长大深基坑降水设计与施工技术

李艳丽

摘 要 本文以西安地铁三号线国际港务区车辆段出入段线基坑降水设计为例，详细介绍了长大深基坑降水设计及施工要点，尤其是在此种类型深基坑降水设计中，进行降水经验公式选择及降水段落划分，以期对今后类似地下工程的施工具有一定的参考价值。

关键词 长大深基坑 基坑降水 砂层 渗透系数

一、工程概况

1.设计概况。其中国际港务区车辆段出入段线及三号线延长线其区间总长为1 064.227 m；三号线正线延长线长度为725.401 m，其中部分正线和出入线重合。本标段场地位于灞河以东约2.5 km，渭河以南约4 km的冲积平原上，地貌单元属渭河Ⅰ级阶地，地势较平坦，地形起伏不大，地面高程介于367.04 m～370.56 m，相对高差不超过3.6 m。

出入段线及三号线延长线区间为地下一层结构，覆土厚度1.1 m～10 m，为单跨、双跨及四跨结构，区间北段为敞口段。结构沿线场地开阔，施工条件较好，地质条件相对较差，基地以下多为中、粗砂，采用明挖顺筑法施工，围护结构采用排桩+内支撑、放坡开挖相结合。

此降水工程起始于三号线右线延伸线起始历程左线YDK50+119.5，结束于RCK0+753，降水段落基坑长836.67 m，基坑宽10.7 m～53 m，基坑最大开挖深度为17.2 m，属于长大深基坑。

2.工程地质及水文地质情况。本标段出入段线钻探深度内地层自上至下为：人工填土、黄土状土、细砂、中砂、粗砂；上更新统冲积粉质黏土，细砂、中砂、粗砂层，场地地层自上而下划分为9层。

地下水属潜水类型，埋深9.85 m～10.11 m，相对高程358.59 m～359.49 m。水位年变幅0.5 m～2 m。地下水补给主要来自大气降水、侧向径流及农田灌溉等，地下土的腐蚀性评价排泄方式主要为径流排泄、人工开采、潜水越流排泄等。地下水径流方向与区域总体地形趋势一致。地下水主要赋予砂层中。该层水属孔隙潜水，具可研阶段勘察资料含水层厚度30 m～40 m。岩土工程勘察报告经过试验和分析，综合渗透系数建议值为45 m/d。结合我单位在西安地区施工降水设计和施工的经验，此工程降水设计综合渗透系数值为37 m/d。

3.工程特点。（1）技术要求。国际港务区车辆段出入段线主要地层为全新统地层。主要有杂填土、黄土状土、粉质黏土、细砂、中砂、粗砂。其地下水位埋藏较浅，水量丰富，降水强度大，因此施工技术要求较高。

（2）工程延续性强。降水工程需配合国际港务区车辆段出入段线施工结束，不能因故停止或间断降排水，从基坑开挖前15天开始降水至完成结构回填周期初步估计近18个月。

（3）降水施工难度大。由于施工的里程较长，结构最大埋深17.2 m，降水范围广，降水深度大，工程量大。且施工前内部需协调场地位置、时间安排、用水用电等，外部需与有关部门、村镇等协调，需用设备及人员较多，协调配合、管理难度大。

二、降水的设计

根据地下埋藏条件并结合此工程主体基础形式，采用管井井点降水措施。布井方式采用平行于基坑围护桩沿线路方向布置，采取在基坑内和基坑外同时布井的方案。

1.基坑降水计算。详见表1。

（1）基坑工程条件。

①基坑全长b： 836.67 m、降水宽度a： 14.3 m～57.53 m；

②地下水埋深：9.7 m～10.3 m。

布井方式采用平行于基坑围护桩沿线路方向布置，采取在基坑内和基坑外同时布井的方案，以基坑外降水为主，基坑内根据需要布设观测井。

（2）基坑降水计算。第一，基坑降水计算基本参数。

①基坑全长b： 836.67m、宽度a： 11.5 m～22.6 m；

②地下水埋深：9.7 m～10.3 m。

分区段：原则上根据基坑宽度及降水深度分段。

分段1：起止里程DK50+119.599-DK50+1 202.816，

L=83.22 m，B=11.5 m

1）基坑中心降水深度S1：

S1=基坑深-地下水深+1.5=11.0-10.3+1.5=2.2 m

2）降水井水位降深：

S=S1+水力坡度=2.2+1.43=3.63 m

3）含水层渗透系数K-依据地勘报告建议和当地经验值取37 m/d

4）降水井深度：

Z0= 基坑深+S+水泵调节深度+沉砂管长度

=11+3.63+3.5+5=23.13 m取24 m

5）含水层深度：H=井深-地下水深=24-10.3=13.7 m

6）基坑等效半径：r0=A/=0.29（83.22+11.5）m=27.47 m

7）降水井外径：rω=d0/2= 0.25 m

8）降水影响半径：R=2S（HK）1/2=2×3.63×（13.7×37）1/2=163.45 m

9）井点系统影响半径：R0=r0+R=27.47+163.45=190.92 m

第二，基坑降水计算。①基坑涌水量计算。

1）计算公式：（用地铁工程勘察规范条形基坑计算公式）

Q=LK（2H-S）S÷R0+

=83.22×37（2×13.7-3.63）×3.63÷163.45+1.366×37×（2×13.7-3.63）×3.63÷〔log190.92-log11.5÷2）〕

=4 460.56 m3/d

其中：Q──基坑涌水量；

k──渗透系数， 37.00 m/d；

H──潜水含水层厚度， 13.7 m；

S──降水井水位降深， 3.63 m；

R0──井点降水系统影响半径，190.92 m；

B──基坑宽度，11.5 m；

L──基坑长度， 83.22 m。

2）计算结果：基坑涌水量 Q=4 492.68 m3/d

②降水井数量计算。

1）基坑类型：基坑属于均质含水层澘水完整井基坑，且基坑远离边界。

2）单井出水量计算q：

q= = =342.87 m3

其中：l‘——滤管水浸段长度=2 m

d——滤管外径 =500 mm

a——与含水层渗透有关的经验系数，取50

根据本地区经验及水泵出水能力（20 m3/h），单井出水量按照400 m3/d考虑。

3）降水井数量计算结果：n=Q÷q×1.1=12.35（取12口井）

③基坑中心点水位降深计算。

1）基坑类型： 基坑条形基坑，且属于澘水完整井稳定流。

2）计算公式：S1=H-〔H2-n×q÷1.366×K×log（R0÷r0）〕1/2

=13.7-〔13.72-12×400÷（1.366×37×log（190.92÷27.47））〕1/2

=5.02 m

其中 r0── 基坑的等效半径。r0=27.47 m；

H──澘水含水层厚度，H=13.7 m；

k──渗透系数，k=37.00；

R0──井点降水系统影响半径，R0=190.92 m；

Q──基坑涌水量，Q=4 492.68 m3/d；

n──降水井的数量，n=10；

q──单井出水量，Q=400 m3/d。

3）计算结果：基坑中心点水位降深 S=7.1m

4）基坑中心点水位降深验算

S=7.1 m>2.23 m，其他各段计算详见表1。

④排水管管径计算。将降水全部里程分为八段分别进行计算，各段涌水详见后附表，均采用在基坑两侧铺设排水管道两侧排水分方案。

1）第一段基坑每秒涌水量Q÷24÷3 600×1 000=51.63（L/S）。每路排水管涌水量：Q1=Q÷4=51.63÷4=12.91（L/S），沿基坑外侧各分两路排水管排水。同理计算：第二段基坑每路排水管涌水量：Q1=12.57（L/S）；第三段基坑每路排水管涌水量：Q1=16.81（L/S）； 第四段基坑每路排水管涌水量：Q1=45.95（L/S）；第五段基坑每路排水管涌水量：Q1=19.28（L/S）； 第六段基坑每路排水管涌水量：Q1=27.24（L/S）；第七段基坑每路排水管涌水量：Q1=15.72（L/S）；第八段基坑每路排水管涌水量：Q1=15.56（L/S）。

2）每路排水管管径计算。第一段基坑每路排水管管径。

D={（4Q1/π×V）×1 000}1/2={（4×12.57/3.14×2）×1 000}1/2 =90.65 mm

排水管管径（：D ≥90.65÷0.9=100.72 mm（采用PVC管）；V（流量）：金属管取4 m/s，陶瓷管、PVC管取2 m/s。同理计算：第二段基坑每路排水管管经：D ≥99.39 mm；第三段基坑每路排水管管经：D ≥114.95 mm；第四段基坑每路排水管管经：D ≥190.04 m；第五段基坑每路排水管管经：D ≥123.11 mm；第六段基坑每路排水管管经：D ≥146.31 mm；第七段基坑每路排水管管经：D ≥111.17 mm；第八段基坑每路排水管管经：D ≥110.92 mm。

三、降水井结构设计与平面布设

1.降水井结构。根据该区地质特性和我单位在该地区的降水施工经验，降水井施工面放在自然地面标高。设计井深在25 m～39 m之间，降水井间距12 m～14 m。考虑到地面施工设备和周边临时设施等因素的影响，井位可适当调整。基坑外布置123口降水井；降水井距基坑边1.0 m～1.8 m布置；基坑内在基坑中心线上布置，避开结构隔墙和变形缝。降水井裸孔直径700 mm，井管选用Φ500 mm无砂砼滤水管，滤层选用级配砾石。砼井管接缝处采用两层宽度30 cm的塑料编织布缠绕，并用14#铁丝绑扎4道，以防漏砂。滤管连接采用四条4 cm宽竹条、在接口上下20 cm出缠绕2道，并绑牢。井口在连续降水一周后，井侧滤料不再下沉时，用C10砼作降水检查井基础，上覆预制盖板封闭。见图1.

2.排水管的布设。由于施工现场条件的限制，降水井内的潜水泵排水软管排入沉砂池；沉砂池与检查井之间埋设PVC排水管；基坑两侧各分两路排入就近排入基坑外的排水管道中。由于线路较长采取分段降水的措施，每段分段长度为300 m，具体做法详见图2。

图2 基坑降水系统详图

四、降水施工与降水运行管理

1.管井施工。施工准备有。（1）提前做好施工场地围闭、排水设施的建设和排水线路的选择。（2）调查场地周围排水设施分布状况，布置排水管线和供电线路。（3）组织施工人员进行安全、技术交底，并详细制定施工中各种材料计划和供应计划。

2.施工方法。（1）测放井位，根据降水井点平面布置图测放井位，核准各种设施位置予以避让，在施放好的井位上人工挖探井直至见原状土，经开挖探井在确认无地下管线及地下构筑物后下入护筒护筒外侧填黏土封隔好表层杂填土层，以防止钻井施工用水大量漏失及塌孔。

（2）挖（围）泥浆池，根据场地条件在距降水井3 m左右处挖（围）泥浆池，在拆迁场地可“挖”可“围”，一般每2口井共用一个泥浆池。

（3）凿井，为确保降水效果和成井质量，减小洗井难度，所有管井采用反循环钻机成孔，严禁泥浆钻进，保证清水成孔，并且成孔后必须及时、认真置换泥浆，井径、孔深不小于于设计值，井身应保持圆正垂直。

（4）下管，井管采用无砂砼滤水管，在预制混凝土管靴上放置井管，同时水位以下砼井管接缝处采用两层宽度30 cm的塑料编织布缠绕，并用14#铁丝绑扎4道，以防漏砂。缓缓下放，每节管身采用全管包裹一层尼龙纱网（60目/m2），当管口与井口相差200 mm时，接上节井管，接头处用竖向用4条40 mm宽、长2 m～3 m的竹条用3道铅丝固定井管。为防止上下节错位，在下管前将井管依井方向立直。吊放井管要垂直，并保持在井孔中心，为防止雨污水、泥砂或异物落入井中，井管要高出地面不小于200 mm，并加盖或捆绑防水雨布临时保护。

（5）填砾料，井管下入后立即填入砾料，砾料应保持连续沿井管外四周均匀填入。填砾料时，应随填随测砾料填入高度，当填入量与理论计算量不一致时，及时查找原因。不得用装载机或手推车直接填料，应用铁锹填料，以防不均匀或冲击井壁，如遇蓬堵可用水冲。填砾完成后在洗井过程中，如砾料下沉量过大，应补填至井口下1 m处，1 m以上部分在洗井完成后衬砌人井时处理，砾料为φ3-7 mm的天然园砾。

（6）洗井，用空压机由上而下分段洗井，重点在上段潜水层的中、下部，直至上下含水层串通（形成混合水位）且水清砂净；洗井装备要用同心式或并列式的钢管洗井，禁止使用软管洗井；洗井过程中应观测水位及出水量变化情况。

（7）水泵安装，潜水泵及泵管安装吊放，置于距井底以上2.0 m～3.5 m处。安装并接通电源，做到单井单控电路，并检查水位继电制动抽水装置和漏电保护系统。

（8）抽降，联网统一抽降后应连续抽水，不应中途间断，需要维修更换水泵时，应逐一进行。开始抽降时要间隔的逐一启动水泵，抽水开始后，应逐一检查排水管道是否畅通，有无渗漏现象，如接头处或排水管渗漏应返工或维修。测量单井出水量、出水含砂量，当含砂量过大，可将水泵上提，如含砂量仍然较大，应重新洗井。

排水管铺设。排水方向设置1～2‰的坡度，根据现场实际情况采用明设布置。排水方式由井内泵管排入沉砂池后排入既有或者新建的管网。

2.降水过程中的维护。（1）降水运行前应做好降水供电系统，配备独立电源线，并备有双电源，当发生停电时，应及时更换电源，最好设置有自动切换装置，以缩短因断电而停止抽水的时间间隔，备用发电机保持良好，要随时处于准备发动状态。

（2）定时巡视降排水系统的运行情况，及时发现和处理系统运行的故障和隐患，如水泵抽水出水情况，是否需要检修换泵；供电线路是否正常；排放水的含砂情况及排水联络管道是否畅通；掌握水泵安全合理的下入深度，以防埋泵。

（3）注意对井口的防护、检查，防止杂物、行人掉入井内，随时到土建结构施工的工作面，了解开挖遇到的水情，发现基坑出水、涌砂，应立即查明原因及时处理。

（4）按设计要求建立地下水动态监测网，选定降水井总数的10%作为观测井降水井，抽水开始后，水位未达到设计降深之前（一般为前15天），每天观测1次水位、水量；当水位达到设计降深后，每5天观测1次。对监测记录应及时整理，绘制Q～t与s～t的过程曲线，分析水位下降趋势，并根据水位变化情况调整开泵地段和开泵数量，在保证基坑无水状态作业的同时，减少地下水资源无谓排放。

五、结束语

以前基坑降水基本为地铁车站，基坑长度200 m左右，最大宽度不超过30 m，基坑深度17 m～18 m，降水井可以沿基坑四周进行布置，降水范围有限便于调整和控制，而此类基坑长达约830 m，基坑宽10.7 m～53 m，其降水设计和施工时需综合考虑施工安排及基坑条件等因素，可从基坑最大降深处开始，在砂层地质中由于良好的渗透性，深层降水段落将水位降下去后可以减少浅层段落的降水（在降水系统影响范围内），能够大大节约降水成本，因此应将降水设计和施工与现场总体施工部署结合起来进行。

参考文献

[1]西安市地铁三号线国际港务区车辆段出入段线施工图设计.

[2]西安市地铁三号线一期工程国际港务区车辆段出入段线岩土工程勘察报告.

[3]基坑工程降水案例.北京：人民交通出版社.

[4]简明施工计算手册.第三版.北京：中国建筑工业出版社.