深基坑工程中管井降水方案的设计与施工

0.引言
一般而言，少粘性土地层渗透性能较好，针对这种地层中的深基坑工程施工，选择合适的降水方案很重要，因为经验表明，降水工程的成败直接影响了基坑工程是否能够顺利进行。
1.工程概况
拟建郑州市郑东新区CBD区2号公共地下停车场工程，场地位于郑州市东部郑东新区CBD商务中心区，众意西路与商务外环路交叉口东北角。框架结构，地下2层，基础埋深11.0m，柱网间距8.4m×8.4m，单柱荷载4500kN，基底平均压力100kPa。基坑平面布置与地下车库平面基本相同，长约101m，宽约93m，基坑周长380米，总土方量约13万m3。

图1.工程项目环境位置图

2.周边环境情况
本基坑工程四周均为主要市政道路，道路下埋设有给排水、雨水、污水、燃气、电力、通信等管线，线路众多，情况十分复杂。详见图1. 工程项目环境位置图。
3.场地工程地质条件
3.1地形地貌
勘察期间场地地形略有起伏，地表高程位于88.84-91.20之间，最大高差约2.4m。场地地貌单元属黄河冲击平原郑州东部泛滥平原区，地貌单一。
3.2地层岩性及厚度
根据野外静探和钻探揭示，场地勘探深度35m范围内除浅部杂填土外，约11.5m以浅为新近沉积，约11.5-35.0m为第四纪全新世沉积的地层。勘察深度内的土层按其不同的成因、时代及物理力学性质差异分为9个工程地质单元层，各层特征简述如下：
⑴杂填土（Q4ml）：层底埋深0.7-2.5m，层底高程87.45-89.20m，层厚0.7-2.5 m。
地层呈黄褐色，上部以杂填土为主，见砖块、砼块及灰渣等，充填粉土；下部为人工素填土，以粉土为主，密实程度不均匀，强度差异较大。
⑵粉土（Q4-3al）：地层呈褐黄色，稍湿，中密。层底埋深4.0-5.8m，层底高程84.15-85.87m，层厚2.6-4.5m。
⑶粉土（Q4-3al）：地层呈褐黄色，稍湿-湿，密实。层底埋深7.3-10.2m，层底高程79.50-82.57m，层厚3.0-4.9m。
⑷粉质黏土夹粉土（Q4-3al）：地层呈黄褐色、灰褐色，软塑-可塑。偶见小块姜石。夹粉土，湿，中密。层底埋深9.5-11.8m，层底高程77.93-80.40m，层厚1.1-3.0m。
⑸粉土（Q4-2al）：地层呈褐灰、灰黄色，湿，密实。局部砂感较强。层底埋深13.3-15.5m，层底高程74.40-76.50m，层厚2.0-4.8m。
⑹粉质黏土（Q4-2al）：地层呈灰色、灰黑色，软塑-可塑。偶见腐殖质。层底埋深14.4-16.5m，层底高程73.40-75.45m，厚1.0-2.0m。
⑺粉质黏土夹粉土（Q4-2al）：地层呈灰、灰黑色，软塑-可塑。局部夹粉土，湿，中密-密实。
层底埋深16.3-19.5m，层底高程70.30-73.50m，层厚1.5-5.0m。
⑻粉砂夹粉土（Q4-1al）：地层呈褐黄、灰黄色，饱和，中密-密实。夹粉土，灰黄色，湿，密实。层底埋深21.8-24.6m，层底高程65.03-68.10m，层厚3.5-7.0m。
⑼细砂（Q4-1al）：地层呈褐黄色，饱和，密实。在勘探深度35.0m范围内未揭穿。
4.水文地质条件
根据本场地地下水埋藏、分布特征及区域水文地质资料，本场地地下水类型可分为潜水及微承压水。约16.3-19.5m以浅粉土、粉质黏土层为第1大含水层，属潜水弱透水层；16.3-19.5m以深至约35.0m深度范围内的粉砂、细砂层为第2大含水层，属微承压水透水层。
潜水主要赋存于上部弱透水土层中，本场地勘察期间稳定地下水位埋深介于9.4-9.8mm（标高80.0m），据调查，水位年变幅1.0-2.0m。历史最高水位埋深1.0m（标高89.0m）。
微承压水主要赋存于第⑻层粉砂及及第⑼层细砂中，含水层顶板埋深16.3-19.5m、底板埋约35.0m，根据邻近场地抽水试验结果和本区区域水文地质资料，承压水静止水位埋深15.0m（标高75.0m）左右，承压水头5.0m左右。
因基坑开挖深度为12.9m，需降水。承压水水头较高，还需考虑是否会发生突涌破坏。
5.降水方案设计
本基坑工程四周均为主要市政道路，道路下埋设有给排水、雨水、污水、燃气、电力、通信等管线，这些管线对变形较为敏感，一旦出现过大变形，可能会渗漏或断裂，通信、电力线路会因此中断，不能使用，使 CBD地区的城市功能遭受破坏。现有道路两侧设有绿化隔离带，植物需经常灌溉，大量的灌溉用水会浸入基坑外部土体，使其含水量增加，土性变差，对基坑边坡稳定不利。如何进行降水，并使降水对周边环境的影响尽可能地减小，也是本工程的重点之一。
管井适用于疏干水量相对丰富的潜水、承压水、裂隙水。降水深度也较大，在本基坑工程中可以采用。拟在坑内设置管井进行降水，同时为了减轻地下水对坑壁的影响，尽快疏干基坑边坡的地下水，在坑外设置截水井，以截断坑外地下水向基坑内补给，保证基坑坑壁安全，减小降水对周边环境的影响，加快施工进度。截水井管井深度和构造做法同坑内降水井。管井的数量根据裘布依理论计算结果确定，管井深度为30m，进入第9层粉砂层中。考虑到本工程地下水分潜水和承压水两种类型，可分别计算潜水和承压水的涌水量，使其相加得出基坑的总涌水量，来进行基坑降水设计。
5.1难点分析与方案选择
1.技术难点分析
本场地地下水属第四系空隙潜水，主要赋存于粉土、细沙中。地下水主要由地表水、降水补给，在勘察期间水位埋深为7.8—10.4m，基坑开挖深度12.9m，需进行降水，水位降深要求达到基坑底板下0.5m～1.00m。
本场地潜水基坑开挖需降低地下水位至少4m。考虑到周围环境条件的影响，拟采用管井降水方案，多井浅降，基坑降水过程中，应对边坡及周围建筑物进行变形监测，做到信息化施工。
2.降水方案选择
本设计因水位降深不大，不设止水帷幕桩，采用管井开放式降水，但须控制降水速度和深度，以减少降水对周边环境的影响。
3.井数的确定
根据基坑水位降深和涌水量的估算，结合地区经验，降水井布置的间距一般宜为15～25m，按照本工程基坑的面积，坑内布置22口管井，竖向间距约23m，水平向间距约22m，能更好地完成降水任务。
由于基坑外侧场地受限，坑外截水井距基坑较近，为了有效地发挥截水井的作用，避免基坑坑壁受坑外地下水的影响，尽快疏干边坡地下水，坑外截水井的间距不能过大，我们拟将截水井在坑外按照间距22m设置，共设16眼。按此间距布置截水井，可避免坑外地下水向坑内大量渗流而导致出现管涌或流砂现象，可保证基坑侧壁的安全，截水井也能较短的时间内疏干边坡地下水，为锚索、土钉的施工提供条件，加快工程进度，同时还可以改善基坑边坡的土性，有利于减小基坑侧壁变形和地面沉降，保护基坑周边的道路、管线和建筑物。各井内配泵时，我们将按照地下水位监测情况配置泵量，以有效调整降水速度，进一步减少降水对周边环境的影响。
5.2降水井设计与施工
①基坑采用管井降水，坑内设计24眼管井，坑外设计16眼井(其中8眼井为水位观测兼用)，井深30m。
②基坑内局部有电梯井处局部挖深，水位降深值较大，布置管井时应合理分布，尽量兼顾，如果管井顾及不到，需在地坑周围另外增加轻型井点局部降水。
③基坑内布置4眼观察井，井深30m。
④基坑内观察井应急时也可做降水井使用。
5.2.1降水井成井工艺流程

图2 成井流程图

5.2.2管井成井参数及质量要求
1管井定位
测量人员根据降水井的设计位置测设实际井位，并参阅基础施工图纸，适当调整井位。井位偏差小于50mm。
2挖井口、安装护筒
根据测设的降水井的位置，采用人工开挖井口，井口直径为550mm。开挖深度为0.8m，安装高0.8m的钢护筒，护筒的安装位置必须准确。
3钻机成孔
采用机械钻机成孔，一径到底，井孔要求圆、直，垂直度＜1%。钻机就位必须准确，钻杆必须要垂直，钻机底座必须牢固。在钻至设计深度以后停钻。用清水置换井内泥水即洗井，并测定孔深，满足孔深要求之后，撤机。
4下井管
井管采用无砂混凝土滤水管，水位以下包缠尼龙网，缓缓下放，当井管与井口相差200mm时，接上节井管，接头处用尼龙网裹严，以免挤入泥砂淤塞井管，竖向用竹条和铁丝固定井管。为防止上下节错位，在下管前将井管以井方向立直。吊放井管要垂直，并保持在井孔中心，为防止雨污水、泥砂或异物落入井中，井管要高出地面不小于200mm，并加盖或捆绑防水雨布临时保护。
5填滤料
井管下部2米为沉渣段，其与孔壁之间用粘土封填；上部井管为滤管，滤管与孔壁之间用滤料填充，填砾料时，滤料沿井管外四周均匀填入，保持连续。要避免填料速度过快或不均造成滤管偏移及滤料在孔内架桥现象，洗井后滤料下沉及时补充滤料，要求实际填料量不小于95%理论计算量，填料至自然地面，经洗井之后，密实后及时填补滤料。降水井运行时，随水位下降，滤料会产生一定沉陷，及时采用粘土封闭。
6洗井
下管、填料完成后立即进行洗井。采用潜水泵反复进行抽洗，直至水清砂净。
7设置水泵
水泵规格为2.2kw潜水泵，扬程26m，流量10m3/h，在安装前，必须对水泵本身和控制系统做一次全面细致的检查，在地面试转3min～5min后，若无问题，方可进行安设。安装完毕应进行试抽水，满足要求方可转入正常工作。
8严格控制水位，定期观测，使水位平稳，缓慢下降，防止过快造成不均匀沉降，影响周边环境。
5.3水位观测井
观测井设置要求：基坑内设计4眼，坑外8眼，井深30m，井的其他设计参数与降水井相同；观测井周边要用砌砖围起来，封盖好，防止落入杂物堵塞。
观测要求：
①录初始水位，每天观测一次并记录数据。
②标尺要垂直放入孔中，读数时视线与标尺刻度垂直。
5.4注意事项
①超前设置观测井，及时观测水位变化情况是否影响土方开挖；
②水位观测，每天记录观测数据，观察排水井水量，含砂量大小，如有异常，及时反馈信息，加以调整；
③注意观察基坑边坡动态，及时反馈信息，修整方案，确保基础施工顺利进行。
④定期检修抽水设备，保障降水正常进行。
6.封井方案
基坑开挖至设计标高后，施工结构底板前，可先停掉基坑内部的一部分管井，并对地下水位进行监测，若在一段时间内地下水位没有明显变化，水位保持稳定，即可对基坑内部的这部分管井进行封停处理。
剩余管井在底板施工时进行妥当保护和处理，待底板施工后具备封井条件时进行封井，为保证地下水不通过井孔渗透，在底板中的井口部位设置止水钢板翼环，阻断地下水的渗透。具体封井措施如下：
封井要求：
①钢护筒周围做好放水工作。
②碎石要添满管井。
③钢板1和钢板2要焊接牢固且不漏水。
封井方法见下图：

图3.降水井封井方案图
参考文献
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