梁炳新，唐天麒，黃 暉

(1.廣西北海市湖海水利供水有限公司，廣西 北海 536006;2.廣西北海北投環(huán)保水務(wù)有限公司，廣西 北海 536006)

引言

穿越富水、淤泥等不良地質(zhì)地段一直是國(guó)內(nèi)外供水管道建設(shè)中的重要課題，也是供水管道防漏、防沉降、治災(zāi)的突出問題所在。豐富的水源及淤泥會(huì)導(dǎo)致供水管道十分容易產(chǎn)生沉降而脫管，并且在開挖基坑時(shí)也會(huì)帶來諸多不便。若不能采取有效的施工方法，會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目建設(shè)工程工期延誤、施工質(zhì)量下降、工程造價(jià)增加及不安全隱患因素增多等。近年來，隨著城市管網(wǎng)的不斷建設(shè)發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)不良地質(zhì)條件下基礎(chǔ)開挖及支護(hù)方面取得了許多成果。不良地質(zhì)條件方面，如林紅星[1]研究了特長(zhǎng)鐵路隧道穿越不良地質(zhì)段的綜合施工工藝，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境敏感的西北富水地層的特長(zhǎng)單一陡坡隧道的安全、環(huán)保施工。王定旺[2]研究了小斷面輸水隧洞開挖及襯砌和開挖中不良地質(zhì)處理技術(shù)。許越[3]研究了鴻圖嶂特長(zhǎng)公路隧道力學(xué)行為及不良地質(zhì)段控制措施等問題?；娱_挖對(duì)臨近隧道及建筑物方面，劉重慶[4]通過數(shù)值模擬研究了深基坑變形特征及帶水開挖的施工方法。Marta[5]、倪茜[6]以及高廣運(yùn)[7]等人利用數(shù)值模擬手段，主要研究因基坑開挖產(chǎn)生擾動(dòng)而引起臨近接隧道體發(fā)生的形變規(guī)律、受力特性以及開挖時(shí)的加固和保護(hù)措施等進(jìn)行了一系列的研究。由此可見，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基坑開挖的研究大多數(shù)集中在研究其開挖時(shí)對(duì)臨邊隧道、鐵路及其他建筑物的影響，以及研究其穿越不良地質(zhì)段隧道開挖施工工藝等相關(guān)方面；而對(duì)于城市供水工程穿越農(nóng)田等含水含淤泥豐富不良地質(zhì)條件下基坑開挖施工開挖方法卻少有提及。本文研究富水農(nóng)田段供水工程基坑開挖施工方法為后期類似工程建設(shè)提供具有價(jià)值的參考意義。

1 工程概況

北海某原水供水管道改擴(kuò)建工程在3#、4# 隧洞出口的連通井新增2 條輸水管道（5#、6#輸水管道），途徑環(huán)田、倉(cāng)面垌、下沙路水、大井口、傘唐仔、坡尾、牛角江等村莊，輸水方式采用有壓重力式自流供水。新建管道擬采用兩根（DN1600、DN1400 各一根）預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCPE），單根管線長(zhǎng)度約20.4 km，起止樁號(hào)設(shè)定為K0+000～K20+371。新建兩條管道設(shè)計(jì)引水流量Q=3.34 m3/s，最高日供水量達(dá)26.95 m3/d。根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL654-2014）[8]，本工程輸水管道合理使用年限為50 年；根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252-2017）[9]，輸水管道等主要建筑物級(jí)別為3 級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4 級(jí)。該輸水管道跨度較長(zhǎng)，經(jīng)過的地質(zhì)環(huán)境十分復(fù)雜，且需要穿越較多含水豐富、含大量淤泥的農(nóng)田。所以，選擇合適的基坑開挖施工方法，是本工程建設(shè)是否能夠完成順利通水任務(wù)的重要一環(huán)。

2 不良地質(zhì)條件下基坑的開挖方法

2.1 不良地質(zhì)條件的界定

不良地質(zhì)條件是指軟粘土地基承載力低，強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢；加荷后易變形且不均勻；變形速率大且穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)；具有滲透性小、觸變性及流變性大的特點(diǎn)[10]。本文不良地質(zhì)條件界定：特指表層長(zhǎng)期被水浸泡的農(nóng)田，開挖極易滲水，開挖一定時(shí)間后基坑表面完全被水浸泡，在受機(jī)械多次來回?cái)_動(dòng)后地基承載力無法滿足設(shè)計(jì)要求而形成的泥漿地質(zhì)。本文研究以北海某原水供水管道改擴(kuò)建工程K7+080～K7+200 為試驗(yàn)段，共計(jì)120 m，且滿足設(shè)定的不良地質(zhì)條件要求，試驗(yàn)段見圖1。

2.2 連續(xù)開挖方式

連續(xù)開挖方式，即開挖較長(zhǎng)距離后再進(jìn)行安裝管道的方式。本文的連續(xù)開挖方式，是指將試驗(yàn)段一次性開挖完成，實(shí)際每天可開挖基坑30 m，開挖完成后一次性安裝管道，開挖樁號(hào)為C。開挖時(shí)從小樁號(hào)向大樁號(hào)方向進(jìn)行開挖。據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，全部開挖完成后每天可安裝管道（雙管共溝）24 m。其他按設(shè)計(jì)要求，開挖基坑深約3 m，寬5 m，放坡按1:1 進(jìn)行。開挖時(shí)因基坑大量滲水，基坑表面容易被水完全浸泡，且經(jīng)過挖機(jī)的多次來回?cái)_動(dòng)后，形成地基承載力無法滿足設(shè)計(jì)要求的泥漿地質(zhì)，見圖2。此時(shí)需用片石換填使其地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求后才能進(jìn)行管道安裝，否則將會(huì)因承載力不足發(fā)生沉降，從而形成脫管滲水現(xiàn)象。

2.3 分段開挖方式

分段開挖方式，即采用邊開挖邊安裝管道的方法，具體指在合適機(jī)位前提下保證前段開挖基坑滿足安裝管道條件。也就是先將基坑長(zhǎng)度開挖7 m，所開挖基坑各項(xiàng)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)條件，同時(shí)進(jìn)行管道安裝。據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)每天可完成18 m管道安裝（雙管共溝）任務(wù)。

3 不同開挖方式結(jié)果對(duì)比

3.1 片石換填實(shí)際用量的確定

設(shè)定連續(xù)開挖試驗(yàn)段片石換填平均高度為0.4 m，理論上所需換填片石量為：

式中：T 為所需片石量（m3），S 為試驗(yàn)段基坑底面積（m2），H 為換填片石高度(m)，α 為片石換填修正系數(shù)。α=1 時(shí)，計(jì)算得到理論需要換填片石方量為:

實(shí)際情況下，實(shí)際量比理論量要小，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)分段統(tǒng)計(jì)得到實(shí)際片石換填修正系數(shù)α 見表1。

表1 片石換填實(shí)際修正系數(shù)α

由表1 與圖3 可知，在試驗(yàn)段范圍內(nèi)，實(shí)際片石換填修正系數(shù)α 與先后開挖存在著正相關(guān)關(guān)系，且近似于線性相關(guān)，擬合后相關(guān)系數(shù)R2=0.983 2。隨著試驗(yàn)段基坑的不斷開挖，由于該位置極其容易滲水，外加上機(jī)械的不斷擾動(dòng)，該試驗(yàn)段片石換填修正系數(shù)隨先后開挖而逐漸升高。將試驗(yàn)段分為3 段，每段20 m，其平均修正系數(shù)α 從0.883 上升到0.958，上升幅度達(dá)8.49%。同時(shí)，得到實(shí)際需要片石換填修正系數(shù)α 與先后開挖擬合曲線為：

式中，X 為1、2、3 段，每段20 m，具體樁號(hào)如圖3 所示。試驗(yàn)段實(shí)際換填片石用量為：

由此可知，在片石換填修正系數(shù)下，實(shí)際換填片石用量比理論用量少8.23%，主要原因是換填時(shí)片石間存在大量的空隙，而無法完全使用片石將其填滿。

3.2 施工進(jìn)度對(duì)比

擬定上述兩種開挖方式使用的人員、材料、機(jī)械均相同，不考慮泥土倒運(yùn)及其他管理費(fèi)用，分別統(tǒng)計(jì)實(shí)際開挖到管道安裝完成不同開挖方式下具體用工時(shí)間見表2、表3。

表2 連續(xù)開挖方式用工時(shí)間表

表3 分段開挖方式用工時(shí)間表

設(shè)定用工工期為1 臺(tái)班=1 天，連續(xù)開挖方式開挖基礎(chǔ)時(shí)挖機(jī)在各工序中不能同時(shí)使用，分段開挖方式中能夠滿足同一天使用條件。根據(jù)表2、表3 得到試驗(yàn)段不同開挖方式下用工時(shí)間對(duì)比結(jié)果，見圖4 所示。由圖4 知道，連續(xù)開挖方式比分段開挖方式中安裝作業(yè)人員及吊車使用用工時(shí)間均少1 d，而挖機(jī)使用用工時(shí)間則多2 d；此外，在選取的試驗(yàn)段里，前者總用工時(shí)間比后者多2 d。采取分段開挖方式，施工進(jìn)度更快，工期更短。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

為了進(jìn)一步確定不同開挖方式下各自的經(jīng)濟(jì)效益性，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)可得到當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)人、材、機(jī)費(fèi)用市場(chǎng)均價(jià)見表4。

表4 人、材、機(jī)當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)均價(jià)

根據(jù)表4 結(jié)合圖4，得到試驗(yàn)段不同開挖方式下經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比結(jié)果，見圖5。

由圖5 可以知道，試驗(yàn)段中分段開挖方式不存在片石換填費(fèi)用，其人工費(fèi)、吊車使用費(fèi)均比連續(xù)開挖方式多；其中，人工費(fèi)多0.125 萬元、吊車使用費(fèi)多0.28 萬元，挖機(jī)使用費(fèi)少0.155 萬元。此外，前者總費(fèi)用比后者總費(fèi)用少40.27%。最主要原因是，連續(xù)開挖方式未能及時(shí)安裝管道，因基坑大量滲水，使得已開挖基坑被水完全浸泡，并在機(jī)械多次來回走動(dòng)下因?yàn)閿_動(dòng)造成不良淤泥土質(zhì)，從而不得不回填片石以滿足設(shè)計(jì)承載力要求，后者多花的費(fèi)用主要是需要進(jìn)行基坑基礎(chǔ)換填導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

選取北海市某原水供水管道改擴(kuò)建工程項(xiàng)目中K7+080～K7+200 為本文的試驗(yàn)段，該段四周環(huán)田極易滲水，在機(jī)械擾動(dòng)作用下地基承載力無法滿足設(shè)計(jì)要求且容易形成的泥漿的不良土質(zhì)。先將其分為兩個(gè)部分，各60 m，再分別采用連續(xù)開挖方法及分段開挖方法進(jìn)行基坑開挖并安裝供水管道施工，得到以下主要結(jié)論：（1） 在選取的試驗(yàn)段里，連續(xù)開挖總用工時(shí)間比分段開挖多2 d，即在相同地質(zhì)、相同人員、相同使用機(jī)械的情況下，分段開挖方式施工進(jìn)度更快，更加節(jié)省工期。（2） 與連續(xù)開挖方式相比，分段開挖方式因邊開挖邊管道安裝特點(diǎn)，機(jī)械在基坑上來回走到次數(shù)少（可忽略不計(jì)），造成擾動(dòng)較小，所以開挖的基礎(chǔ)不需要進(jìn)行換填處理。（3） 連續(xù)開挖方式總費(fèi)用比分段式開挖方式總費(fèi)用多40.27%，即在設(shè)定四周環(huán)田極易滲水、在機(jī)械擾動(dòng)作用容易形成泥漿的不良地質(zhì)環(huán)境下，使用分段開挖方式更為經(jīng)濟(jì)，更加節(jié)約成本。