一种适用于富水砂卵层高承压方形深基坑及其开挖方法与流程

本发明属于城市轨道交通施工和桥梁施工领域方形深基坑开挖领域。

背景技术：

在城市轨道交通施工领域中和桥梁施工领域方形深基坑开挖中，由于基坑位于强渗透的富水砂层地层中，基坑在开挖过程中需承受巨大的水压力和土压力，方形基坑受力后变形大，自稳性差。

1、这类富水砂卵层中方形深基坑开挖具有以下特征：

1)深基坑位于砂卵层中，地层渗透系数很大。

2)基坑开挖深度深，有的开挖深度超过40米，开挖产生的土压力大，开挖过程中基坑变形大，难于采用降水疏干干挖挖到底。

3)围护结构为方形结构，结构本身抵抗土压力能力相对较差。

4)开挖难度大，开挖安全风险非常高，如果开挖方法不当容易引起开挖容易围护结构涌水、涌沙，甚至造成基坑垮塌。

2、传统的富水砂层高承压方形深基坑开挖方法：

为确保基坑安全，传统的富水砂层高承压方形深基坑均采用全部带水开挖方法。其施工方法为：等围护结构和顶部第一道混凝土撑做好后，直接向基坑内回灌水位至一定的标高，采用砂石泵在基坑内循环抽取泥水至基坑外的多级沉淀池进行过滤、沉淀，同步将沉淀池上部的沉淀过的泥水抽回到基坑内以保持基坑内的水位标高，通过反复循环抽泥、沉淀，从而达到将基坑内的泥土取出到基坑外的目的。

由于在基坑开挖前就在基坑内回灌了较高的水位，故这类施工方法在开挖过程无法在基坑内施工混凝土撑或施加钢支撑。取土后基坑外产生的巨大土压力完全需依靠基坑内回灌的高水头差来抵抗。

基坑开挖封底好后，等封底混凝土强度满足设计要求后，进行基坑内抽水，由于基坑在开挖过程中没有施工混凝土撑及钢支撑，抽水达到一定深度后，地连墙难于承受基坑外侧的土压力，必须安装钢支撑才能继续往下抽水。

3、传统的富水砂层高承压方形深基坑全部“带水开挖”方法的局限性：

1)开挖过程中地连墙变形大、安全风险高：由于带水开挖过程中无法施工混凝土支撑，也不能安装钢支撑，整个基坑顶部只有一道混凝土支撑，当基坑开挖较深时，基坑内的水压无法平衡基坑外的土压时，地连墙需承受较大的土压力，造成基坑变形过大，甚至造成地连墙开裂、垮塌。

2)开挖深度受地下水位和地连墙的刚度影响大，开挖深度相对较小：当地下水位较高时，基坑内采取灌水提供的水头差十分有限，必然要靠地连墙本身来抵抗一部分开挖所产生的不平衡土压力，由于地连墙只有一道混凝土支撑，且基坑围护结构为四方形，这样造成地连墙本身抗土压力的能力十分有限，因此大大制约了基坑的开挖深度。地下水位越高，则基坑的可开挖的安全深度就越浅。

3)地连墙较厚，工程量大，总造价高。由于采取全部采取带水开挖，地连墙在开挖区域不能设置混凝土支撑或钢支撑，造成地连墙受力差，当开挖深度较深时，则必然要极大地增大地连墙的厚度，以确保基坑的安全，这样就增大了地连墙的工程量，从而增加了施工造价。

4)地连墙抽水过程中发生的涌水、涌沙，堵漏难度大，时间长，严重影响施工进度：开挖过程中容易使地连墙产生变形裂纹，使原本完好的不渗水的地连墙在基坑抽水过程中发生渗水、涌水或涌沙，给后期的抽水过程带来较大安全风险。另外，无论是地连墙本身的施工质量问题，还是开挖过程产生的裂纹，一旦引起地连墙在抽水过程中涌水、涌沙，处理难度都非常大，较小的渗水需在水面上进行堵漏，较大的均需要进行坑内回灌水后在坑外引孔注浆，已不能简单地采取在基坑内码沙袋进行反压的方式来处理，这样造成处理时间长，对施工进度影响大。

5)水下开挖难度大，效率低，开挖进度慢，开挖成本高。

6)槽壁加固短，降低了地连墙施工质量。槽壁加固有两个作用：确保地连墙开挖槽壁稳定和地连墙施工质量；辅助地连墙防渗、抗渗，有效减小地连墙渗水。采取该方法施工的槽壁加固深度较短，因为槽壁加固难于在水下挖除，造成地连墙施工时槽壁容易垮塌，降低了地连墙施工质量，增加了地连墙渗水的概率。

7)抽水过程中需在水面以上施工腰梁，安装钢支撑，水上作业难度大，施工风险高，效率低。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提出一种适用于富水砂卵层(通常指含水极丰富的含水层，单位涌水量q≥10l/sm)高承压(通常指水压头超过20米)方形深基坑(通常指深度超过25米，特别是40米以上)及其开挖方法，既能通过设置多道混凝土撑来增加地连墙的整体刚度，减小地连墙开挖过程中变形量，从而达到减薄地连墙的厚度和工程量、达降低工程造价的目的，又能通过增加槽壁加固的深度，从而有效地确保了地连墙的施工质量，降低地连墙发生渗水、涌水、涌沙的概率，保证了基坑的开挖安全，提高了基坑的开挖进度，降低了基坑开挖成本。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种适用于富水砂卵层高承压方形深基坑，包括基坑上部的降水开挖区域和基坑下部的带水开挖区域，在降水开挖区域设有降水井，在整个降水开挖区域的地连墙内外分别设有坑外槽壁加固和坑内槽壁加固，坑内、外槽壁加固深度一致，坑内、外槽壁加固采用三轴搅拌桩，基坑内外三轴搅拌桩加固深度比基坑降水开挖区域开挖深度深2米至3米，在整个降水开挖区域还设置有至少两道钢筋混凝土撑腰梁及钢筋混凝土撑；在带水开挖区域设有泥水抽取设备和滤水回灌设备，对应基坑外设置有多级沉淀池。

一种前述的适用于富水砂卵层高承压方形深基坑的开挖方法，包括以下步骤：

1)进行基坑内外侧槽壁加固；施工地连墙导墙；

2)施工地连墙；

3)施工冠梁和第一道钢筋混凝土撑；打设降水井进行基坑内降水；

4)进行第一层土方开挖，同步破除并清理基坑内槽壁加固；

5)施工第二道钢筋混凝土撑腰梁及第二道钢筋混凝土撑；

6)进行第二层土方开挖，同步破除并清理基坑内槽壁加固；

7)按照步骤5)和步骤6)，继续向下进行土方开挖至一级基坑底部；

8)向基坑内灌水至冠梁顶，用砂石泵吸泥等进行水下开挖，开挖过程中拆除降水井，并始终保持住坑内水位；

9)基坑深度开挖到设计要求的封底砼底标高后浇注水下封底混凝土；

10)等封底混凝土达到设计强度后，开始进行基坑内抽水；

11)抽水到底后，从下到上分段分层进行主体结构施工，并逐步拆除钢筋混凝土撑和腰梁。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

工作过程为：在深基坑上部设置多道钢筋混凝土撑来抵抗基坑外侧的土压力，该区域采取降水井降水进行干开挖；在深基坑下部采用回灌水的方式来平衡基坑外侧的土压力，该区域采取水下开挖的方式进行开挖。另外在基坑上部疏干开挖区域内外两侧均采用三轴搅拌桩进行槽壁加固，既可提高地连墙的施工质量，又可辅助地连墙阻水，减小地连墙干开挖过程中出现涌水、涌沙的概率。

基坑内外三轴搅拌桩加固深度比基坑降水开挖区域开挖深度深2米至3米，如果加固深度没有超过降水开挖深度，则开挖过程中由于干挖太深，没有外侧加固的保护，容易发生涌水涌砂，一旦发生处理难度非常大，安全风险高。而片面地强调安全，如果加固太深，远超过干挖深度，则基坑内必然存在大量的加固体需要水下开挖，这些加固体需要大量潜水员在水下进行处理，工效低，且人身风险高。而为了确保地连墙开挖的垂直度，基坑内外的加固体要求一样深，不能一边加固深，一边加固浅，那样的话，地连墙成槽开挖时会因一边硬、一边软而偏位，造成地连墙偏位及垂直度不满足要求，钢筋笼无法下放到位。基于以上理由，综合考虑，内外侧加固深度以超过干挖深度2到3米为宜，这样既能确保基坑降水开挖安全，又能确保后期水下开挖的功效及降低后期开挖的难度和潜水员的使用量。

该方法的开挖原理是：在上部区域设置了钢筋混凝土撑来辅助地连墙受力，抵抗基坑外的土压力，从而达到增加了地连墙的整体刚度，防止了地连墙的变形量过大，该区域由于有多道钢筋混凝土撑辅助受力，可采用降水井降水进行干开挖，达到了提高开挖的进度的目的；在基坑开挖下部采用相对安全的带水开挖，能够确保开挖安全，有效地防止基坑在开挖过程中出现涌水、涌沙的现象。

本发明的有益效果：本专利方法，巧妙地既解决了现有技术深基坑无法降水疏干开挖的问题，又解决了带水开挖可行但存在诸多缺陷的问题。

1)可以施工更长的槽壁加固，既有利于提高地连墙施工质量，又相当于在地连墙外侧施工了一道防水帷幕，提高了地连墙的防水质量。

2)基坑上部设置了多道钢筋混凝土撑，增加了地连墙的刚度，减少了地连墙的开挖变形，有利于基坑和周边管线、建构筑物稳定。

3)在基坑开挖相同的情况下，可以减薄地连墙的厚度、工程量和地连墙的施工造价。

4)在地连墙厚度和基坑开挖安全系数一样的情况下，可以加深基坑的开挖深度，本方法适合范围更广，特别适合于富水强渗透系数的砂卵层中超深基坑开挖。

5)开挖过程中，不容易产生涌水、涌沙现象，上部干挖开挖效率高、进度快，开挖成本低。

附图说明

图1是本发明实施例的深基坑降水疏干开挖阶段立面示意图；

图2是本发明实施例的深基坑带水开挖阶段立面示意图；

其中1为降水开挖区域、2为带水开挖区域、3为地连墙、4为坑外槽壁加固、5为坑内槽壁加固、6为钢筋混凝土撑、7为钢筋混凝土撑腰梁、8为降水井、9为地面线、10为地下水位标高、11为回灌水位线、12为降水开挖底标高、13为带水开挖底标高、14为地连续墙底。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

参考图1、2所示，一种适用于富水砂卵层高承压方形深基坑，包括基坑上部的降水开挖区域1和基坑下部的带水开挖区域2，在降水开挖区域1设有降水井8，在整个降水开挖区域1的地连墙3内外分别设有三轴搅拌桩的坑外槽壁加固4和三轴搅拌桩的坑内槽壁加固5，在整个降水开挖区域1还设置有至少两道钢筋混凝土撑腰梁7及钢筋混凝土撑6(本实施例图中施工了五道钢筋混凝土撑腰梁7及钢筋混凝土撑6)；在带水开挖区域2设有泥水抽取设备和滤水回灌设备，对应基坑外设置有多级沉淀池。泥水抽取设备采用砂石泵等，滤水回灌设备采用泥水泵等，采用砂石泵在基坑内循环抽取泥水至基坑外的多级沉淀池进行过滤、沉淀，同步泥水泵将沉淀池上部的沉淀过的泥水抽回到基坑内以保持基坑内的水位标高，通过反复循环抽泥、沉淀，从而达到将基坑内的泥土取出到基坑外的目的。

一种前述的适用于富水砂卵层高承压方形深基坑的开挖方法，包括以下步骤：

1)采用三轴搅拌桩进行基坑内外侧槽壁加固，基坑内外侧槽壁加固施工至一级基坑底部；施工地连墙导墙；

2)施工地连墙；

3)施工冠梁和第一道钢筋混凝土撑6；打设降水井8进行基坑内降水；

4)进行第一层土方开挖，同步破除并清理基坑内槽壁加固5的三轴搅拌桩；

5)施工第二道钢筋混凝土撑腰梁7及第二道钢筋混凝土撑6；

6)进行第二层土方开挖，同步破除并清理基坑内槽壁加固5的三轴搅拌桩；

7)按照步骤5)和步骤6)，继续向下进行土方开挖至一级基坑底部；本实施例图中施工了五道钢筋混凝土撑腰梁7及钢筋混凝土撑6；

8)向基坑内灌水至冠梁顶，吸泥的同时进行水下开挖，开挖过程中拆除降水井8，并始终保持住坑内水位；

9)基坑深度开挖到设计要求的封底砼底标高后浇注水下封底混凝土；

10)等封底混凝土达到设计强度后，开始进行基坑内抽水；

11)抽水到底后，从下到上分段分层进行主体结构施工，并逐步拆除钢筋混凝土撑和腰梁。

作为示例，某地铁中间风井深基坑开挖如下所示。

(1)中间风井工程概况：

基坑长24.2m，宽16.3m，开挖深度约41.6m。

地质概况：基坑开挖范围内为杂填土、素填土、粗中砂、卵石层。

地下水位情况：潜水水位埋深3.40～5.66m，水位标高3.40～8.13m，含水层主要为粗中砂层和卵石层，主要接受侧向径流及越流补给。

地连墙：基坑采用厚1.2米的地连墙，地连墙深55.2米，底部座落在卵石层上。

设计要求的基坑开挖方式：从地面至地面下23.5米深采用干挖法开挖，从地面下23.5米至为地面下41.6m采用水下开挖施工。支撑结构形式：干挖采用5道钢筋混凝土支撑。

实际开挖时从地面至地面下27米深采用干挖法开挖，下面14.6米采取水下开挖，最终该深基坑已全部安全开挖完成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。