岩石基坑ZGD型螺杆自吸泵降水技术应用研究

董新和

(江苏天宇建设集团有限公司 太原分公司,山西 太原 030002)

1 工程概况

万通花园项目位于山西省阳泉市桃南东路与泉东路和官坊街交汇处,总建筑面积93 000.00 m2,地下3层、地上21层。剪力墙结构,筏板基础,基础埋深12.00 m。地基构成及岩性特征,根据野外钻探、原位测试及室内土工试验综合分析,场内地基土从上至下共分为六层,承载力特征值见表1。

表1 地基承载力特征表Table 1 Characteristics of foundation bearing capacity

地下水文特征,经测定稳定水位埋深介于637.24 m～638.47 m,揭露的场地地下水类型为岩石孔隙潜水,主要补给来源为大气降水及地下侧间径流,水位季节变化约1 m,根据设计要求基础埋深10.93 m,绝对高程637.97 m, 基础对地基承载力要求为250 kPa,故选用表中3号土作为本工程持力层,因本层为卵石,厚度为4.0 m～4.9 m,该范围内含水较少。但本工程1#、2#、3#楼电梯及集水基坑深度为±0.00 m以下13.43 m,绝对高程635.47 m,已达到稳定水位以下,该位置含有较多的岩石孔隙潜水,由于基坑为岩石,给降水带来很大的困难。为解决这一难题,项目部邀请有关专家讨论提出如下降水方案:方案一,集水井排水方案。即在基坑附近边角上挖渗水井,将孔隙潜水引至该集水井,然后用潜水泵间断抽水;方案二,轻型井点降水方案。在基坑周边布设井点管,用软管与集水总管连接,最后用真空泵将集水总管内水抽出;方案三,ZGD型螺杆自吸泵降水方案。即沿基坑底部对角线及周边凿渗水盲沟(槽),宽度为100 mm,深度为120 mm,然后在其中填碎石设置成排水盲沟。在其交汇处与排水吸盘的立杆管相连,排水立杆出水口与自吸泵软管相连,实现不间断降水。

从可行性、经济性、可操作性等方面分别对以上三方案进行分析比较。方案一特点是排水量可能较大,但对急需施工的基坑地下水位降低效果控制不利,施工难度较大,施工成本高,施工周期较长,对抢工期不利;方案二特点是对急需施工的基坑地下水位控制效果有利,但岩石地基复杂,井点布设钻孔很困难,施工成本相对也比较高;方案三特点是技术可靠,施工灵活,操作简单,施工成本低,施工周期很短,对抢工期非常有利。因而,最终确定方案三即ZGD型螺杆自吸泵降水方案作为本基坑降水方案。

2 工艺原理

根据岩石地基孔隙渗透系数及基坑面积计算确定渗水量[1],确定排水管径,选用相应型号自吸泵;在岩石基坑面上设置盲沟,通过吸水盘与其上部自吸管及自吸泵相连进行24 h连续抽水,使地下水位控制在作业面 0.2 m ～0.3 m以下,保持渗水与吸水平衡,已达到岩石基坑底无水,施工期间基坑完全处于干作业状态的目的。待岩石基坑的防水、钢筋、模板等工程全部完成后,浇筑抗渗混凝土。抗渗混凝土浇筑高低接近至闸阀时,利用混凝土自重压力改变地下水流向的原理,此时关闭自吸泵与吸水盘之间的闸阀,撤除自吸泵,待混凝土终凝后割除闸阀以上多余的排水管如图1所示。

图1 螺杆自吸泵岩石基坑排水工艺原理图Fig.1 Principle of drainage process of rock base pump with screw self-suction pump

3 工艺流程

根据岩石地基勘探报告及基坑设计面积计算基坑渗水量→选择排水管径及自吸泵型号→凿排水岩石槽设置盲沟→制作吸水盘及排水管系统→安装自吸排水系统装置→试排水→正常排水→岩石基坑后续作业施工→关闭排水闸阀→撤移自吸泵割除多余排水管。

4 施工方法

4.1 基坑涌(渗)水量计算

K——土的渗透系数(m/d),有裂隙岩石(20～60) m/d,取40 m/d;

H——降水深度(m),即常年稳定水位至设计基坑底以下0.5 m的深度;

R——降水影响半径(m),碎石、砂岩、卵石R为(100～200)m,取150 m;

L——基坑长(m),设计6 m;

B——基坑宽(m),设计5 m;

r0——引用基坑半径(m).

r0的计算公式如下:

降水深度H=638.47-635.47+0.5=3.5 m 则有

4.2 排水管径及自吸泵型号确定

根据计算得到的基坑涌水量,结合ZGD型系列螺杆自吸泵技术参数表见表2,并考虑其它不利因素,拟选用表中序号6,ZGD20-160-2.0型号螺杆自吸泵,其基本参数为,吸水流量为20 m3/h(>16.56 m3/h)、功率2 kW、电压220 V、进出水管径32 mm、扬程160 m，吸程50 m。

4.3 排水盲沟及集水井的设置

4.3.1 周边排水沟槽设置

用风镐在岩石基坑四周凿宽度100 mm、深度120 mm的环形沟槽,基坑对角线上设置同样宽度和深度的沟槽。沟槽设置时,应按2‰泄水坡度向集水坑方向设置,并清理其内部杂物如图2所示。

4.3.2 集水井设置

在岩石基坑底对角线交汇处再用风镐凿深度300 mm、直径300 mm的圆柱形集水井,并清理干净杂物如图2、图3所示。

图2 集水坑及盲沟平面布置图Fig.2 Plane layout of puddle and blind ditch

4.3.3 排水盲沟及集水井的形成

在沟槽清理干净后在其内铺设粒径为20～30 mm干净的碎石作为过滤层,形成过水盲沟。在圆柱形集水井内敷设粒径为20 mm～40 mm干净的碎石作为过滤层。这样便形成相互贯通的排水盲沟与集水井。

4.4 制作吸水盘及排水管系统

吸水盘为厚度8 mm,Φ400 mm的圆钢板,其中心位置设置直径Φ35 mm圆孔,用Φ32 mm长度L=550 mm(该长度视筏板厚度确定)镀锌钢管下端与其堆焊。镀锌钢管外露吸水盘板一侧80 mm。镀锌钢管的另一端为绞丝,与相应型号两通闸阀相连。在闸阀上端与长为800 mm～1 000 mm绞丝镀锌排水钢管连接,镀锌排水钢管上端与自吸泵软管相连即构成自吸排水系统。为保证螺杆自吸泵排水系统设备的稳定性,安装前在吸盘底部用直径Φ16 mm螺纹钢筋焊接成“米”字形的水平稳定支架,以确保其安装后能正常吸水与排水如图4所示。

图3 岩石基坑集水坑及盲沟构造原理图Fig. 3 Principle of construction of puddle and blind ditch in rock foundation pit

图4 螺杆自吸泵吸水盘构造原理图Fig.4 Principle of construction of self-suction pump pump by screw

4.5 安装自吸排水系统装置

排水盲沟及集水井的设置完成,螺杆吸水盘制作完备按下列步骤安装排水系统。

1)安装前为防止杂物堵塞自吸排水系统,在止水盘下侧的镀锌吸水管口用过滤网封堵,细钢丝扎牢。

2)安装时用普通潜水泵将基坑内渗水抽出,迅速将自吸排水系统装置水平安置在预先设置好的集水井中部,检查安装位置是否正确,确定位置无误后用膨胀螺栓与卡箍将 “米”字型支架与岩石地基永久固定,每根支架固定卡箍不少于2道。

3)待下部螺杆自吸排水设备安装完毕后将自吸泵软管立即与镀锌排水管有效连接,保证其连接长度大于50 mm以上,然后用细铁丝固定扎牢。

4)将自吸泵安置在基坑上部不受下道施工工序干扰的位置,将自吸泵的排水软管引入基坑外的排水沟中,保证其排水顺畅,并做临时固定。将三级开关箱电源接至自吸泵附近。

4.6 试排水及正常排水

排水盲沟及集水井设置完成,自吸排水系统装置安装就绪,接上电机电源按以下方法进行试排水工作。

1)卸下自吸泵出水口的出水软管,用注水漏斗及预先准备好的注水桶往自吸泵内灌入引水。待自吸泵引水灌满后,将出水软管与出水口连接固定好。

2)以上工作完成后,开通自吸泵控制开关,启动自吸泵,观察进水与出水软管中进出水情况,开始时进、出水管中存在气泡为正常现象。

3)观察一段时间后,如发现透明软管内仍然存在大量气泡,则应关闭自吸泵,及时检查进水与出水口等接头部位是否存在漏气现象,应立即作密闭或加固处理。

4)经过密闭及加固处理后,重新开启自吸泵透明软管中无气泡,且进出水流畅,自吸泵排水量能满足基坑无多余渗水,则该排水系统即可进入正常排水状态。

4.7 排水闸阀关闭

当基坑排水速度及排水量与渗水速度和渗水量基本平衡时,应抓紧后续工作,在基坑混凝土浇筑高度接近闸阀位置时结合现场实际工况考虑关闭闸阀。

1)螺杆自吸泵处于正常排水状态时,即基坑的渗水速度及渗水量与螺杆自吸泵排水系统的吸排水速度及吸排水量相当,处于一种“渗排平衡”状态。此时基坑内,应处于无多余渗水的理想干燥状态。施工作业人员应抓紧后道工序施工,如基坑垫层、防水层、保护层、钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇筑等作业施工。

2)在基坑最后一道工序即混凝土浇筑施工时,待基坑筏板混凝土浇筑有一定高度,且基本与螺杆排水管中部的闸阀高度接近时,可以关闭闸阀。此时利用混凝土自防水及其自重的原理改变地下水流向,使其渗水向其他部位渗透,保证该施工部位的无渗水的正常施工。

4.8 撤移自吸泵,割除多余排水管

当螺杆排水管中部的闸阀被关闭后一段时间,基坑内无渗水现象,说明岩石地基的地下水,在混凝土的重压力下改变了其流向,向周边扩散渗透。此时可以撤去自吸泵及排水软管,连续将混凝土浇筑至设计标高。待混凝土终凝后,用气割方法将筏板以上多余的螺杆排水管割去。

5 主要材料和机具设备

根据本工程所需排水岩石基坑数量,经测算分析,应准备以下主要材料及机具设备，如表3、表4。

表3 主要材料Table 3 Main materials

表4 主要机具设备Table 4 Main machinery and equipment

6 质量保证措施

为保证排水盲沟及集水坑水路畅通,螺杆自吸盘排水系统封闭性能,应按如下要求进行质量控制。

1)盲沟制作时,要弹线，然后用切割机沿线切割，最后用风镐或电锤凿除,以保证盲沟顺直,流水畅通。

2)盲沟的沟槽制作时，应严格按图1设计要求，控制好其泄水坡度,确保基坑渗水集中流向集水坑。

3)用于盲沟及集水坑的过滤碎石应进行淘洗,捡去其中杂物,以利于盲沟及集水坑排水。

4)圆柱形集水坑应先于盲沟剔凿,剔凿完成后，应有1:3水泥砂浆抹平,上口留有10 mm×10 mm凹槽,以便安装吸水盘。

5)螺杆自吸盘中的排水闸阀安装时，上、下立管应用胶带缠好,保证其严密不漏水。吸水盘与立杆焊接应为双面堆焊,焊脚有效高度hf应不小于5 mm,吸水盘下侧的立管进水口长度不小于80 mm。

6)岩石基坑防水卷材施工时,在遇吸水盘的立管根部时，应加设一层加强层,且防水层管根部上翻300 mm以上,末尾用卡箍卡牢[3]。

7)岩石基坑进行其他专业工序施工时,应注意保护好螺杆自吸泵降水系统设施,严禁碰撞或随意移动。

8)排水闸阀关闭前,应先切断电源,以防止自吸泵空载发热损坏电机。

7 安全与环保措施

为确保安全文明施工及满足环境保护要求,螺杆自吸盘制作、排水盲沟及集水井设置应按以下要求进行。

1)电焊及气割作业人员必须经过培训,持证上岗,电焊或气割作业前应办理动火申请[4]。

2)操作人员操作时,应戴防护眼镜和手套等防护用品。

3)焊机在工作前必须对电气设备、操作机构和冷却系统等进行检查,并用试电笔检查机体外壳有无漏电。

4)焊机应放在干燥的地方,机身要平稳牢固,周围不准放置易燃物品。

5)氧气瓶、乙炔瓶的阀、表均应齐全有效,紧固牢靠,不得松动、破损和漏气。氧气瓶及其附件、胶管和开闭阀门的扳手上不得沾染油脂。

6)乙炔胶管和氧气胶管不得错装。乙炔胶管为黑色,氧气胶管为红色。

7)氧气瓶应与其他易燃气瓶、油脂和其他易燃物品分开保存,也不得同车运输。

8)氧气瓶与乙炔瓶储存和使用时的距离不得小于5 m,氧气瓶、乙炔瓶与明火或割炬(焊炬)间距离不得小于10 m。

9)点燃焊(割)炬时,应先开乙炔阀点火,然后开氧气阀调整火焰,关闭时先关乙炔阀,后关闭氧气阀。

10)工作完毕后应关闭氧气瓶、乙炔瓶,拆下氧气表、乙炔表,拧上气瓶安全帽;并将胶管盘起、捆好挂在室内干燥的地方,减压阀和气压表应放在工具箱内;认真检查操作地点及周围,确定无起火危险后,方可离开。

11)尽量避免或减少施工过程中的光污染。夜间室外照明灯加设灯罩,透光方向集中在施工范围。

12)电焊作业采取遮挡措施,避免电焊弧光外泄。

13)为减少对工程周围居民的噪声污染,严禁在晚22:00至次日6:00施工。

14)使用低噪音、低振动的机具,采取隔音与隔振措施,避免或减少施工噪音和振动。

15)现场的施工垃圾应集中分类堆放并做到及时外运,保持施工环境整洁,避免对后续工作造成影响。

8 结语

ZGD型螺杆自吸泵降水施工技术通过该项目的应用,成功地解决了岩石基坑排水难和施工过程复杂的施工难题,为基础工程下道工序提供了一个干燥的施工作业环境,保证了基础施工质量[5],确保了基础施工工期。本工程基坑累计使用了ZGD型螺杆自吸泵降水系统设施12处,取得了一定的经济效益和社会效益。ZGD型螺杆自吸泵降水施工方法,技术可靠,施工操作方法简单,是一项经济适用的岩石基坑降水技术。该降水技术非常适合山区岩石地基的基坑降水与排水,在该领域值得应用与推广。