卸车：N车=14辆。总共需要自卸车数量为：N车=18×14=252辆。

②黏土层。

N车=P挖÷P装=145.8÷30.68=4.75 台。总共须要自卸车数量为：N车=21×4.75=100辆。

若T——取55分钟计算，则需配备自卸车：N车=11辆。总共需要自卸车数量为：N车=21×11=231辆。

③砂卵石层。

N车=P挖÷P装=120.07÷30.68=3.91 台。总共须要自卸车数量为：N车=25×3.91=98辆。

若T——取55分钟计算，则需配备自卸车：N车=9.5辆。总共需要自卸车数量为：N车=25×9.5=238辆。

6 施工困难点及处理方式

港池开挖深度超过20m，高峰期日均开挖方量6 万余方，现场施工设备400 余台，白夜交替，现场生产组织、交通管控难度大，风险高，主要困难点几处理方式如下。

6.1 地质影响

6.1.1 黏土层

+1m～-8.5m地层，中间偶尔会遇到1m～2m黏土层；针对黏土层的开挖，在开挖过程中应避免直接开挖到这层对下层开挖道路修建带来困难。具体措施如下：

黏土层对降水的影响，由于黏土层保水性较强，对降水的快慢有影响。当开挖至黏土层表面含水较多则开挖表面排水沟，把表面未渗透的水引导集中明排水。

对于黏土层对施工道路的影响则分以下几点。

（1）若黏土层每层开挖的中间层，则直接挖到黏土层以下。

（2）若黏土层在开挖下一层的表面，本层开挖不能完全挖完黏土层则本层开挖的时候减小开挖厚度在黏土层上方预留50cm作为下一层开挖的施工道路。

（3）如开挖黏土层太厚则采用挖机翻土把黏土层翻起来放在两侧，中间开挖至砂卵石层作为施工道路。

（4）对于黏土层的开挖，自卸车主要选择后八轮运土，对道路适应性较强，增加运输安全性。

6.1.2 硬层

硬层主要出现在港池M1，M2区域-9m～-10m标高位置，厚度在0.5m～1m不等。

（1）硬层对降水的影响，硬层和黏土层一样也具有相对隔水性，属于隔水层，在降水的时候需要打引渗井提前降水，或在挖到硬层后使用破碎锤在硬层上开口使硬层上的水下渗。

（2）硬层对开挖的影响主要是硬层的硬度较硬，呈板结装，面积较大，厚度较厚，标惯值在50以上，又不像混凝土一样具有脆性，挖机破碎头一凿一个洞，并没有破碎开，所以使用挖机破碎头进行硬层破碎效率极差。当开挖至硬层时，使用带松土勾的推土机破硬层，前期采用小松D355和D455进行破硬层施工，可以破除50cm 厚的硬层，但遇到较厚硬层时破碎效果较差，出现履带打滑情况，后期采用更大更重的CAT D10N 推土机，破碎效果好，可以轻松破碎1m 厚板结的卵石层大大增加了破碎效率。

6.2 交通影响

（1）主干道车流量大，与支路道路设计成循环路，增加单向通行效率，主干道和支路点都设置人工交通指挥点，指挥车辆汇入主干道避免交通拥堵。

（2）主干道易出现车辆超速，出现安全事故，主要是通过增加减速带，道路中央设置隔离带，控制车速不超过30km/h，增大道路车辆行驶安全性。道路两侧设置1m高沙坡，防止车辆冲出道路。

7 结语

（1）开挖前需对施工区域地质情况充分分析，有利于对开挖方式的设计以及开挖设备的选型。

（2）针对不同的地质条件下进行开挖效率的分析，有利于设备选型以及道路布置设计。

（3）场内道路布置，主干道尽量宽，路基修筑承载力满足最大承载要求，避免道路维护频繁影响道路通行，场内设置循环路，单向通行提升运输效率。

（4）交叉道路设置交通指挥点，主干道需设置减速带，道路中间设置中央隔离带，道路两侧设置1m 高沙坡防护，增大道路行驶的安全性。