深基坑软土地层真空降水施工技术

施玉梅

工程界习惯上将开挖深度超过6 m的基坑称为深基坑。对于开挖软土地层中的深基坑来讲,由于软土“高含水量、低透水性、高压缩、低强度”的特性,降水作业一直是困扰深基坑施工的重点和难点,本文以武汉地铁站为例,系统地介绍了深基坑软土地层真空深井降水的施工方法和技术。

1 工程概况

1)地理位置及工程规模。武汉地铁站为地下2层岛式台站,车站主体围护结构采用φ 1 000 mm钻孔桩+φ 600 mm高压旋喷桩,车站总长236.6 m,宽度20.8 m～27.4 m,总占地面积 11 400 m2。其中,第一期开工的 C区长度为 119 m,平均宽22.0 m,平均深16.8 m,东端盾构到达区最大宽度27.4 m,最大深度19.6 m。

2)工程地质条件。根据地质勘察报告,本车站34.6 m以上的地质主要为长江故道地层沉积而成,从下向上依次为粉细砂、粉质黏土夹粉砂、粉质黏土、淤泥和杂填土,地铁站底板处在饱和的粉质黏土夹粉砂之中,此地层低渗透、高含水、低强度,具有明显的触变和流变特征,为典型的软土土层。

3)水文地质条件。工程范围内的地下水主要表现为上层滞水和弱承压水。上层滞水主要存在于人工填土中,水位不连续,无统一的自由水面,主要接受地表水与大气降水补给,水量较小。弱承压水主要存在于粉质黏土夹粉砂和粉砂层之中,与长江水力联系,水量可观。本工程地下水位在地面下8.5 m。

2 基坑降水设计

2.1 降水方式的选择

由于地铁站底板下面的地层为饱和粉质黏土夹粉砂层,渗透系数较小(k=0.7 m/d),为保证降水效果采用真空降水,将软土中的自由水充分“压出”汇集深井当中,再由深井泵将水抽出,以达到基坑降水和排水固结的目的。

2.2 基坑涌水量计算

基坑采用明挖法施工,流入基坑的渗水量与土的种类、渗透系数、水头以及坑底面积等有关,按大井法计算涌水量:

其中,k为土的渗透系数,通过查《建筑施工计算手册》得k=为抽水前坑底以上的水位高度,19.6-8.5=11.1 m;s为抽水时坑内水位下降值,11.1+3=14.1 m(注:降水面在基坑底下3 m);R为抽水影响半径,m0为基坑底面至不透水层的深度,到灰岩取15 m;r0为引用(假想)半径,r0=1.12×(22+119)/4=39.48 m;b/a=22/119=0.185,b为基坑宽度,a为基坑长度,查表得 η=1.12。

2.3 降水井深度计算

其中,H基坑为基坑深度;h1为降水面距坑底安全距离,取3 m;I为降水曲线坡度,取1/5;L1为井点管中心到基坑中心的水平距离,取6.5 m;L为滤水管有效长度,取2.5 m;m为沉淀管长度,取1 m。

2.4 计算单口井流量

其中,L为滤管有效长度,取2.5 m;r为井口半径,取0.3m;k为渗透系数,同上取1.6 m/d,即0.000 018 518 m/s。

2.5 确定降水井数量

总井数=1.1Q/q=1.1×1 511.43/116.80=14.3口。

考虑施工方便对称布置,故在C区布置16口降水井,见图1。

3 真空降水过程

3.1 施工工艺流程

真空降水施工工艺流程为:计算基坑涌水量→降水井设计布置→测量定位→成孔→安装井管→填滤料→洗井→安装水泵和真空泵→试验性抽水→降水工作→降水任务完成→拆除降水井→退场。

3.2 真空降水井施工

1)测量定位:根据降水井平面布置图,测量定出每个管井准确位置,钻机按井点位置精确就位。2)成孔:采用WP-100型潜挖式干钻机成孔,成孔垂直偏差控制在1%内,钻孔孔深比设计井深深0.5 m,井底回填粒径为3mm～15 mm的碎石过滤层,厚0.5 m。3)安装井管:井管采用φ 273 mm钢管制作,加工成3 m的管节,管节间用法兰盘连接。井管最底部为沉淀管,长度约为1 m,底口用钢板焊接封死,向上为滤管,长度约为3.5 m,再向上为普通井管并根据地层水文情况间隔设置滤管。井管下放采用起重机吊装就位,法兰盘增设皮垫,一定要压紧。4)填滤料:井管放入井内后,及时在井管与孔壁间填充粒径为3 mm～8 mm瓜子石加粗砂滤料,滤料符合级配要求,杂质含量不大于3%,用人工持铁锹沿井口周边均匀下料,分层填充,以防止造成偏压或冲击井管。5)洗井:潜水泵洗井,直至抽出清水为止。洗井在下完井管、填好滤料、封口后8 h内进行,避免时间过长,护壁泥皮逐渐老化,难以破坏,影响渗水效果。6)安装水泵和真空泵:先安装水泵,安装前检查电机和泵体,确认完好后方可安装。然后再安装真空泵,施工过程中必须保证各连接部位可靠密封,确认不漏气。

3.3 降水施工过程管理

1)降水在基坑开挖前一个月进行,直到基坑开挖至设计深度,底板浇筑完毕,混凝土强度达到70%时方可停止。2)开始降水时,地下水量很大,可以不用真空泵,直接按正常的深井降水,抽水一周后,深井出水量变小时,在井内实行真空负压降水。3)安排人员两班倒,日夜值班,进行降水操作和水位观测并做好数据记录。4)根据观测井的水位情况和真空表的数值控制真空泵抽吸力度,保证系统有足够的真空度。5)井点随基坑开挖深度的加深逐步分节拆除,最后底板浇筑完成后,混凝土强度达到70%进行封井,封井方法见图2。

3.4 真空降水监测

1)降水勘察期和降水检验前各井测一次自然水位。2)抽水开始后,在水位未达到设计降水深度以前,每天观测3次水位、水量。3)当水位已达到设计降水深度,且趋于稳定时,则每天观测1次;雨季时,观测次数每日2次～3次。4)对水位、水量监测记录及时整理,绘制水量Q与时间t和水位降深值S与时间t过程曲线图,分析水位水量下降趋势,预测设计降水深度要求所需时间。5)根据水位、水量观测记录,查明降水过程中的不正常状况及其产生的原因,及时提出调整补充措施,确保达到降水深度。

4 结语

武汉地铁站采用“真空深井降水”,是将大气压强的真空原理运用到深井降水中,利用真空泵抽出井内空气形成负压,将软土层中的自由水充分“压出”汇集于深井当中,再由深井泵将水抽出,在较短的时间内降低了地下水位,达到了基坑降水和土体排水固结以及开挖面稳定基坑安全的目的。此方法采用干式钻机成孔,井点抽水安装方便、维护简单、机具可倒用,费用和能耗较低,便于土体开挖和运输,取得了良好的经济效益。

[1]江正荣.建筑施工计算手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[2]夏才初,李永盛.地下工程测试理论与监测技术[M].上海:同济大学出版社,2000.

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