小口径镀锌钢管井点降水技术在泵站深基坑开挖中的运用

2015-12-12郭桂祥

江苏水利 2015年7期

季晨郭桂祥杨勇

（1.盐城市机械排灌处，江苏盐城 224003；2.苏州润禹工程咨询管理有限公司，江苏苏州 215128）

1 工程概况

本泵站工程为老站改建项目，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4 级，临时建筑物为5 级；设计防洪（潮）标准采用50年一遇，排涝标准采用10年一遇，装机ZLB-1400 型轴流泵3 台，单机流量约为7.0 m3/s，共装机1200 kW。

本工程基坑土方开挖的大致范围为：基坑两侧防洪堤段开挖坡比1∶2，最大挖深12 m（▽-4.0 m），上口开挖长度约120 m；基坑两端上下游段开挖坡比1∶3，最大开挖深度8 m（▽-4.0 m），上口开挖宽度100 m；整个开挖段降水面积约125 m×105 m。

开挖防洪堤堤顶高程约为▽8.0 m，基坑水位埋深约为▽3.5 m 以下，▽3.5 m 以上主要为原堤防填筑土质，土质较好。降水设施计划在上层土方开挖结束后开始布置，降水深度控制在9 m 以上。

2 工程施工降水的难点

由于在基坑外侧工程设计中未采用任何阻水截流措施，基坑开挖放坡受周围地形建筑物限制，故采用何种降水手段保证开挖的顺利实施以及在施工过程中的边坡稳定，成为施工单位首先要解决的难题。

（1）施工降水难点一。站身两侧施工场地狭窄，老泵站建于原有防洪堤上，距墩墙左侧10 m 为防洪闸，右侧建有原站房管理设施，不宜进行大面积开挖，且要保证开挖降水引起周边设施的均匀沉降；最大设计开挖坡比为1∶2，局部1∶1，要解决高含水量粉沙地质小坡比边坡易坍塌与出现流沙问题。

（2）施工降水难点二。站身位置开挖深度大，最大挖深达到12 m，站身原防洪堤填筑范围以下20 m 左右土质主要为粉沙质粘土（透水系数为1～4 m/d）夹部分流沙土质，含水量高（粉沙层含水量达到35%以上），要求水位降深大，站身前后均为高水位河流，水源回补充分，由于三面临河，局部有管涌，施工降水难度大。

整个工程工期较紧，要求确保2013年3 月底具备水下阶段性验收条件，满足汛期防汛功能。能否顺利实施深基坑开挖，是控制整个工程进度、质量的关键。狭窄场地范围内的深基坑开挖质量是整个工程能否按期完工并发挥效益的关键，而影响此开挖质量的关键因素就是基坑降水。

由于本工程为市级财政项目，投标限价较低，基坑降水既要满足施工需要，又要考虑工程的经济效益，因此，这种施工设计既无防水、截流措施也无任何基坑支护的基坑开挖，如何保证施工安全对施工单位是一个严峻考验。

3 基坑降水形式的比选

基坑降水方法主要有明沟加积水井降水、轻型井点降水、喷射井点降水、电渗井点降水、管井井点降水、深井井点降水等。各种降水方法有其特点和适应条件，比选如下：

（1）轻型井点降水适用于面积不大且降水水位不深的基坑，降水水位一般在3～6 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降水系统，但需要基坑四周有足够的空间，以便于放坡或挖槽，分级布置井管。轻型井点的管路过长、分支多、密封度差，会导致管井真空度不足，影响出水量，分级布置时施工干扰大。

（2）喷射井点降水系统能在井点底部产生25 cm 水银柱的真空度，其降水水位深度大，一般在8～20 m 范围。其适用的土层渗透系数和轻型井点一样，一般为0.1～50 m/d，在渗透系数3～50 m/d 的砂土中应用最为有效。但其抽水系统和喷射井管的施工工艺较为复杂，运行故障率较高，维护困难，配套功率较大，能量消耗大，运行费用较高。

（3）电渗井点降水适用于渗透系数很小的细颗粒土，如：粘土、亚粘土、淤泥和淤泥质粘土，这些土的渗透系数小于0.1 m/d，需要与轻型井点和喷射井点结合运用，其降低水位深度取决于轻型井点和喷射井点。

（4）管井降水一般适用于降水系数大、地下水丰富的地层，每口管井出水流量可达50～100 m3/h，土的渗透系数在100～200 m/d 范围内，这种降水方法一般用于潜水层降水。

（5）深井井点降水是有基坑支护情况下使用较多的降水方法，其优点是降水深度大、降水量大，在砂砾等渗透系数大、透水层厚度大且一般轻型井点和喷射井点降水无效的情况下，采用此方法最为适宜。管井（或深井）成井质量控制较为复杂，单井出水量较大，易出泥、出沙。

在分析总结这些常规降水方法优缺点的基础上，如何找到一个既满足本工程具体施工技术要求而又比较经济的降水方案，能在避免分级干扰的同时，既能解决轻型井点、喷射井点等降水方法因真空度不足等因素影响出水效果以及分级干扰问题，也能克服管井（深井）降水的出泥出沙、降水不均匀的弊端，成为项目部选择降水方案需要探讨的一大课题。

4 方案提出及最佳方案确定

4.1 方案提出

工程开工前，项目部就本工程基坑开挖的降水问题，针对现场施工条件和设计图纸、招标文件要求，积极展开讨论。通过主动走访多年前参加老站施工的技术人员，了解当年老站施工时基坑状况以及当时施工所采取的降水措施，并结合相关专家意见和现有常规降水方法及以往的施工经验，提出了多种降水方案。然后对方案在本项目实施中可能存在的施工难点、运行缺陷等情况进行了详细的分析、计算和研究，最终利用轻型井点降水原理，结合轻型井点降水以及喷射井点降水优点，采取了在井点结构的设计和抽水方法上有重要创新的小口径镀锌钢管井点降水方法，其与传统的降水方法相比有了较大突破。

（1）小口径镀锌钢管井点降水方法主要设备和用材：Φ25 镀锌钢管，壁厚2.5 mm；小功率单相自吸泵；井体滤管包裹材料、滤料等。

（2）降水深度：单级5～12 m。

（3）适用土质以及降水能力：粉质粘土、粉砂土；降水能力较强，适用于含水量较大（一般20%～35%）土质；渗透系数一般为0.1～10 m/d。

（4）单机配套功率：0.75～1.0 kW。

（5）布置方式：单排或多排环状线性布置。

4.2 方案实施

图1 无压非完整井涌水量计算

小口径镀锌管井井点降水方案的关键工序：一是井点设计。采用理论计算的方法确定井管的数量与间距，目标是满足降水的要求，由技术科负责计算，公司工程部、总工室审查审批。二是试验井施工及抽水试验。在开挖范围四角和中心各钻井点1～3 眼试验，单井、三井联机连续抽水12 h 以上，精确计量实际抽水量，目标是单井出水量满足设计要求，达到10 t/d 以上，不出泥、出沙。三是实施井点施工。参照相关规范施工，安装连接好抽水管道系统，保证孔管的垂直度，保证滤管、滤料质量，控制出泥出沙，控制好工程工期，目标是达到设计与抽水试验标准。四是联机抽水。不间断进行抽水，注意检查每台井泵的运行情况，及时更换故障水泵，检查泵管连接密封程度，目标是保证所有管井达到设计要求。

4.2.1 井点设计

按照无压非完整井、抽水原理与轻型井点基本相同，计算依据参照轻型井点。

（1）计算参数

降水面积A=125×105=13125 m2；

渗透系数取K=2 m/d；

降水深度S=9 m（基坑底平面上下各8 m、1 m）。

（2）井管结构设计

H（井管长度）≥H1（现状地面至基坑底面距离）+h（基坑中央最深挖掘面至降水曲线最高点的安全距离m）+I×L（降水曲线坡度与井点至基坑中心短边距离的乘积）+l0（滤水管长）=8（4）+1+1/10×105/2+2=16（12）m（括号内为基坑两端井点深度）

（3）涌水量计算（由于井底没有达到不透水层，所以按照无压非完整井计算）

无压非完整井涌水量计算见图1。lgx0）

式中：

Q—基坑总涌水量；

K—渗透系数，取2 m/d；

H0—有效带深度，取H0=1.85×（S1+l）=1.85×16=29.6 m；

S—水位降低值，取9 m；

R—抽水影响半径，取R=1.95×S×（H0×K）1/2=1.95×9×（29.6×2）1/2=135 m；

x0—基坑假想半径，取x0=（A/π）1/2=64.65 m；

Q=1.366×2×（2×29.6-9）×9/（lg135-lg64.65）=1677 m3/d。

（4）确定井点管的数量与间距

q（单根井点管每天的出水量）=65×π×d×l×K1/3=65×3.14×0.02×2×21/3=10.32 m3/d

n（井点管需要根数）=1.1×Q/q=1.1×1677/10.32=180 根

D（井点管间距）=2×（L+B）/n=2×（125+105）/180=2.5 m

（5）校核水位的实际降低数值

应满足设计要求。

（6）水泵选择

一般按照涌水量、渗透系数、井点管数量与间距、降水深度以及需用水泵功率等数据选择水泵的型号（包括流量、吸程等）。经过选择比较，并通过现场抽水能力测试，最终选择1ZDB65 型单相自吸泵作为降水用泵。

其主要性能：流量3.5 m3/h，吸程9 m（实际使用时达到12 m 以上），单机单相功率750 W，配套接管外径25 mm。

根据降水深度要求以及单相自吸泵抽真空能力，可以采用三井、四井、五井等并联后总管接自吸泵，并保证自吸泵在各并联井管单元管道内能够形成70 kPa 左右的真空压力，日最大抽水流量可以达到40 m3/d 左右。

4.2.2 试验井施工与抽水试验

（1）单井施工工艺流程

井管与滤管制作→测量放线→挖井点沟槽→冲孔→下沉井管以及滤管并调整居中→灌填粗砂滤料→上部回填粘土密封→安装单井抽水设备→抽水。

（2）主要施工方法

井管以及滤管制作：井点管采用无缝镀锌钢管，管下端配2.0 m 长滤管，滤管采用与井点管同直径镀锌钢管，井点管和滤管之间通过镀锌管接头连接，保证连接质量，滤管部位钻梅花孔，直径5 mm，间距15 mm，外包尼龙网（100 目）2～3 层，钢丝网2层，外缠20#镀锌铁丝，间距10mm。三井并联采用Φ30×2.5 mm PVC 管连接，通过橡皮套管连接单相自吸泵。

成井施工：利用7.5 kW 高压水泵，通过软管与一根特制的Φ48 mm钢管相连，钢管端部设有喷水孔，由两名操作工人手持钢管在井管位置上下抽动，直至成孔，成孔深度一般比滤管底深0.5 m，冲孔时注意冲水管须垂直插入水中并摆动，成孔直径平均要在120 cm 以上，成孔后立即拔出Φ48 mm 冲水管，插入井点管，并确保滤管处于井孔中间位置，向孔内缓缓灌入中粗砂，防止堵孔，并在填砂时轻微上提井管，确保滤料回填密实均匀。滤料回填至距离原状地面2～3 m 后用Φ20 mm 左右的粘土球将上部井孔封堵，并人工压实。

井点管埋设完成后应检查其渗水性能，检查方法为：在正常情况下，井点口应有地下水向外冒出；否则，从井点管口向管内灌清水，看管内水位下降情况，水位下降越快，井点质量越好。

井点埋设结束要快速接泵抽水，防止静置时间过长井点淤塞。

图2 井点单元构成示意图

图3 施工现场井点连接平面图

（3）单井抽水试验

试抽的主要目的是检查井点的出水状况、单相自吸泵的运转情况和井孔壁的漏气情况，如果漏气比较严重则影响出水效果，应该调整上部粘土的封堵深度或重新成井。

单井抽水试验应该至少不间断运行12 h 以上，并在整个抽水试验过程中分阶段计量单井出水情况。通过12 h 的抽水情况分析，初步印证单井抽水能力。

4.2.3 全部井点施工以及并机联网抽水

（1）施工方法

全部井点的施工方法与要求同单井施工。三个单井通过PVC 管并联汇总接一台750 W 单相自吸泵，形成一个降水单元，整个降水系统安装750 W 单相自吸泵60 台，即60 个降水单元，每个井点降水单元出水管通过连接管道汇入直径200 mmPVC 集水总管，将水排出基坑开挖范围之外。井点单元构成示意图见图2，施工现场井点连接平面图见图3。

（2）具体质量要求

井体结构、井点管间距、埋设深度应符合设计，一组井点管和接头中心应保持在一条直线上；井管垂直度控制在1%以内，井孔直径误差控制在±10 mm 以内，滤料回填均匀密实，滤料包裹滤管厚度不小于50 mm。

井点埋设应无严重漏气、淤塞、出水不畅或死井等情况。

各组井点单元的真空度应保持在70 kPa 左右。

各个单井都要保证出水无浑浊、无粉沙。

单井、各降水单元出水量须符合设计要求。

4.2.4 施工注意事项

土方挖掘运输车道处通常不设置井点，这不会影响整体降水效果，如果布置井点要对井点做好可靠的保护。

在正式开工前，项目部要及时办理用电手续，布置好比较合理的供电线路，每个降水单元都应有独立的线路控制，并做好用电安全工作，保证在抽水期间不会长时间停电。抽水应连续进行，特别是开始抽水阶段，时停时抽会导致井点管的滤网阻塞。同时，由于中途反复长时间停止抽水，造成地下水位上升，会引起土方边坡塌方等事故。

井点降水应经常进行检查，其出水规律应为“先大后小，先浑后清”，若出现异常情况，应及时进行检查并排除。

在抽水过程中，应经常检查和调节自吸泵的出水流量，当地下水位降到所要求的水位后，要减少或间隔停止部分单相自吸泵抽水，尽量使抽吸与排水保持均匀，达到细水长流。

管路密封性（真空度）是影响单元井点能否顺利进行降水的主要技术指数，现场应设专人经常检查，若抽水过程中发现水泵出水量明显减少，应立即检查整个抽水系统有无漏气环节，并应及时排除。

在抽水过程中，特别是开始抽水时，应检查有无井点管淤塞的死井，可通过听管内水流声、看管子表面是否潮湿等方法进行检查。如“死井”数量超过10%，则会严重影响降水效果，应及时采取措施，及时补井。

在井点施工之前应勘测现场，采用高压水冲法成孔，如上部防洪堤粘土层较密实，沉管速度会较慢，如超过常规沉管时间时，可增大高压水泵压力，但不要超过1.5 MPa。

在基坑周围上部应挖好截水沟，防止雨水流入基坑。

井点位置应距坑边2.0～2.5 m，以防止井点设置影响坑边土坡的稳定性。水泵抽出的水应通过按施工方案设置的明沟远离基坑排出，以防止渗入基坑周边回流，影响降水效果。

5 实施效果检查与确认

5.1 降水系统施工工期

整个降水系统累计需打设12～16 m 深镀锌钢管井点180 眼，由于成井工艺简单易学，成井质量容易保证，成井设备（主要为高压水枪）简单，因此，整个成井过程可以在开挖界面全面展开，3～4 眼井并联后自成独立的降水单元，每个单元完工后即可装泵抽水。在具体实施过程中成立了6 个成井小组，每个小组每天可成井2～3个单元，整个施工工期包括试验井施工以及抽水试验控制在8 d 以内，满足了施工计划要求。

5.2 降水效果

（1）整个开挖范围内所有降水单元于2012年10 月31 日开始全面抽水，4 个集水总管平均出水量均超过20 m3/h，单井出水量平均在10～11 t/d，连续抽水96 h 后开始基坑开挖。基坑开挖土方含水量经过在两个开挖层次的环刀检测，含水量分别为上层▽1.0～4.0 m 为9.5，下层▽-4.0～1.0 m 约为11.5，达到了预期目标。土方开挖采用挖掘机与自卸汽车配合，在首先开挖原防洪堤的填筑土方后，再分两层进行基坑的土方开挖施工。在开挖过程中没有出现任何边坡坍塌和失稳现象，而且有效地控制了管涌。在二层土方开挖时由于降水效果较好，坑内运输道路仅在局部以15 mm 厚钢板铺设即可满足自卸车的行走要求；达到开挖高程后坑底表面干爽、整洁，地下水位低于坑底1 m 以下。整个基坑土方开挖经历了15 个工作日，累计开挖土方约5万m3，整个开挖过程连续顺利，开挖工期比原计划提前5 d 完工。

（2）主体工程施工过程中的降水维持：整个降水过程贯穿基坑土方开挖以及泵站水下结构施工，从2010年10 月30 日开始至2011年2 月初，历时3 个月，所有井点单元运转的真空度始终能够保持在75 kPa 以上。施工过程中除了对部分单元的单相自吸泵进行短时间更换外，所有井点单元运行正常，对施工无干扰，基坑周围边坡稳定，所有底板、墩墙、翼墙施工都在平整干燥的环境下进行，工程质量得到了保证。

（3）周围沉降观测结果：通过对基坑周边防洪闸、泵站管理用房等永久观测点的定期连续监测，由于井管布置均匀，没有引起周边建筑的不均匀沉降，达到了预期要求。