泵站基坑开挖及支护施工技术要点

泵站是水利工程的重要组成部分,建设泵站必须开展基坑施工,而且后者质量将会直接影响泵站以及水利工程整体实用性。因此,科学选用施工技术,强调基坑开挖与支护可靠性成为工作重点。在此情况下,探究泵站基坑开挖以及支护技术要点,有利于总结经验、优化方法,能为泵站基坑工程现场施工提供有力支持和指导。

作为泵站工程中不可或缺的一部分,泵站基坑施工的可靠性将直接影响泵站工程整体效益。随着泵站使用范围扩大、工程数量增多,有关于泵站施工技术的研究也不断丰富。实际作业环节,泵站基坑开挖以及支护技术种类极具多样性,但在使用中却不能随意选用。从现实角度来看,泵站基坑开挖与支护技术选用必须从实际出发,否则极容易出现支护失效的情况,将会对施工人员的生命安全造成威胁。为此,笔者对常见的泵站基坑开挖与支护技术的种类和实施要点加以总结,以便施工人员可以结合实际作出合理选择。
1.1开挖技术要点
泵站基坑开挖主要依靠机械完成,施工时需要按照工程需求安全、快速地完成土方开挖。泵站属于水利工程,所以此类工程的基坑开挖以明挖技术和边坡开挖技术为主。

1.1.1明挖技术。

开挖泵站基坑前,设计人员需要先根据实际需求,选定阻水支护方案,从而避免地下水或土层位移引发安全风险。明挖技术具有简单成熟、高效便捷的特点,是最具普遍性的一种基坑开挖方法。实际作业环节,基坑开挖人员需从地表开始向下开挖基坑,开挖深度应该与设计标高等同；而且,在开挖过程中,应该遵循“边挖边支”的原则,确保基坑稳定性和地下施工安全性。通常来说,基于明挖法开挖基坑,应先做好基坑排水再进行土方开挖；主要排水方法为设置排水沟、截水沟、挡水台、排水井,打造排水管网。为保证技术应用实效性,土方开挖环节施工人员应该按照分层、分段开挖支护的方式作业,实践中必须严守施工顺序、高度重视质量把控,严禁超挖。

1.1.2放坡开挖。

放坡开挖是一种具有较高安全性的基坑开挖方式,该方法在水利工程施工中十分常用。从本质上来看,放坡开挖就是在深基坑边缘放出足够边坡,将直上直下的基坑开挖方式转化为斜坡下挖,从而避免土壁倒塌的一种基坑开挖技术。通常来说,放坡开挖技术适用于土质条件恶劣的地区,在软土、砂土等土层稳定性差的区域常采用此方法开挖基坑；而且,施工场地土层含水量高、基坑开挖深度超过3m或基坑周边建筑数量多时也可选用此方法来提高施工安全性。需要注意的是,放坡开挖对周边环境影响大且对空间开放性要求高。
1.2支护技术要点
结合实践不难发现,泵站基坑施工中开挖与支护技术需要配套使用,而在支护环节既可以选择单一技术也可通过技术合用达到复合支护体系。当前,最为常用的集中泵站基坑支护技术如下。

1.2.1土钉墙支护技术。

土钉墙的本质是一种土挡墙,施工时需要以粗钢筋或角钢为土钉加固天然土体从而极具稳定性的挡墙。作为一种复合土体,土钉墙最大的价值就是保证基坑稳定性,有效应用土钉墙不仅可以形成安全可靠的支护结构,使边坡整体稳定性和超载承受力增加；更能减少基坑施工的成本支出、噪音振动以及放坡难度。采用土钉墙支护技术时,泵站基坑施工人员同样需要采取分层分段“边挖边支”方式作业,施工顺序如下：①基坑开挖；②边坡处理；③钻孔插筋；④注浆铺网；⑤混凝土喷射；⑥混凝土养护。需要注意的是,应用土钉墙支护技术必须严格控制注浆水灰比（大多为1:3）,强调钢筋网铺设环节的网片固定间距误差控制（不超过±30mm）；还必须保证均匀且自下而上地灌注混凝土,结合实际控制分层喷射厚度并保证养护质量。

1.2.2土层锚杆支护技术。

土层锚杆施工技术原理十分简单,设计应用环节需要先做好基坑围护结构设置,然后随着基坑开挖深度增加不断在土层内部进行锚杆施工。施工中,土层锚杆的两端应分别与土层和基坑围护结构相连,这样可以切实保证支护土层的稳定性。对于泵站基坑施工人员来说,使用土层锚杆施工技术需做好锚杆钻井,无论是基于冲击式钻机、旋转式钻机还是冲击旋转式钻机都可有效成孔；将锚杆插入钻孔前需做好防腐处理,锚杆插入时需要做好灌浆工作从而使锚杆与土层紧密结合；确保锚杆稳固后即可张拉锚杆,此时可基于千斤顶施工,完成张拉锚固以后开展二次灌浆。

1.2.3水泥土挡墙支护技术。

泵站基坑施工中,基于水泥挡墙支护也十分普遍。这种挡墙也被称为重力式水泥土挡墙,是基于天然土层与固化剂共同形成的复合体,其支护原理与土钉墙支护技术具有一定的相似性。实际作业环节,施工人员可基于高压喷射注浆法实现原有土层与水泥浆混合,将原本的软弱土体转化为不易透水、稳定性强且致密性强的挡墙。当前,水泥挡土墙种类众多,格栅形式最为常见；技术应用环节,可根据实际需求选择是否在桩中添加型钢。需要注意的是,基于水泥土挡墙支护技术的软土基坑施工深度不可超过7m,若土层的初始抗剪强度低或土壤酸性强,则不适宜使用该方法。

1.2.4地下连续墙支护技术。

地下连续墙具有极强的挡土防渗作用,在土层含水量高的基坑施工中十分适用,所以这种基坑支护技术在泵站基坑工程中极为常见。从本质上来看,地下连续墙支护就是依托于泥浆护壁技术打造连续的地下墙体,使之发挥截水防渗以及挡土支护作用。通常来说,地下连续墙适用于深基坑施工,具有整体性、承载力强和灵活性、稳定性高的特点,而且施工扰动小、噪音少；不过,这种支护方式并不适用于软黏土以及岩溶地区,而且施工过程中会产生大量废土、废浆[4]。实际作业环节,若采取地下连续墙支护技术施工,则需要按照如下步骤作业：①划分墙段槽孔；②泥浆护壁；③机械钻孔并插入接头管；④混凝土灌注；⑤连接墙段。

1.2.5排桩支护技术。

顾名思义,排桩支护技术就是利用排桩形成支护结构从而达到支护效果的基坑支护技术。在实际应用环节,排桩的桩型并不固定,单体桩可通过多种形式排列,施工人员可按照实际需求设定排桩方案。旋喷桩、压浆桩、灌注桩都是常见的桩型；单桩排列可按照咬合排列、交错排列、分离排列、双排桩等形式设计。从现实角度来看,排桩支护技术应用环节,需基于“支护桩+防渗帷幕+土层锚杆”打造系统支护结构,以便为深基坑施工提供稳定环境。实践中,排桩支护施工必须重视单桩连接,只有保证连接可靠性才能发挥整体支护效果,常用的连接方式是设置桩顶环梁

案例泵站为某市雨水泵站工程,主体属于单层地下钢筋混凝土结构。泵站的占地面积以及设计规模分别为3135m2和15.8m3/s。在案例泵站基坑施工环节,需开挖处面积为1352m2的圆形基坑,基坑9.25m深。基坑四周有空地,也有景观河道以及车道,但无管线。从实际情况来看,泵站主体结构位于地下,这一钢筋混凝土结构的参数如表1所示。施工现场30m深度范围内的土层由人工填土层、淤泥质粘土层、粉质粘土层组合而成；场地内地下水含量丰富,粉土以及砂土层均为含水层,以孔隙潜水作为主要地下水。受到海水和降水影响,地下水位会随着时间和温度不断变化。在本次施工前的地质勘探期间,地下水位相对稳定,其埋深和标高分别是1.6-2.5m和2.37-3.38m。受水文地质条件以及开挖深度影响,本次施工需采用深基坑支护技术,必须高度重视开挖与支护安全性。

案例泵站基坑的水文地质条件较为特殊,经分析不难发现土壁稳定性相对较弱,所以在基坑开挖及支护环节必须选择稳定性、支撑力强的支护形式。从现实角度来看,泵站基坑支护深受环境因素和主体工程因素影响,无论是水文地质条件、施工条件、周边建筑物还是支护设计依据、技术特性还是工程目标,都会对现场施工产生深刻影响。为此,在本次泵站基坑开挖与支护方案选用环节,施工人员必须高度重视方案必选,强调因地制宜,做好可行性、安全性、适用性、便捷性、高效性、经济性分析。
3.1方案比选
当前,可选用的泵站基坑施工类型极多。从基坑浅部开挖和支护方面来看,由于施工场地开阔性强、四周较为空旷且地势平坦,所以极为适合开展放坡开挖。案例工程的基坑开挖深度为9.25m,在放坡开挖深度范围之内,该方法既可以保证开挖支护质量又能提升施工便捷性和经济性,所以该方法极为适用。在确定泵站基坑深部支护技术时,可从现有施工技术中选用单一技术或融合技术。在本次施工中,由于基坑深度较大所以水泥挡土墙技术并不适用（基坑深度不宜超过7m）；而且,施工现场以淤泥质土为主,难以钻孔成孔所以同样不适合适用土钉墙支护技术。相比之下,排桩支护技术以及地下连续墙支护技术与现场施工条件较为相符,但后者造价过高所以同样不适用。从现实角度来看,排桩支护综合性价比最高,所以施工阶段可采用此方法作业。经过方案比选后拟定的泵站基坑开挖与支护方案如下：（1）浅部地层采用放坡开挖方式开挖支护；（2）深部地层采用排桩支护技术施工。此外,为解决施工现场地下水位高的问题,施工过程中基于降水井进行降水。
3.2基坑开挖
正如前文所言,案例泵站基坑所在地的施工条件极为适合放坡开挖,所以施工人员应先制定施工顺序和标准而后有序开挖。为保证施工安全性,可先进行试开挖,基于这一操作可统计开挖速度,并对边坡留置加以分析。实际作业环节,施工人员必须践行分段分层开挖支护原则,严格执行“边挖边支”规定。放坡开挖时,可采用岛式开挖方法作业,可按照先撑后挖顺序施工,而且开挖后应及时回填。土方开挖阶段,需确定各步骤的土方开挖深度以及开挖总量：（1）原土4.1m-大沽高程2.7m部分的整体卸土方量以及卸土深度为4389m3、1.4m；（2）下部土方开挖以及减载环节共需挖出16160m3土方,按9.25m的深度开挖。施工过程中,所有开挖土方都需运送至临时搭建的弃土场。基坑内土方开挖时,需按照顺序开挖。本次施工的基坑内土方开挖共分为五个步骤,自大沽4.1m开始施工,而后各阶段的施工节点分别为大沽2.7m、大沽0.7m、大沽-1.55m、大沽-3.3m、大沽-6.55m。
3.3基坑支护本次施工选择
以排桩支护方式实现深基坑支护,在实际作业环节将基于排桩构建复合支护体系。施工人员可利用工字钢挡墙以及环梁与管桩合用,从而打造出极具稳定性的基坑支护体系[5]。为此,本次排桩支护的桩型主要分为管桩和工字钢桩,为保证单桩有效连接将设置钢筋混凝土环梁。实践中,选用底面宽144mm、筋厚12.5mm、每米理论重量为73.878kg的40B工字钢桩,其有效长度以及布设范围分别为12m和4.25m（地下）。施工中,管桩与工字钢桩相邻,前者在后者内侧,其有效长度以及桩顶深度分别为14m和5.9m（地下）。为提高内支撑效用,混凝土环梁位于管桩和工字钢桩顶部。需要注意的是,本次深基坑支护环节的降水井位于基坑内部,以无砂大口管井形式存在,井径、管径以及深度分别为700mm、400mm、12m。为保证泵站基坑支护可靠性,施工人员需要在施工前做好水土荷载计算,并依托于弹性地基梁法、刚性支承连续梁法、空间弹性地基梁方法、力学简化方法以及增量计算法实现支护结构内力分析。通过合理计算支护体系整体稳定性、工字钢桩与管桩受力情况、环梁受力情况确保施工方案的可行性。为保证技术方案可靠性,施工人员还可以基于FLAC3D模拟基坑施工从而观察支护效果,为方案调整以及实践工作提供指导。在实际作业环节,当基坑开挖深度达到2.25m时,可采用自中心向出口的退挖方式作业；而后应按照一顺一丁方式布设钢板桩,降水井施工应与土方开挖穿插进行。需要注意的是,放坡开挖以及钢板桩施工后的内卸土形状应分别为岛型和环状沟；挖土底面为-3.3m时可进行垫层施工以及混凝土环梁施工。为避免发生机械应用引发的管桩损坏,在清桩（顶部20cm）时刻采用人工方式作业。

综上所述,泵站基坑工程本身具有复杂性和综合性特点,施工难度大、影响因素多且质量安全标准高,一旦出现技术方案不合理问题就容易引发事故。对于泵站基坑施工人员来说,明确基坑周边环境以及质量安全因素,从实际出发选用适宜的深基坑支护技术,并基于规范施工与严格质控保障技术有效应用至关重要。