太原河漫滩冲、洪积层地区施工降水探讨

肖磊

摘 要：本文以太原地铁2号线某标段三个明挖基坑为例，对比了止水帷幕+坑内降水、无止水帷幕的坑外降水两种降水方式。通过对比发现，在太原地区类似的地质条件下，坑内、外降水均可行，且各有优缺点，周边环境較为空旷时采用坑外降水优势较为明显;而止水帷幕+坑内降水适用于周边环境复杂的地段。

关键词：河漫滩;基坑;降水;止水帷幕;轻型井点

Abstract： In this paper， taking three open excavation foundation pits of a certain bid section of Taiyuan Metro Line 2 as an example， two precipitation modes were compared： water curtain + in pit precipitation and out pit precipitation without water curtain. Through comparison， it was found that under the similar geological conditions in Taiyuan area， the precipitation inside and outside the pit was feasible， and each had its advantages and disadvantages. When the surrounding environment was relatively open， the precipitation outside the pit had obvious advantages; while the water stop curtain + precipitation inside the pit was suitable for the sections with complex surrounding environment.

Keywords： flood plain;foundation pit;precipitation;waterproof curtain;light well point

影响深基坑土方开挖进展的关键因素是水，如果能够快速有效地疏干基坑内的积水，就能为结构施工创造一个干燥、安全的施工环境[1-5]。根据土层情况、渗透性、降水深度、地质情况、地下水类型，可选用不同的降水方式，管井的布设可以在基坑内，也可以在基坑外。太原地区含水层主要由汾河冲洪的黏质粉土、粉砂、中砂等组成，所采用的深基坑降水方式比较单一，几乎全为止水帷幕+坑内降水。本文以太原地铁某标段两座车站及一段明挖区间为研究对象，探讨太原地区是否适用坑外降水的方式，并对坑内降水和坑外降水的优缺点进行对比分析。

1 工程概况

太原市轨道交通2号线一期工程土建施工SGTJ-204标段包括两站两区间，由南向北分别是嘉节站、嘉节站～龙城大街西站区间（含明挖及盾构）、龙城大街西站、龙城大街西站～中心街站区间，线路总长1.9 km。标段内的2座车站及嘉节站～龙城大街西站区间明挖段（以下简称“嘉龙明挖区间”）均采用明挖顺作法施工，因此，选取其作为本文的研究对象。其中嘉节站作为太原市轨道交通发展有限公司坑外降水的试点车站，采用无止水帷幕的开放式围护结构+坑外降水，嘉龙明挖区间及龙城大街西站采用太原地区常规的止水帷幕+坑内降水。

三个基坑地质条件基本相似，基坑范围内潜水主要赋存于30 m以上的粉细砂和中砂层，黏质粉土亦存在一定的赋水性，但水量较小;弱承压水主要赋存于下部的粉细砂层，因上部隔水层不连续，黏质粉土也存在一定的透水性，故表现出一定的弱承压性，但总体上属潜水类型。地下水主要由大气降水和汾河下渗、侧向补给，水量颇丰，排泄方式以大气蒸发和人工开采为主。其中嘉龙明挖区间及龙城大街西站的止水帷幕墙趾位于黏质粉土及粉细砂层中，未完全隔断第四系松散层浅层孔隙潜水，基坑内外存在一定的水力联系。

2 降水方案的设计

2.1 嘉节站

嘉节站长212 m，车站主体与各附属结构基坑的基坑降水同步设计、分期施工。采用封闭式布井方式，降水井位距离车站主体钻孔灌注桩及车站附属外侧2.3 m。受车站两侧盾构区间始发、接收端头加固的影响，车站北、南两端采用2倍延长布井方式布置真空管井。为分析不同布井间距、降水井类型、井管类型对地下水控制的影响，方案将车站划分为4个区域进行布井：车站西侧采用无砂水泥管井、车站东侧采用钢花管井、站体两端采用真空管井、车站中心采用普通管井，且车站中心、盾构始发端和盾构接收端设置不同井间距。井深根据地层不同而进行调整。降水井设计参数见表1。

2.2 嘉龙明挖区间

嘉龙明挖区间长238.8 m，北侧相接的龙城大街西站隔离桩以南55.8 m并入嘉龙明挖区间一并开挖。基坑支护形式为钻孔灌注桩+三轴搅拌桩止水帷幕，属于止水帷幕+坑内降水，标准段深18.6 m，局部地区（南端头井）开挖深度约20.18 m。经过计算，疏干井深度取25 m（主体基坑标准段）和27 m（盾构井），整个基坑设置39口降水井，井间距15 m。地铁基坑一旦围护结构对上部承压含水层的隔水效果不理想，坑内抽降地下水过程中，将引起坑外地下水的同步变化，进而导致坑外地面沉降加剧。因此，需要实时监测坑外水位变化情况，故需要在坑外布置潜水观测井。必要时，坑外的观测井可作回灌井使用。坑外普通潜水水位观测井共布置12口，采用无砂水泥管，深潜水观测井1口，采用钢花管。过滤采用80目滤网，过滤器为桥型过滤器。嘉龙明挖区间降水井、观测井设计参数如表2所示。

2.3 龙城大街西站

龙城大街西站隔离桩以北车站主体基坑长233.7 m，围护结构及降水形式与嘉龙明挖区间一致。标准段宽21.6 m，顶板覆土约3.0 m，基坑深约17.40 m。龙城大街西站施工在嘉节站及嘉龙明挖区间之后，结合前期的施工经验，龙城大街西站降水井间距调整为11～12 m，基坑内共设置44口降水井。由于本基坑由南向北开挖深度依次变浅，经综合考虑，位于9～30轴范围内基坑开挖深度按照17.4 m和31～36轴开挖深度按照15 m计算。经计算，9～30轴取井深24 m、30～36轴降水井取21 m，降水井超过底板底深度约5.6～6 m。在总结前两个基坑的经验后，适当减少了观测井，共在基坑四周设置8口坑外普通潜水观测井、1口坑外深潜水观测井，具体布设数量及位置详见表3。

3 降水井施工工艺流程及要点

3.1 施工工艺流程

本工程钻井设备选用GF-150反循环钻机设备，成孔采用正循环自然泥浆造浆，泥浆护壁回转钻进成孔，钻头选用带保径圈的三翼钻头，钻头直径按设计及规范要求选用。具体的工艺流程如图1所示，较为普遍，在本文不再赘述。

3.2 施工及维护要点

3.2.1 设置备用井及备用物资。降水井在实际运行中（尤其是坑内降水井），会因各种原因的影响出现损坏的情况，从而导致降水工程中断。为了避免出现这种情况，在设计降水方案时，要根据基坑形状、开挖难易程度等判定降水井被破坏的风险，在布设降水井时，在计算的数量的基础上增设20%～40%的降水井作为备用井兼观测井。在降水运行过程中，备用井并不是一直使用，而是在其他工作井出现问题时投入使用，确保降水运行效果。同理，降水的相应物资也需要同步备用，如水管、水泵、发电机等。

3.2.2 土方开挖期间降水井保护要点。当车站端部设有格构柱时，降水井宜尽量靠近格构柱，为挖掘机预留进出的通道。基坑开挖时，注意保护降水井管，因为降水井管管材强度不是很高，经不起机械设备的碰撞和冲击。具体来说，第一，必须保证井管连接的焊接质量;第二，在坑内挖土过程中，挖机等不能直接碰撞坑内井管，井周边500 mm范围内的土不得用挖机操作，可以人工扦土;第三，值班施工员及土方开挖值班人员要紧盯开挖面，降水维护班组也要派专人及时拆除暴露在外的降水管节;第四，首层土方开挖之前，所有的降水井顶部必须插上小红旗以示警戒;第五，坑内的疏干深井随基坑开挖深度逐步割除多余的井管，在下层土方开挖之前，疏干深井的管口处应设置小红旗等醒目标志。

3.2.3 技术措施。第一，选取滤料时应当选用经过仔细清洗、筛选的粒径合适的级配碎石或粗砂，且滤料回填时要严格控制回填时间和高度;第二，钻孔时保证降水井深度满足要求，或者适当增大井径以提高其透水性，如果地下水比较多，还可以缩小井间距来提高降水效果;第三，根据降水井水位情况，交替使用功率大小不同的抽水泵，从而提高降水效果。

3.2.4 死井形成原因及预防措施。第一，井管在安装时发生偏斜，导致过滤部位填料分布不均，而过滤层比较薄的部位因为吸入细泥造成过滤器堵塞形成死井。为避免此情况发生，可以在滤管端部安装“定中环”，以避免井管偏斜。第二，滤网破损或脱落堵塞井管形成死井。对此，一方面要对滤网质量及安装进行严格把关，保证滤网质量合格、安装牢靠;另一方面，在井管下管时，要规范施工，不可强干、蛮干。第三，砂井的渗透性不好。对此，要保证砂井的成孔质量;保证选择滤料粒径符合要求;严格控制井孔内的循环水含泥量，小于5%为可以接受。第四，未及时进行洗井，致使泥沙堵塞滤孔形成死井。对此，应用高压水插入井点管底部反复冲洗井点管或拔出重新埋设。

4 降水效果检查及应急补救措施

4.1 嘉节站降水效果检查及补救措施

降水后基坑實际开挖表明：基坑标准段完全达到了无水施工要求，但基坑北端头盾构加深段开挖至17.8 m以下后，发现坑底水位位于结构底板（18.2 m）以上30～50 cm，未达到预期的降至结构底板以下0.5 m的效果。推断原因是该部位砂层含水层接近疏干，过水断面小，而降水井间距又偏大。对此，研究者采用轻型井点对北端头进行局部接力降水，共施作轻型井点43眼，井深4 m，间距1.5 m。北侧盾构井范围内，采用14个自吸式潜水泵，每个潜水泵带3根井点管。井点管采用3.33 cm的塑料管，底部1.5 m打眼成集水花管并用60目纱网包裹2层，以防止砂粒随地下水排出。在轻型井点启动抽排12 h后，砂层含水层彻底疏干，满足了北端加深段无水开挖要求。嘉节站南端头与北端头存在同样的情况，也通过轻型井点接力降水成功，将水位降低至基底0.5 m以下。

4.2 嘉龙明挖区间降水效果检查及补救措施

嘉龙明挖区间及龙城大街隔离桩以南部分方案为设置39口井，实际施工36口。

4.2.1 南端头。南端头开挖至基底后，由于降水井的保护不到位、降水井施工部分未严格按照方案打设、局部扩大段拐角及端头井部分井位设置不合理、局部止水帷幕施工效果差，导致水位高于基底约3 m。在更换大功率水泵降水无效后，又重新利用反循环钻机在基坑内补打降水井。由于需要降水的深度较大，轻型井点无法满足要求。此次补打降水井6口，基坑内降水井数量增至42口。

4.2.2 北端头。开挖至基底后，同样发现坑底水位位于结构基底以上30～50 cm，未达到预期的降至结构底板以下0.5 m的效果。对此，研究者采用轻型井点对北端头进行局部接力降水，共施作轻型井点27眼，井深4 m，间距1.5 m。北侧盾构井范围内，采用14个自吸式潜水泵，每个潜水泵带2根井点管。轻型井点施工完成后，在经过15 h抽排后，北端头基坑内水位下降30 cm，水位已基本位于基底。

虽然北端头轻型井点施工完成后，端头的水位下降了约30 cm，但北端头以南20 m处，水位仍高于北端头约70 cm。这主要是因为此次轻型井点施工未仅在两侧布设，未封闭成环，由于基坑面积大，降水区域宽度达到了26 m。而此时龙城大街的一单元内有格构柱，开挖时降水井部分被破坏，水位远高于北侧，由南向北补给，而轻型井点未封闭成环，不能阻断补给，从而导致水位不能整体下降到设计要求的高度。同时，因为存在南北的水头差，已破坏的井内虽然被淤堵，但井壁四周填充的砾石仍是良好的过水通道，故水沿着管壁向上涌。

4.2.3 措施。第一，在南侧合适的位置补设管井，封闭成环，截断上游补给水，特别是南侧为扩大段，基坑面积大，降水井缺失;第二，对于报废的管井存在管涌现象，无法引排时，可在报废的井内打设注浆孔进行后退式注浆，水平封堵;第三，渗水较少时，可采用盲沟进行集水明排。盲沟内采用级配碎石充填，并在碎石外铺设两层土工布反滤层。

5 结论及建议

①针对类似本工程地层的情况，当基坑宽度不大于21 m时，沿基坑长度方向布设两排降水井，在保证降水井完好的情况下，降水井纵向间距15 m基本可行，能满足施工需求，但偏于冒进。同时，在端头加宽部分、水的上游方向、止水帷幕有缺陷处应将井间距加密。龙城大街西站部分位置为悬挂式帷幕，标准段井间距11 m时，即使相邻的3口井破坏1口，亦可满足降水要求。但是，在局部废水池加深的地方，水的补给过大，疏干井宜适当加深、加密，且宜采用大口径降水井下大功率水泵。

②土方开挖过程中，需要加强降水井管理责任制，土方班带班负责人、挖掘机司机、降水巡视人员、施工员为主要责任人，土方开挖时需要严格盯控，一旦出现因相关人员盯控不到位导致降水井被破坏时，要追究相关负责人的责任。

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