超级井点工法与传统井点法效果的对比研究

严　驰，郭伟锋，张　洁

（天津大学，天津300072）

超级井点工法与传统井点法效果的对比研究

严驰，郭伟锋*，张洁

（天津大学，天津300072）

日本研发的超级井点工法为一种新的基坑降水方法。通过构建室内试验模型和FLAC3D数值模型，确定应用FLAC3D数值模型研究基坑降水对基坑外部影响的可行的。在此基础上，进行了超级井点工法与普通管井基坑降水效果对比分析，并且分析了真空井的深度、真空负压大小、井点数量对基坑降水的影响，说明该工法可降水深度超深，降水能力超强，对基坑外部地下水位的影响极小，超级井点工法对地下水的影响范围为传统井点法的28%左右，止水帷幕外部地下水位的最大降深仅为传统井点法降水的7.8%左右。

超级井点工法；传统井点法；基坑工程降水；地面沉降

0　引言

近年来，城市地下空间的开发利用越来越受重视，尤其是在大城市。城市地下工程在深度上越来越深，空间上越来越广。比如天津市规划地铁线路15条，现今最深车站为31 m；上海地铁规划建设16条，其13号线淮海中路站深度达71 m；北京地铁规划线路20条，地铁7号线磁器口站为北京最深的车站，纵深达32.5 m。地下空间的开发利用，首先要考虑地下水的问题，在基坑工程降水中，现在国内依然普遍采用普通井降水；传统井点降水工艺成熟，施工简便，但是对基坑外部环境影响较大，容易造成基坑外部地下水大范围降低，从而导致基坑外部地面不均匀沉降，引起一系列的环境和安全问题。随着近些年政府环保意识的增强，保护地下水资源的认识不断加强，全国各地采取了一系列限抽限排措施，力求控制城市地表大面积沉降的进一步发展。日本的超级井点工法针对这类问题能发挥很好的作用，具有基坑外围地下水不下降或者轻微下降的特点，对于建筑物密集的城市中心非常适用。

1　超级井点工法原理及特点

超级井点工法是利用真空负压原理，在超深地层中通过保持高负压状态进行强制排水的一种新型工法。超级井点工法是在以往工法的基础上，取长补短而研制成功的。它将真空泵和深井泵结合起来，使用了双重管构造的特殊分离式过滤器，能够保持井管内的持续高负压状态，从而实现连续强制排水[1]。

与以往的基坑降水工法相比，超级井点工法利用了真空效应，使集水能力提高了2～6倍。采用日本超级真空降水工法降水，可只在坑内抽取少量地下水，既能满足设计和施工要求，又能使坑外水位基本不降，从而保证了基坑周围的大范围内不会出现由于地下水的降低而造成地面沉降的问题。

2　构建室内试验模型和数值模型

构建室内试验模型是为了得到室内试验数据，以便与数值模型的计算数据进行对比，评价数值模型计算结果的可靠性。

2.1构建室内试验模型

室内试验模型由模型槽、孔隙水压力传感器、数据采集仪、真空储气罐、真空表、真空泵、电源和电脑组成，如图1。

图1　室内试验模型Fig.1 Laboratory testmodel

2.2用FLAC3D构建数值计算模型

用FLAC3D有限差分软件构建超级井点工法降水数值模型[2-5]，模型的尺寸依据室内试验物理模型的尺寸构建，其尺寸为：长×宽×高=1.5m× 0.3m×0.8m。数值模型如图2所示。

图2　与室内模型等比例数值模型Fig.2 M athem aticalm odelw ith same scale of laboratory test model

2.3超级井点工法室内模型试验与数值模拟结果对比

模型试验所采用的材料参数根据室内试验所用粉砂的各项参数，其中渗透系数k=1×10-5cm/s，其余参数指标如表1。

表1　粉砂的物理力学性质指标Table 1 Physicalandm echanical proper tiesof silty sand

首先，室内模型试验在真空井内真空负压为-8 kPa的条件下进行了多组试验，记录试验结果并进行分析。其次，在同等工况条件下，用FLAC3D有限差分软件模拟室内超级井点工法降水，记录数值模拟计算结果。最后，将室内模型试验得到的数据进行整理，并且与数值模拟计算结果进行对比分析，如图3所示。

图3　室内模型试验与数值模拟计算结果对比Fig.3 Com parison between resultsof laboratorymodel testsand num erical simulation results

从图3可以看出，真空负压为-8 kPa时，虽然室内试验测得基坑外部地下水位降深略大于数值模型计算所得到的数据，但是偏差范围在试验误差允许范围之内，并且由图中看出，室内模型试验所得数据曲线与数值模拟曲线的趋势相似，所以用FLAC3D构建数值模型，研究基坑降水对基坑外部影响是可以接受的。

3　超级井点工法与普通管井基坑降水效果对比

计算条件：基坑数值模型中布置的止水帷幕深度为0.46m，真空井的埋深为0.46 m，井内施加真空负压-8 kPa。基坑降水效果见图4。

图4　基坑降水效果对比Fig.4 Effectcomparison of dewatering of foundation pit

图4（a）中“真空井-8 kPa”曲线表示超级井点工法基坑降水时，内部观测点的孔压变化。此曲线迅速降低，在700步左右，观测点孔压已经达到-0.2 kPa，说明超级井点工法基坑降水能够达到基坑降水要求。基坑内部布置1口真空井，井内负压为-8 kPa的情况下，降水效果优于6口普通管井降水。由于超级井点工法基坑降水时止水帷幕的深度为0.46 m，而普通管井基坑降水的止水帷幕深度为0.51 m，说明超级井点工法降水在减少止水帷幕的深度的情况下，能够达到良好的降水效果。

图4（b）可以看到，真空井降水曲线位于普通井基坑降水曲线上方，说明超级井点工法基坑降水时，基坑外部观测点的孔压降低值小于传统井点法基坑降水，同时也说明超级井点工法基坑降水对基坑外部地下水造成的影响较小。

通过对两种工法基坑降水的对比分析可知，超级井点工法单井的降水能力强，降水效率高，且能够减少止水帷幕入土深度，降低工程成本。超级井点工法对基坑外部地下水位影响范围和影响程度均小于普通管井基坑降水对基坑外部地下水的影响。

4　超级井点工法基坑降水影响分析

4.1真空井的深度对基坑降水的影响

当止水帷幕深度为0.46m，真空负压为-10 kPa，真空井的深度分别为-0.36 m、-0.41 m、-0.46 m时，采用超级井点工法基坑降水时，基坑内外部观测点的孔压曲线如图5所示。

图5　井深变化对基坑降水的影响Fig.5 Effectof variation ofwelldepth on dewatering of foundation pit

如图5（a）所示，在止水帷幕深度为0.46 m，真空负压为-10 kPa时，随着井管深度的增加，基坑内部降水速度增快；图中的间距一和间距二表示基坑内部观测点的孔压随井管深度增加的改变量，间距一明显大于间距二，这说明增加相同长度井管，对基坑降水速率的影响越来越小。

图5（b）表示在止水帷幕深度及真空负压一定的情况下，井深的变化对基坑外部地下水的影响。图中可以看出，3条曲线差别很小，这说明采用超级井点工法进行基坑降水时，井深的变化对基坑外部影响不大，这与传统工法有明显区别。

综上所述，采用超级井点工法基坑降水时，井深的变化与基坑内部地下水的降水速度有明显关联，随着井管深度的增加，基坑降水速度逐渐加快，但是基坑内部地下水降低的速率却在逐渐减小，因此，基坑降水应选择合理的井深而不是越深越好。采用超级井点工法基坑降水，井管的深度越大对基坑外部地下水影响越小，这一点与普通管井降水恰恰相反。

4.2真空负压的变化对基坑降水的影响

为了研究真空负压对基坑降水的影响，设定基坑止水帷幕的深度为0.46 m，井管深度为0.41 m，真空负压分别为-8 kPa、-10 kPa、-12 kPa时，基坑内外观测点的孔压变化。

图6表示在止水帷幕和真空井管深度都不变的情况下，基坑外部观测点的孔压值随真空负压的变化。从图中看出，随着真空负压的增加，基坑外部地下水位受影响的程度越来越小，受影响的范围也越来越小。

图6　不同真空负压下基坑外部观测点孔压Fig.6 Pore pressure at externalobservation pointsof foundation pit under different vacuum negative pressure

4.3布置2口超级井点基坑降水

为了进一步减小基坑外部地下水受影响的范围和程度，在基坑内部布置2口真空井，止水帷幕的深度仍然设定为0.46 m，井深0.41 m，采用FLAC3D软件构建基坑降水模型，运算后提取观测点孔隙水压力数据，对比单口真空井和2口真空井的基坑降水内外的水位变化。图7分别绘出了3种不同情况下的基坑外部地下水受影响曲线，即6口普通井降水、单口真空井降水、2口真空井降水。

图7　基坑外部观测点孔压曲线Fig.7 Curve of pore pressure at externalobservation pointsof foundation pit

图7中最上方曲线表示2口真空井，真空负压-16 kPa时，超级井点工法基坑降水，可以看出地下水受影响范围最小且最靠近止水帷幕的孔压观测点的孔压改变量最小，即地下水的受影响程度最小。位于中间的曲线表示单口真空井，真空负压-16 kPa时，采用超级井点工法基坑降水，可以看出地下水的受影响范围和观测点的孔压改变量均大于最上方的2口真空井的降水曲线，说明单口真空井对基坑外部地下水的影响范围和影响程度均大于同样条件下的2口真空井基坑降水。最下方的曲线表示6口普通井基坑降水，可以看出基坑外部地下水的受影响范围和受影响的程度均远远大于采用超级井点工法基坑降水时基坑外部地下水的受影响范围和程度。

4.4基坑外部地下水受影响程度对比

从图7可以看出，采用超级井点工法基坑降水，基坑外部地下水的最大下降量仅为6 cm；而采用普通管井基坑降水时，基坑外部地下水位受到的影响较大，基坑外部地下水位的最大降深为76 cm；由此可知，采用超级井点工法基坑降水具有较强的优越性,基坑外部地下水最大降深仅为普通管井降水的7.8%左右。

4.5基坑外部地下水受影响范围对比

从图7可以看出，采用超级井点工法（2口真空井）进行基坑降水，基坑外部的受影响范围为0.24 m；采用6口普通井进行基坑工程降水，其基坑影响范围为0.86m；由此可知，采用超级井点工法进行基坑降水，基坑外部受影响范围仅为传统工法的28%。

5　基坑降水云图分析

从FLAC3D有限差分软件的结果云图，通过转换成为TECPLOT软件可以识别的图形，然后进行后处理，提取云图中的切片，对传统井点法基坑降水和超级井点工法基坑降水进行分析。

图8　降水云图Fig.8 Com parison of dewatering cloud

从图8（a）可以看出，采用传统井点法进行基坑降水时，尽管抽水时间足够，但是基坑内部地下水位仍然没能达到设计要求的降深，井管与井管、井管与井壁之间的漏斗明显高于地下水位设计降深线。基坑外部地下水位0 kPa孔隙水压力线明显低于地表，说明地下水位受影响的程度和范围较大。

从图8（b）中可以看出，采用超级井点工法进行基坑降水，基坑内部地下水位能够迅速降低至地下水位设计降深线以下，达到了基坑降水的设计要求。0 kPa孔压线表示地下水位的自由水面，从图中可以看出，基坑外部的地下水位线几乎没有变化，这说明基坑外部地下水位受影响的程度和范围很小。

6　结语

通过对超级井点工法的数值模拟和室内试验结果分析得出以下结论：

1）提高基坑工程降水效率：在相同的地质条件下，采用超级井点工法进行基坑工程降水，单口真空井的降水效率远高于6口普通管井降水。

2）减小基坑外部地下水受影响的程度：在相同的地质条件和同样的止水措施下，基坑工程达到同等疏干要求情况下，采用超级井点工法基坑降水，基坑外部地下水位的最大降深仅为传统井点法的7.8%。

3）减小基坑外部地下水的受影响范围：采用超级井点工法进行基坑降水，基坑外部受影响的范围仅为传统降水法的28%。

4）井管深度对基坑外部地下水的影响：采用超级井点降水时，井管深度的增加能够加快基坑内部地下水的快速疏干，但是对基坑外部的地下水位的变化影响较小，这与传统降水法明显不同。

[1]丛藹森.超级井点工法（SWP）简介[C]//第四届中国岩石锚固与注浆学术会议论文集.2007. CONGAi-sen.Super well pointmethod(SWP)[C]//Proceedings of the fourth symposium on rock boltingand grouting in China.2007.

[2]彭文斌.FLAC3D实用教程[M].北京：机械工业出版社，2007. PENGWen-bin.FLAC3D practical tutorial[M].Beijing:Mechanical Industry Press,2007.

[3]陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2013. CHEN Yu-min,XU Ding-ping.FLAC/FLAC3D foundation and engineering examp les[M].Beijing:China Water&Power Press, 2013.

[4]刘波，韩颜辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京：人民交通出版社，2005. LIU Bo,HAN Yan-hui.FLAC principles,examples and Application guide[M].Beijing:China Communications Press,2005.

[5]吴林高.工程降水设计施工与基坑渗流理论[M].北京：人民交通出版社，2003. WU Lin-gao,Design and construction of engineering dewatering and theoryofseepage in foundation pit[M].Beijing:China Communications Press,2003.

Com parative study on effect of super well pointmethod and traditionalwell pointmethod

YANChi,GUOWei-feng*，ZHANG Jie
（Tianjin University,Tianjin 300072,China）

The super well pointmethod developed in Japan is a new foundation pit precipitation method.A laboratory test model and a FLAC3Dmathematicalmodelwere built and through thesemodel tests,it is proved that it is feasible to determ ine the influence of precipitation in a foundation pit upon the precipitation outside the foundation pit by way of a FLAC3D mathematicalmodel.On the basisof the test results,comparative analysiswasmade on the resultsof precipitation by superwell pointmethod and the ordinary well pointmethod,and the influence of the depth of vacuum wells,themagnitude of negative vacuum pressure and the numberwell points upon the precipitation from a foundation pitwasanalyzed,showing that themethod is capable of dewatering in greater depth and precipitation with super capacity,and that the influence of themethod upon the ground water leveloutside of the foundation pit is theminimal.The range of impactof superwell pointmethod upon the ground water level is about 28%of the traditional well pointmethod and the biggest drop of underground water beyond the water stopping curtain walls isonly about7.8%of the traditionalwell pointmethod.

superwell pointmethod;traditionalwell pointmethod;dewatering of foundation pit;ground subsidence

U655.544；TU463

A

2095-7874（2016）06-0032-05

10.7640/zggw js201606008

2015-12-04

2016-04-22

严驰（1959—），女，湖北黄梅人，教授，博士，硕士生导师，主要从事岩土工程等方面的教学和科研。

郭伟锋，E-Mail：13672188957@163.com