轻型井点降水在黄大铁路桥梁基坑开挖中的运用

李世胜

该文以中铁十六局建设黄大铁路时在中高水位粉砂型地层基坑开挖过程中所出现的特殊情况为例，对桥基开挖中采用真空轻型井点降水技术及方法进行了探讨。详细阐述了轻型井点降水系统的井点设计、布置技术及其应用与实现方法，用它所获得的优异的降水能力表明，在地下水位较高、降水深度较浅的粉砂型地层基坑施工时，有效地克服了过程中边坡土体塌陷的现象，满足了经济性、安全性和工期进度的要求。

一、工程概况

本工程处于第四系冲积海陆交互沉积层的滨海冲积平原，地表水较发育，地下水为第四系潜水，地下水位埋深0.3～2.5m，补给主要靠大气降水，地下水水质比较复杂，以矿化度较高的咸水为主。桥基设计为承台基础，并使用钻孔灌注桩，桥墩设计为圆端状的实体墩，桩的直径有1.0m、1.25m、1.50m三个形式，桩长在40～55m，共有承台232个，承台尺寸最大为9.6＊10.4m，基坑开挖深度在2.95～4.72m，墩身高度在5.5～13m。在承台施工过程中，因为受到地下水的干扰，基坑施工时不能实现直接开挖，所以需要通过对地下水进行降水来实现安全施工基坑的目的。

二、地下水处理方案的确定

该工程承台基坑原设计为采用钢筋混凝土套箱进行截水，但此地下水处理方法施工成本高昂，施工时间较长，加上过程中容易造成环境污染，使得成本控制变得更加困难，而轻型井点降水使用的设备少、管理简单、施工较快、成本较低，考虑到项目提质增效，提出了轻型井点降水的方式。环状轻型井点降水方式是根据基坑试掘成果和对周围地下土层的分析，结合其他工程施工实际，先将地下水降低至承台基坑底部0.5m以下，再按1∶0.3的坡度放坡进行地基开挖而制定的。这样降低了土层孔隙水压，也防止了地基土壤的液化，地下水降水标高也符合地基开挖时施工的条件，同时减少了基坑土方的开挖量。根据计算结果，该工程在开挖基础上采用一级井点降水。

三、轻型井点方案设计

1. 确定井点管的平面布置

由于基坑的平面形状和需要降水深度的差异，井点管的平面布置也各有不同。以该工程中淄东铁路立交特大桥30#墩基坑为例，其承台尺寸为6.3＊10.1＊3.5m，基坑挖深约为4.3m，地下水位埋深约0.5m。降水采用环状井点，管路布置在基坑坡脚外l.8m，施工后的基坑顶面尺寸为9.9＊13.7，井点管距坑边0.5m，坑底外侧预留0.5m的支模空间，按照10.9m×14.7m的平面尺寸将井点管布置一周。一级轻型井点系统可将总管和井点管的安装控制在同一个水准面上，可按非完整轻型井点管进行无压力状态下的设计与计算。

2. 确定井点管的埋设深度

确定井点管的埋设深度H时的计算公式如下：

3. 基坑地下涌水量计算

根底地质勘探情况本工程所处地区地下水为无压潜水，以30#墩基坑为例，承台底面距离地表4.3m，地下水位埋深0.5m，含水层比较厚，以无压非完整性井点计算实际涌水量：

其中Q为基坑总涌水量，k为渗透系数，查水文资料表可知粉砂型地层取最大值。H0为抽水作用深度，S为水位降低高度，R为井点抽水的影响半径，x0为环状井点的假定半径，r 为井点管的半径，l 为过滤管的长度，h0为降水后水位至不透水层的高度。

抽水影响深度H0的计算：水位降低值计算根据计算的结果查第2版《实用建筑施工手册》第879页的表格，可知系数是1.85

在假定基坑半径时，由于该坑长宽比为13.7/9.9=1.38＜5，所以可将其假定为一个x0半径的圆井来进行估算

由于h0要远大于r和l，故在计算中r和l能忽视，将各个数据代入涌水量计算公式得：

4. 确定井点管数量及间距

基坑的地下水总涌水量计算完成之后，再计算单根井点管的出水量来确定井点管的个数，然后根据井点管在基坑边缘的布置周长来计算井点管的埋设间距。

四、轻型井点降水的实施

1. 降水机具的选择

井点降水系统一般由井点管（下端为滤管）、连接管道、总集水管道、真空泵机组等装置组成。

井点管选用直径Φ48×3.5mm的钢管，按照计算结果，钢管长7m，其中井点管5.7m，滤管1.3m，滤管上用电钻开Φ15～18mm呈梅花形排列的渗水孔，其孔间距要求为30～40mm，孔隙比应超过20%。滤管外第1层采用30目尼龙细滤网，最外侧第2层采用10目尼龙粗滤网，管壁用铁丝与滤网螺旋状缠绕。为了避免泥沙进入管路，将滤管下部用圆木塞封堵。

连接管道使用Φ50 mm的透明塑胶软管，每井点配管一根，以便观察出水情况。埋设井点管的孔洞可用高压冲水管冲击砂层的方法成孔，高压冲水管的管径60mm，长度宜大于井点管1～1.5m。

集水总管道可使用Φ100mm的钢管，每节段2m，各节段间用三通异径接头连接，接头处设置胶垫，防止漏气。

采用一台总功率为7.5kw的PJ-80型的真空泵机组（由真空泵、离心式水泵、水气分离装置等组成）进行抽水。根据调查，每台泵的降水效率在该粉砂型地层中为15m³/h，根据计算总涌水量222.3m³/d=9.3m³/h，可满足降水需要，另准备同样一台备用。

2. 井点降水施工工艺流程

按照布置图对承台基坑开挖顶面放线，然后井点降水系统施工，每套井点降水设施均由真空泵机组一台，集水总管一根，井点管及其连接管组成。其工艺流程为：井点管位置定位→冲击土层成孔→埋井点管→灌中粗砂砾→将上部用黏土密封→集水总管安装→井点管与总管相连→真空泵机组装配→抽水试运转→系统启动工作→施工完毕停止工作→装置拆卸。井点系统平面布置如下：

图1 井点系统平面布置

3. 井点降水施工工艺实施

先按照平面布置图定位井点孔孔位，然后用Φ100mm的洛阳铲人工挖深约40cm，孔径200mm的圆孔，以便在冲击孔时回收余水和安装时灌砂使用。用直径60mm的高压镀锌钢管制成的水枪来完成冲孔，内部水压控制在0.25～0.5MPa，并通过左右上下摆动法冲击砂土，使成孔直径控制在100～150mm范围内。高压水枪下降到规定的深度后（井点管底以下约1～1.5m），将冲水管上提1m～2m，反复冲一遍，冲孔完成后取出冲孔水枪，并迅速将准备好的井点管插入冲击成的孔中，接着将中粗砂砾灌至地面以下1m位置，在地面以下1米范围内用黏土封住孔洞，所有井点孔的冲孔均按此方式依次完成，冲孔方向应垂直，口径上下一致，井点管宜放置在井孔中央，滤管不得嵌入泥沙中。

井点管的埋设完成后进行集水总管安装，总管的铺设应在井点管外侧50 cm的位置，总管与总管之间采用异径三通管连接，需保证安装气密性。采用透明塑胶管连接集水总管和井点水管，接头位置用密封胶封死，防止漏气。

管道设备接通完毕后，首先启动真空泵试运行，将管道内的空气抽空使其成为真空体系，这时地下水和土壤中的气体在真空吸力的影响下被抽进集水罐内，将气流经真空泵排出，使集水罐内有足够多的水，当观测到管道系统的真空值超过了550mm水银柱后，再启动离心式泵进行抽水，出水管上连接的橡胶管把抽出的水引至既有排水道排出。在使用轻型井点降水设备时，需要不间断地连续抽水，必须准备一台发电机来应对突然停电对井点管运行的影响。如停电现象发生，则将发电机启动来给设备供电，否则降水工作停止会造成地基涌水或边坡的坍塌。井点降水装置埋设见图2。

图2 井点降水装置埋设图

降水过程中，在承台中央位置用Φ100mm的洛阳铲挖探坑以判断降水是否达到了工程设计的高度。如降水达到预定深度即可进行承台开挖，开挖后按承台施工方案的要求进行承台的施工。承台模板拆除时降水不能停歇，降水井点继续工作直到承台基坑回填结束。

五、降水的质量控制

轻型井点降水特点是初始水量大且浑浊，然后水量变小、变清，针对井点降水从提出到设计实施成功的过程中，有几个质量控制要点，据此制定了实施对策。

当突然发生堵塞管，敲打、振动等都无法使之恢复正常工作时，切断井点管与总管的联系，用人工或水泵加以疏导，如仍无法恢复正常，则为了不影响井点系统的真空度，需将该处井点封闭，并在相邻位置加设新井点，以保证无堵塞管的现象发生。

井点管与总管中间接头管的密封性较差，有水气泄漏情况的，可用封口胶重新封闭中间接头，并使主管和井点管中间的软管成松弛状，以避免因水泵振动而再次把封口胶给震开。

如果出现连接管道断裂，应及时对其修复，视具体情况无法修复的，也可先将降水工作停止，更换毁坏了的连接管道，将时间保持在0.5h以内，以免地下水位再次升高造成边坡坍塌等问题。

在井点降水装置作业的全过程中，对井点的降水作业是否顺利，都派专人进行了观测，对降水装置进行了防护。管路运行有无渗漏或井点有无堵管等现象，是检查管理工作的重点，做到发现一起，及时维修处置一起，为开挖桥梁基坑创造更好的环境条件。井点设备工作时，做好基坑边坡的防护，观察基坑四周土体的稳定性，基坑四周不准堆放材料和机械设备等，坡顶设置截流槽，避免雨水进入基坑。

最后，通过实地水位监测的数据分析后得出：经过井点系统不间断的工作35h后已经达到了原设计地下水位降至基坑底以下0.5m的目的，过程中地下水位最大可降至基坑底以下0.9m，正常可维持在基坑底以下0.65m，完全满足基坑施工要求。

六、结语分析

通过对本工程232个承台基坑的降水实施，轻型井点降水在粉砂型地层中的降水效果尤其突出，实施的基坑边坡更加稳固，有效地处理了承台基坑降排水和施工过程中基坑涌流、边坡坍塌等问题，实现了预定目的，使我们认识问题、剖析问题、解决问题的水平又有了较大的提升。根据计算，每个承台混凝土套箱施工成本为2.15万元，而井点降水成本平均为0.8万元，和设计套箱法相比较，井点降水方法可使每个承台能够有效节约成本1.35万元，本工程232个承台共可节约成本313.2万元，而且每个承台都可节约工作2天，从而产生了良好的经济效果和社会效益，并能够指导在同类基础地层中其他工程的建设，有很高的应用价值。