井点降水在高地下水位基坑工程中的应用

2013-03-01李建光

山西建筑 2013年6期

李建光

(中铁三局集团有限公司运输工程分公司，山西晋中 030600)

1 工程概况

某高速铁路城际客运专线地貌主要为冲洪积平原、剥蚀平原、滨海平原、丘陵低山区等。桥址区表覆第四系全新统冲洪积层(Qal+pl4)粉质粘土、粉、细、中、粗砂，下伏基岩为晚元古代晋宁期片麻状含斑二长花岗岩(ηγ23)。地下水类型主要为第四系孔隙潜水，一般不具承压性，砂层为主要含水层，受大气降水补给。地下水位埋深0.6 m～6 m，水位季节性变幅1.0 m～3.0 m。

工程共有334个承台，承台开挖深度3.0 m～4.0 m。由于本工程地下水位较高、水量较大并有流砂且承台均位于地下水位以下，开挖难度很大，部分承台需采取井点降水等辅助施工措施。

2 降水方案选择

人工降低地下水，常用的方法有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点等。降水方案的选择应根据土层性质、渗透系数、工程特点等，对各种方法进行综合对比分析后确定。

2.1 轻型井点

轻型井点(一级轻型井点)是国内应用很广的降水方法，它比其他井点系统施工简单、安全、经济，特别适用于基坑面积不大，降低水位不深的场合。该方法降低水位深度一般在3 m～6 m之间。若要求降水深度大于6 m，理论上可以采用多级井点系统，但要求基坑四周外需要足够的空间，以便于放坡或挖槽。这对于场地受限的基坑支护工程一般是不允许的，故常用的是一级轻型井点系统。轻型井点适用的土层渗透系数为0.1 m/d～50 m/d。当土层渗透系数偏小时，需要采用在井点管顶部用粘土封填和保证井点系统各连接部位的气密性等措施，以提高整个井点系统的真空度，才能达到良好的效果。

2.2 喷射井点

喷射井点降水深度大，但造价高昂，运行故障率高;它适用的土层渗透系数与轻型井点一样，一般为0.1 m/d～50 m/d。但其抽水系统和喷射井管很复杂，运行故障率较高，且能量损耗很大，所需费用比其他井点法要高。

2.3 电渗井点

电渗井点主要在淤泥和淤泥黏土中使用电渗井点，适用于渗透系数很小的细颗粒土，如黏土、亚黏土、淤泥和淤泥质黏土等。这些土的渗透系数小于0.1 m/d，用一般井点很难达到降水目的。它需要与轻型井点或喷射井点结合使用，其降低水位深度决定于轻型井点或喷射井点，施工繁琐。

2.4 管井井点

管井井点适用于渗透系数大的砂砾层，地下水丰富的地层，以及轻型井点不易解决的场合。每口管井出水流量可达到50 m3/h～100 m3/h，土的渗透系数在20 m/d～200 m/d范围内。降低地下水位深度约3 m～5 m。这种方法一般用于潜水层降水。

由于本工程基坑降水深度较小，基坑上层地质多以粉土、粘土、细砂、中砂为主。经讨论从常用的降水方法当中选出两种作为预定备选方案，即轻型井点降水和管井降水。

3 井点降水设计

3.1 轻型井点设计

以该工程一特大桥8号承台为例，承台尺寸为10.4 m×4.8 m× 2.2 m，承台底埋深3.0 m，现场试挖地下水埋深0.6 m，根据地质资料显示:上层12 m细砂为主要含水层，下层为6 m亚粘土，以下为片麻状花岗岩。

1)井点系统布置。根据承台基础地质情况和平面形状，轻型井点选用环形布置。基坑上口平面尺寸为12.4 m×6.8 m，布置环形井点。总管距基坑边缘1 m，承台边距便道较窄，靠近施工便道侧不考虑布置井点，总管长度L=13.4×2+7.8=34.6 m。

水位要求降低值:根据《岩土工程勘察规范》［1］中第7.3.4条中“施工中地下水位应保持在基坑底面下0.5 m～1.5 m”的规定，结合已有工程经验，取0.7 m。S=3.3－0.6+0.7=3.4 m，一级轻型井点降水，井点管的埋置深度(总管平台面至井点管下口，不包括滤管)为3.3+0.7=4.0 m，直径51 mm，滤管长1 m，井点管及滤管长5.0 m，由于考虑现有井点管标准长度为6 m，采用6 m长井点管。

2)基坑涌水量计算:

其中，K为土的渗透系数，根据附近工地施工经验K=5 m/d; H为含水层厚度，取12－0.6=11.4 m;S为基坑中心水位降低值，取3.4 m;R为抽水影响半径，R=2S=51.3 m;r0为基坑等效半径，r0=0.29(a+b)=5.0 m。

其中，rs为滤管半径，取0.025 m;l为滤管长度，取1 m;K为渗透系数，取5 m/d。

计算井点管最大出水量q=16.1 m3/d。

井点管的最少根数n，根据井点系统涌水量Q和单根井点管最大出水量q计算，计算公式如下:

计算得到基坑涌水量Q=428.4 m3。

3)计算井点数量和井距。单根井点管最大出水量q，根据土的渗透系数、滤管的构造尺寸按下式计算:

其中，1.1为备用系数，考虑井点管堵塞等因素。n=26.6，取27根井点管。

井点管间距D根据下式计算:

其中，L为井点管布置总长度。

计算得到井点管间距D=1.3 m，沿基坑外1 m处环形布置。

4)设备选型。根据涌水量、渗透系数、井点数量与间距以及施工经验，选用7.5 kW卧式柱塞往复式真空泵。

3.2 管井降水设计

以该工程一特大桥10号承台为例，承台尺寸10.4 m×4.8 m× 2.2 m，承台底埋深3.0 m，现场试挖地下水埋深0.6 m。根据地质资料显示自上而下依次为:①细砂，厚3.0 m;②粉质粘土，厚2.0 m;③细砂，厚6.6 m;④片麻状花岗岩。

1)降水井深度H:

其中，H为管井的埋置深度，m;H1为井点管埋设面距坑底面距离，取H1=3.0 m;h为基坑中央最深挖掘面至降水曲线最高点的安全距离，h=0.5 m;L为井点管中心至基坑中心的短边距离，取6.2 m;i为降水曲线坡度，取0.1;l1为滤管有效长度，取1.0 m; l2为井托高度，取0.2 m;计算得出:H=5.32 m，取6 m。

2)基坑涌水量计算:

其中，K为土的渗透系数，根据附近工地经验，K=8 m/d;H为含水层厚度，取11 m;S为基坑中心水位降低值，取3.4 m;R为抽水影响半径，R=2S=63.8 m;r0为基坑等效半径，r0= 0.29(a+b)=5.0 m。

计算得到基坑涌水量Q=607.0 m3。

3)降水井点数量:

4)降水平面布置。

抽水管井位于基坑东西两侧，每侧布置3根，井间距4.0 m。

5)根据以上计算，10号承台基坑管井降水设计如下:井深: 6 m;井径:600 mm;井数:6眼;井管:φ320 mm PVC管，井壁管每40 cm设置一道过滤孔;滤料:砾料(米石);水泵:采用扬程大于10 m的潜水泵抽水，水泵下入深度为5 m。

4 方案实施

由于本工程线路较长，大中桥梁分布比较分散，通过研究施工设计图地质资料，结合线路现场实际工程地质特点，经分析讨论后决定选择两座典型桥梁的高水位基坑开挖，分别采用轻型井点和管井降水进行试验性施工。

4.1 轻型井点降水施工

轻型井点系统的安装顺序:测量定位→敷设集水管→冲孔→沉放井点管→填滤料→用弯联管将井点管与集水总管相连→安装抽水设备→试抽。井点管埋设采用冲钻孔法:选用直径为60 mm的冲水管冲孔，人工钻孔后再沉放井点管，冲孔水压采用0.6 MPa～1.2 MPa。所有井点管在地面以下0.5 m～1.0 m的深度内，用黏土填实以防漏气。井点管埋设完毕，应接通总管与抽水设备进行试抽，检查有无漏气、淤塞等异常现象。轻型井点使用时，应保证连续不断地抽水。正常出水规律是“先大后小，先浑后清”。在降水过程中，要对降低区域内的构筑物检查有无沉陷现象，发现沉陷或水平位移过大，应及时采用防护技术措施。

4.2 管井降水施工

工序流程:确定井位→钻机安装就位→钻进成孔→清孔换浆→安装井管→充填滤料→下入水泵抽排降水。1)测放井位。根据井位平面布置示意图测放井位，当布设的井点受地面障碍物或施工条件的影响时，现场可作适当调整。2)埋设护口管。护口管底口应插入原状土层中，管外应用粘性土和草辫子填实封严，防止施工时管外返浆，护口管上部应高出地面0.5 m。3)安装钻机。采用循环钻机成孔。机台安装稳固水平，对准孔中心。4)钻进成孔。降水井开孔孔径经反复计算确定，一径到底。钻进开孔时钻机慢转，以保证开孔钻进的垂直度，成孔施工采用泥浆护壁，当提升钻具或停工时，孔内必须压满泥浆，防止孔壁坍塌。5)清孔换浆。钻孔钻进至设计标高后，在提钻前将钻杆提至离孔底0.5 m，进行冲孔清除孔内杂物，同时调整孔内的泥浆密度，孔底沉淤小于30 cm，返出的泥浆内不含泥块为止。6)下井管。下管前必须测量孔深，孔深符合设计要求后，开始下井管，下管时在滤水管上下两端各设一套直径小于孔径5 cm的扶正器(找正器)，以保证滤水管能居中，下到设计深度后，井口固定居中。7)填砾料。填砾料前在井管内下入钻杆至离孔底0.3 m～0.5 m，井管上口加闷头密封后，按设计要求填入砾料，并随填随测填砾料的高度，直至砾料下入预定位置为止。8)安泵试抽。在降水井内及时下入潜水泵试抽水。9)降水井运行排水系统。从降水井抽出来的水由分管汇集到主管到达沉淀池，经沉淀后再排放。10)设置坑外水位观测井。根据设计要求及现场需要，环绕基坑设置坑外水位观测井。水位观测井施工工艺同降水井。

5 实施效果比较

对该工程一特大桥5号～7号承台基坑采用轻型井点降水试验，连续抽水3 d～4 d后，通过观察井和出水情况判断，降水基本到位。但在基坑开挖过程中，基坑壁存在坍塌，基坑底有流砂等现象，施工中还需采取在坑底开挖集水井抽水及堆码砂袋等辅助措施。通过采用增加井管数量、延长降水时间等措施，上述问题仍未得到彻底解决。现场综合分析后得出降水方案与挖土和基坑围护方案不相匹配，因基坑南北两侧靠近征地红线，且基坑便道侧过车不能布设降水管，施工作业面也较窄，基坑开挖过程中井点管顶部有扰动影响降水，甚至破坏降水设备，造成地下水降低后回升。且施工现场无动力线，机电设备故障或动力能源不能满足降水设备运转的需要，时抽时停，滤网易堵塞，降水效果不明显。

对该工程另一特大桥10号～11号承台基坑采用管井降水试验，连续抽水3 d后进行基坑开挖，开挖出的土体基本处于干燥状态，说明管井降水对本地区砂土类基坑疏干的效果较好，且滤水管采用了耐压PVC管，可重复利用，降低了成本。

轻型井点降水对真空度及设备持续正常运转要求较高，本着安全、经济、可靠的原则，通过试验比较对本工程沿海高地下水位砂土地层基坑开挖最终采用了管井降水措施。该方案操作简单，对设备、场地等要求较低，施工安全、简便、可靠。在施工过程中针对每个基坑进行验算并结合实际情况，对管井数量、布置方式、计算参数取值等进行不断完善修正，通过此方法施工的基坑取得了良好效果。