堡镇港北等四座水闸外移工程基坑降排水方案设计与优化

蔡超英 潘世洋

(1.上海市堤防泵闸建设运行中心，上海 200080;2.常州工学院土木建筑工程学院，江苏 常州 213032)

本文以上海市崇明岛堡镇港北等四座水闸外移工程为例，针对地下水位埋深浅、基坑开挖深度大的工况，对基坑降排水方法、优化分析和施工工艺进行了分析总结，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

崇明岛堡镇港北等四座水闸外移工程位于崇明北沿，堡镇港至八滧港区间主海塘及其外侧滩地上，地貌类型为潮坪地貌类型。场地内受河流冲积影响，地势稍有起伏。原始地貌为滩地及鱼虾池塘，有一座箱涵老闸通道，涵闸两侧为一条土方便道，便道宽约3.5m，绝对标高约6.0m，便道贯穿拟开挖基坑东西侧，位于基坑中部。

工程所处位置原滩面地面绝对标高约4.0m，水闸地基最低建基面标高-3.15m。基坑土方开挖工程量67632m3，基坑面积5940m2，基坑土方开挖面积13000m2，基坑边坡坡度1 ∶3，采用二级放坡。

2 地质条件与地下水分析

根据地质勘察资料，工程勘察范围(最深60.3m)内的地基土为第四纪全新世Q34～Q23的沉积层，主要由填土、粉性土、砂性土、淤泥质土及黏性土组成。根据地基土沉积年代、成因类型及物理力学性质差异，将场地沿线60.3m深度范围内土层划分为4个主要层次，其中①、②、⑤、⑦层分别根据各自的土层特性分为若干亚层。

工程拟建场地内地下水类型属第四纪松散层中孔隙潜水及承压水。浅层地下水属孔隙性潜水，主要赋存于①3-2层、②3层及②3夹层中，外侧临长江口，直接受江水补给，其水位变化主要受控于大气降水、江面蒸发及潮水等因素。地下水稳定水位埋深在0.20～1.7m 之间，相应标高为 2.72～4.83m。承压水分布于⑦层，层顶最浅处埋深34.0m，而本工程基坑最大开挖深度约7m，承压水对本工程开挖无影响。

本工程水闸基坑开挖对地下水天然动力平衡有一定影响。工程施工活动改变了原有天然状态下地下水及土体的动力平衡状态，导致在渗透力及静水压力的作用下，有流砂、管涌及基坑突涌等可能性。各土层及渗透系数分析汇总如表1。场地浅部以①3-2层及②3层及②3夹层为主，上述土层中②3层渗透性较强，在一定的渗透力及静水压力作用下，局部易产生渗水和流砂等现象，为维护边坡和基坑稳定，需采取降水、止水、隔水等有效措施。

3 降水方案设计与优化

3.1 降水方案设计

工程设计基坑降水方案拟采用轻型井点降水和管井降水，其中轻型井点7套，管井21口。轻型井点沿基坑二级平台间隔1.2m布置，管井在基坑底大体均匀分布。轻型井点及管井降水设计构造图及布置图1～图4所示。

图2 管井构造图 (未标注的长度单位为mm，标高单位为m)

图3 降排水平面布置图 (未标注的长度单位为mm，标高单位为m)

图4 降排水基坑剖面图 (未标注的长度单位为mm，标高单位为m)

3.2 随施工过程优化的降排水方案

在降排水施工过程中，需要根据实际情况对降排水方案，从效率和经济性等方面做调整与优化。设计基坑开挖边线东西两侧边线中部均向坑内凸出约5.2m，长度约77.2m，双轴搅拌桩机械移位的同时还要转向，经现场勘察并经设计单位同意后，将开挖边线外移调直，双轴搅拌桩沿开挖线顺直连接。调整后可减少桩机转向8次，减少双轴搅拌桩角点8个，提高了施工效率，同时降低了因桩机移位转向及双轴拐角连接对止水帷幕连接完整性的不良影响。

在降排水前期，根据设计方案设置了一组轻型井点，采用7.5kW真空泵，40根Ф48井管，降水效果很差，且耗电量大、不经济，实践表明轻型井点降水不适宜地下水稳定水位高的地质条件。为保证降水效果和工程进度，取消轻型井点降水措施，全部采用管井降水，并对管井数量和布置进行重新计算和优化，详细优化计算过程见3.3节和3.4节。优化后基坑平面图及剖面图如图5、图6所示。

图5 优化后实际开挖基坑平面图 (未标注的长度单位为mm，标高单位为m)

图6 基坑开挖剖面图 (未标注的长度单位为mm，标高单位为m)

3.3 降水参数设计

3.3.1 降排水原理

本工程位于长江口滩涂地，地下水位埋深较浅，稳定水位较高，含水量大，先沿基坑设置一圈双轴搅拌桩止水帷幕，延长外部地下水向基坑内渗入的渗径。基坑内设置管井降水，当管井内持续降水，地下水位形成水位曲线，低于基坑底标高时，可实现干地作业，同时基坑周边设置排水沟和集水井，对基坑内明水和管井抽出的地下水集中排走，具体降排水模型原理示意图如图7所示。

3.3.2 管井深度计算

a.基坑等效半径

(1)

式中，基坑底面积A=5940m2。

计算得r=43.5m，综合考虑取r=50m。

b.管井深度

HW=HW1+HW2+HW3+HW4+HW5+HW6

(2)

式中HW——降水井深度，m；

HW1——基坑深度，取7.2m；

HW2——降水水位距离基坑底要求的深度，取1m；

HW3——水力坡度作用基坑中心所需增加的深度，m。

由于基坑等效半径r=50m，按照降水井分布周围的水力坡度i为1/10～1/15，如降水井需影响到基坑中心，所需的降水管井深度HW3=r×i，为5～3.3m，取HW3=5.0m；

HW4——降水期间地下水位幅度变化。根据地质资料，HW4取3m；

HW5——降水井过滤器的工作长度，取3.0m；

HW6——沉砂管长度，取5.5m。

最终，HW=7.2+1+5+3+3+2.5=21.7(m)，取HW=22m。

c.含水层厚度

H=含水土层厚度之和=1.6+5.6+

2.0+8.5=17.7(m)

(3)

3.3.3 降水参数计算

降水管井采用直径400mm的无砂混凝土管。

a.加权平均渗透系数

k=∑kh/∑H=(1.6×3+5.6×300+2×2+

8.5×300)×10-6/17.7=2.4×10-4(cm/s)=

0.21(m/d)

b.降水影响半径

其中，S为基坑水位降深，S=7.2+1-0.2=8(m)。

c.涌水量

因为管井深度大于含水层厚度，管井穿透整个含水层，按照完整井基坑涌水量计算，计算公式如下：

(4)

其中，H=17.7m，S=8m，r=50m，R=30m，k=0.21m/d。

计算得Q总=308.05m3/d。

单个管井涌水量计算公式如下：

(5)

其中，r井为管井半径，r=0.04m。

计算得Q井=21.87m3/d。

3.4 管井布置及数量

根据地质条件及地下水分析，管井降水主要目的是保证基坑边坡的稳定，同时预防局部产生渗水和流砂，确保基坑土方顺利开挖。根据管井降水目的，管井布置和数量确定如下:

a.单个管井排水量小于等于单个管井涌水量，为保证整个基坑涌水量与排水量平衡，管井数量不少于：n=Q总/Q井=308.05/21.87=14.09(口)，取整为15口。

b.为保证基坑边坡的稳定，管井沿基坑周边布置，布置间距不得大于30m，基坑周长620m，管井数量不少于620/30=20.67口，取整为21口。

基坑平均长度88m，平均宽度68m，仅沿基坑周边设置管井基坑中间部位超出管井降水影响半径，在基坑中间顺水流方向设置不少于4口管井。

c.考虑常规水泵损坏时维修问题及降水不利影响因素，取1.25的富余系数，管井数量为(21+4)×1.25=31.25(口)，取整为32口。

实际施工过程中，综合考虑局部不利地质、土方开挖顺序、开挖深度、施工便道布置、拟建建筑物位置等因素影响，管井并不是严格等距均匀布置。

按照土方开挖的先后顺序布置管井，在基坑开挖后先施工的结构物位置尽量不设置管井，避免因结构施工而封井，减少管井的使用时间，避开结构物基础位置布置管井，可以尽可能的延长管井使用时间。遇到出水量大，水位降低效果不好的部位，可以适当加密管井布置。遇到开挖深度小，地质条件好的区域可以适当加大管井间距。闸室、空箱段最先开始结构施工，同时原始地表上有一条便道可作为土方运输便道，因此闸室、空箱段区域可以不布置管井。内河海漫段、内河护坦段、外河消力池段、外河海漫段至少布置1口管井，确保基坑无渗水或管涌。管井实际布置平面图如图8所示。

图8 管井实际布置平面图

4 降排水施工工艺

本工程降排水施工分为三个阶段，依次为：止水帷幕双轴搅拌桩施工阶段、管井成井及降排水阶段、封井阶段。

4.1 双轴搅拌桩施工

水闸基坑止水帷幕采用单排φ700@900双轴搅拌桩，桩长14m，共544根。根据试验方案，确定水泥掺量为13%。双轴搅拌桩的完成增大了外部地下水进入基坑的渗径，提高了管井降水效率。止水帷幕双轴搅拌桩施工工艺流程图如图9所示。

图9 止水帷幕双轴搅拌桩施工工艺流程图

4.2 管井成井及降排水施工

4.2.1 管井降水施工工艺流程

管井成井及降排水施工工艺流程为：井位放样→护筒埋设→钻孔→清孔→下井管→四周回填滤料→清除井内泥砂→安装潜水泵、排水管道→试抽水。

4.2.2 管井施工方法及技术措施

管井采用钻孔法成孔，然后埋设无砂混凝土管井。无砂混凝土管井内径40cm，壁厚5cm，管井顶高出地面50cm，从管井顶至地面下150cm为普通混凝土管，管井底部一节(1m长度)为有底无孔普通混凝土管，管井中间部分为无砂混凝土管。井管外包裹二层钢丝滤网，外侧填10cm厚2～4mm粒径粗黄砂滤料，井口1m处用黏土填实，防止地表水流入地下。

钻孔成孔过程中利用水泵抽水下钻头，边冲边旋转水枪头。成孔孔径700mm，成孔深度超过井底标高1.0m以上。成孔后进行清孔，合格后用细钢丝绳兜底，各段井管依次连接缓慢下沉。上下节井管用四根30mm宽竹条沿井管周围用10号铁丝绑扎连接牢固。接头处用200～300mm塑料薄膜扎紧，防止挤入泥砂淤塞井管。

每3m井管利用混凝土块保护层保持垂直，使井置于孔中心，放到孔底后，井侧滤料(粗砂)均匀连续填入，井底部位也填入滤料。井口高出地面0.5m以上，必要时孔口加盖，防止泥砂或杂物掉入井内。

4.2.3 分块开挖明沟排水

基坑边坡二级平台设置300×300排水明沟和间隔50m设置500×500集水井，排水明沟坡度0.02%。

对开挖区按照10m×20m的区格进行划分，测量放样后，挖机沿区格边线开挖1.5m×1m明沟。明沟开挖后通过集水井将明沟内逐渐增加的渗出水量泵至围堰以外，以降低基坑开挖区域浅层土体湿度，提高承载力。

4.3 管井封堵施工

随着水闸基础和结构施工，逐步对停止降水的管井进行封井。降水管井下部填砂土或砂砾，土或砂砾用水封密实，上部2m用C20混凝土填封，上口与垫层混凝土齐平。

5 降水效果与工程造价

5.1 管井水位监测

从止水帷幕双轴搅拌桩开始施工至闸室底板垫层浇筑期间实际降排水施工工期为106天。由于本工程各部位管井成孔及降排水时间间隔长，以本工程水闸闸室、空箱部位附近的1号管井、7号管井及13号管井降排水监测数据为例进行统计分析，到闸室底板垫层浇筑止，记录降水天数共计49天，各管井降水水位图如图10所示。

图10 管井降水水位图

图中各管井水位出现的突变点，主要是由于受现场施工环境影响，管井中水泵未能作业导致水位突然上升。根据各管井线性趋势，管井水位呈下降趋势，地下水位低于-5m。

5.2 降排水工程造价

本工程在原施工临时降排水措施基础上进行了优化，去掉了轻型井点降水，提高了降水效率，缩短了降排水施工工期，实际工程造价较原方案有较大幅度的下降。

6 结 语

针对典型工程，在地下水位埋深浅、基坑开挖深度大的工况下对基坑降排水方法、优化方案和施工工艺进行了分析总结，结论如下：

a.实践表明轻型井点降水不适宜地下水稳定水位高的地质条件。对于开挖深度大、地下水埋深浅、土层渗透系数较大的工程宜采用管井降水方案。在进行管井降排水设计时，根据地质条件、土层的渗透系数、开挖深度条件确定降水的深度、管井深度和计算涌水量。再根据工程特点，确定管井布置原则和数量，结合现场开挖顺序和运输便道合理布置管井位置和数量。

b.由于土层地质条件的复杂性，有关计算参数取值是否正确将影响井点系统涌水量计算结果的准确性。同时，在实际布置井点位置时，受到现场施工情况，地质条件等因素影响，井点很难完全按照理论计算设计布置。

c.降水实践中要实时搜集现场信息，以理论计算为基础，结合现场实际降水效果，优化降水方案，从而逐步提高降排水施工技术。文中案例通过调直开挖边线和取消轻型井点降水的优化措施提高了降水效率，缩短了降排水施工工期，降低了工程造价。