水工建筑基坑开挖施工技术分析

陈宏杰

广东省基础工程集团有限公司

摘要：水工建筑基坑开挖施工是水利工程建设的关键环节之一,由于其特殊的地质、水文条件和空间环境制约,具有很高的施工难度和风险。本文首先分析了水工建筑基坑开挖施工的特点,包括地质条件复杂、空间环境制约和水文影响突出等。然后介绍了常用的基坑开挖施工方法,如土钉墙法、钻孔灌注桩支护法和钢板桩支护法。最后提出了水工建筑基坑开挖的关键施工技术要点,包括支护结构设计、降水控制措施和监测预警系统,以确保施工安全顺利。

关键词: 水工建筑；基坑开挖；施工技术；支护结构

引言:水工建筑是水利工程中重要的组成部分,如水电站、泵站、水闸等,其大都需要在河床、河岸或江海底开挖基坑后方可施工建设。基坑开挖施工环节对于工程顺利进行和建筑物质量安全至关重要,但由于其特殊的自然环境条件,施工难度较大、风险也较高。如何科学有效地对水工建筑基坑进行开挖,是亟需研究和解决的技术问题。

一、水工建筑基坑开挖施工的特点

(一) 地质条件复杂

水工建筑基坑开挖施工所处的地质环境通常较为复杂。很多水工建筑需在河床、河岸或江海底等区域施工,这些地区的地质结构往往由多种类型的土层或岩层叠加组成,如卵石层、砂层、黏土层、风化岩层等,层次不明显、成分差异大,给基坑开挖带来诸多困难。此外,由于长期受水流冲刷和扰动,地层可能存在流土夹层或软弱夹层,导致地基承载力较差,不利于支护结构的设置。

(二) 空间环境制约

水工建筑基坑开挖施工受周边空间环境的严重制约。一方面,由于临近河道或海域,基坑开挖施工场地空间有限,机械设备进场及其布置成为难题。另一方面,受建筑物布置、交通条件等影响,基坑周边往往存在建构筑物、线路管线等,施工作业半径和范围受到很大限制,支护结构选型和设置也受到空间约束。此外,河道内施工还受季节性行洪的影响,需要保留足够的泄洪空间。

(三) 水文影响突出

由于水工建筑基坑开挖多位于河床或江海底部,因此水文环境的影响尤为突出。基坑内不可避免地存在地下水或河水的渗流,会影响开挖面的稳定性,造成底部突涌或坡面失稳等安全隐患。此外,河流的季节性洪水位变化也会对支护结构产生不同程度的冲刷和侧压力,必须在设计和施工时充分考虑水位因素。同时,降雨等天气条件的变化,也会加剧水文环境的复杂性。

二、水工建筑基坑开挖施工的主要方法

(一) 土钉墙法

土钉墙法是当前应用较为广泛的一种水工建筑基坑支护方法。其原理是在基坑开挖面按一定间距、角度钻孔,然后在孔内植入钢筋或钢筋束,并注浆将其与周围土体锚固,钢筋和锚浆体起到了"钉"的作用,形成一道具有一定抗拔强度的受力支挡墙。在基坑外加设喷射混凝土或钢筋混凝土面板作为面板支撑,从而达到对开挖面的支护目的。土钉墙法具有一定的施工便利性,可逐步开挖支护,无需事先挖孔桩基坑,造价相对较低。该方法支护强度和变形控制能力较好,尤其适用于支护性能要求不太苛刻的中小型基坑。但其支护深度通常不宜过大,难以满足特大型水工建筑的需求。同时,在地下水位较高或开挖面渗透性差的地质条件下,可能会影响支护效果。

(二) 钻孔灌注桩支护法

钻孔灌注桩支护法是将成排的钻孔灌注桩作为基坑支护结构,其支护机理类似于桩撑结构。首先在基坑周围钻孔,然后将钢筋笼吊放入孔内,最后注浆形成单桩。桩身采用一定间距排列在地层中,并在桩顶设置盖梁和支撑杆,形成整体支护系统。这种方法能够满足大型基坑的支护需求,支护强度较高、变形控制性能良好。钻孔灌注桩可植入坚硬地层中,增大支护深度,适用于多种复杂地质环境。但该方法初期投资较大,施工工序较多,尤其是在高地下水位条件下施工难度加大。此外,桩身的排列可能会对周边环境产生一定的影响,如建筑物、管线等的变形。

(三) 钢板桩支护法

钢板桩支护法是先将预制的钢板桩按一定间距和顺序顶入地层中,形成连续的围护墙体,然后对围护体内部进行开挖施工的一种支护方法。钢板桩具有一定的刚度和整体性,可抵御开挖面的外侧土压力和水压力。该方法适用于地质条件相对简单的场地,施工工期较短,不受地下水位高低的影响。但钢板桩长度有一定限制,支护深度较浅,难以满足大型基坑的需求。此外,钢板桩的连续性也容易受到障碍物的影响,适用性受到局限。在桩身顶入过程中,还存在噪音和振动的问题。总的来说,该方法多用于中小型临时性的基坑支护工程。

三、水工建筑基坑开挖施工技术要点

(一) 支护结构设计

合理设计支护结构是水工建筑基坑开挖施工的关键技术要点。支护结构设计应充分考虑工程所在的地质条件、水文环境以及施工空间等因素,并按照足够安全的设计原则,选择适宜的支护形式和参数。首先,需要通过详细的工程勘察和设计,准确获取场地的地层分布、物理力学性质等信息,分析地基承载力、土体变形特征等,为支护结构计算和选型提供基础数据。其次,根据基坑开挖深度、周边环境等,合理确定支护体系类型,如采用土钉墙法、桩撑支护或钢板桩支护等单一形式,还是结合不同形式的复合支护。在具体设计中,需要科学计算各作用于支护结构的荷载,包括土体侧压力、水压力、上部活荷载、施工荷载等,并充分考虑荷载的动力学效应。同时,支护材料的抗拔强度、抗剪强度、变形控制性能等也应纳入设计依据。对于某些特殊工况,如极端降雨、地震等,也需结合风险评估加以满足。支护结构与基坑开挖面的空间位置、相互作用关系也是设计的重点内容。需要科学设置支护结构的埋深、支撑系统参数,并优化整体布置,避免对基坑外部环境产生不利影响。

(二) 降水控制措施

由于水工建筑基坑多位于河道或临近江海等区域,开挖面内的渗水是一个必须重视的难题。过多的渗水不仅会影响开挖面的稳定,还可能造成基坑底部的突涌或流砂等现象,危及施工安全。因此,采取针对性的降水控制措施是水工建筑基坑开挖施工的重要技术要点。首先,要做好基坑开挖前的防渗和降水处理。如采取注浆加固地基、设置切渗墙、打设溢流井等措施,阻止外部水体向基坑内大量渗透。其次,可利用水位观测资料,结合施工进度安排,选择合理的施工时段,避开河流洪峰期或大潮期。在基坑开挖过程中,需要采取各种排水措施,如设置集水沟、排水沟和水泵,及时将基坑内的积水排出，深基坑还可采用抽水锚杆等措施。对于某些渗水严重的地质情况,则需要采取更加专业的控渗降水方法,如冰凝法、高压注浆法、遮污帷幕法等。

(三) 监测与预警系统

基于水工建筑基坑开挖施工的复杂环境和高风险性,建立完善的监测和预警系统是重中之重。通过实时监控支护结构的变形、周边环境的位移等指标,能够及时发现异常情况,并根据监测数据进行分析预警,制定应对措施,从而有效避免安全事故的发生。针对支护结构本身,需要设置监测其水平位移、沉降变形、应力应变等参数的监测点和仪器。如在支护桩身、锚杆等位置布设位移计、应力计等仪器。同时,还要监测基坑周边土体的变形情况,以及毗邻建筑物和管线的倾斜、位移等,及时掌握对周边环境的影响程度。对于水文条件的监测,也是不可或缺的重要内容。如在基坑内和毗邻区域设置地下水位监测点,对地下水位的变化情况进行动态跟踪。对于临河基坑,还需要监测河道的水位变化。此外,对于一些重点区域,可以结合视频监控、无人机航测等辅助手段,全面收集现场影像数据。

结语

水工建筑基坑开挖施工是水利工程建设中的重要环节，对工程的安全性和稳定性具有重要影响。本文系统分析了水工建筑基坑开挖施工的特点、主要方法以及技术要点。通过对支护结构设计、降水控制措施和监测预警系统等方面的深入探讨，提出了一些有效的施工技术建议。我们期待这些研究成果能够为水利工程建设提供有益的指导和参考，促进工程施工的安全高效进行，确保工程的质量和稳定性。

参考文献

[1] 陈树欣.对水工建筑基坑开挖施工技术的分析[J].科技与企业, 2014.DOI:CNKI:SUN:KJYQ.0.2014-01-146.

[2] 韩之丰.对水工建筑基坑开挖施工技术的分析[J].四川水泥, 2015.DOI:JournalArticle/5b3bf817c095d70f009c6227.

[3] 姜冬梅.探析水工建筑的基坑开挖施工技术措施[J].中国水运：下半月, 2014, 14(9):2.DOI:CNKI:SUN:ZSUX.0.2014-09-143.