地铁深基坑降排水施工技术

摘要:结合某城市地铁1号线深基坑降水施工实例，全方位地介绍了降排水在施工中的应用及其工艺。

关键词:地铁车站；降排水；深基坑；施工技术；

一、工程概况

某地铁车站所在处楼房密集,以大型建筑为主。车站结构形式为上下两层的单柱双层双跨矩形钢混框架结构。车站中部南北两侧各15m采用盖挖顺作法施工,其余均为明挖法施工。明挖法施工部分设计为“人工挖孔桩+钢管内支撑”作为支撑体系。人工挖孔桩和基坑内施工时同步进行降水。

挖孔桩桩径为1200mm，只在车站两端盾构井端头采用1500mm直径,设计桩长为21m,桩中心间距2.0m。基坑总面积约7200m2, 挖深平均为16.5m。所以必须采取有效措施,使地下水位降低至22m以下,才能保证施工安全。各岩土层特征见表1。

土层名称 层厚(m)

(1)人工填土(Q4m1) 0.6-2

(2-1)软土(Q4al) 1.7

(2-2)粘土(Q4al) 4.5

(2-3)粉质黏土(Q4al) 2.9

(2-4)粉土(Q4al) 4.5

(2-5)粉、细沙(Q4al) 4.0

(2-6)中、粗砂(Q4al) 0.8

(2-7) 卵石土(Q4al) 8.4

(3-5)中粗砂(Q3fgl+al) 2.0

(3-7)卵石(Q3fgl+al) 10.8

表1岩土层特征分布情况

主要不良地质情况如下: (1)开挖深度范围内及基坑以下土层含水量高、渗透性强,内摩擦角小,含水后具有低强度、高灵敏度,自稳性差,基坑开挖时易产生侧向变形而导致开挖面失稳。(2)粉土及粉、细砂含水量较高,强度较低,属中等压缩性,中―高灵敏度。基坑开挖时,在地下水水头作用下易产生涌土、涌砂、开挖面不稳现象,对施工不利。(3)车站施工时进行大面积的降水,易导致周围地面及道路出现地面沉降。而道路两侧大部分为高层建筑, 风险较大。(4)场地22m 深度范围内分布的粉土及粉细砂、中砂,根据现场标准贯入试验,按国家标准进行液化判别为液化土层。

二、 降水方案设计

1．降水方法的拟定

在充分研究地质资料、认真分析其他工程降水试验失败原因的基础上,结合现场施工条件,并将电渗、喷射、轻型和管井等几种降水方式的效益分析合理性进行对比,同时考虑到降水方式对挖孔桩和基坑开挖的影响程度,决定采用大口径管井工法进行降水。因为一是大口径管井工法适用范围广,不仅适用于渗透性强的各类砂性土,而且也适用于淤泥质粘性土；二是适用降深范围大,一般为8―50m。

基本思路是将承压水降至开挖面以下,同时疏干潜水含水层。降水需达到的目的和要求:

(1)疏干基坑开挖范围内土层中的地下水及确保在基坑开挖时地下水位控制在开挖面以下2―3m,满足基坑无水开挖施工的要求。

(2)通过降水提高整个土壤层的土体强度,以提高土体水平抗力,减少基坑位移和周围地基沉降,便于机械施工。

(3)降低承压水头高度,确保基坑稳定开挖和结构施作。

2.井点布置形式

此工程基坑平面为长方形,南北长446.17m,东西宽18.5m,可采用两侧平行布置;根据降水层主要为基坑底部的承压含水层且降水较大的特点,宜采用基坑外部降水。优点是对以后各工序的施工影响小,结构完成后不用考虑封井问题。实际管井布置时,为了保证路面正常通车和施工工期不受影响,同时尽可能为主体结构施工完成后附属风道和出入口基坑开挖创造便利条件,布井时过风道和出入口处以及两端头盾构井处降水井距加密加深。

三、降水方案设计计算

1．基坑水力计算

由于此段基坑极大部分处于卵石土层,地下水丰富,水位较高,特别是上更新统(Q3 )砂卵石具有较强的渗透性。其水文地质模型如图1所示,其降水主要受潜水与承压水作用,经分析其潜水影响不大,故降水施工主要以承压水为含水层,而水量受大气降水及地表水补给为主。

图1水文地质模型

3.1.1基坑总涌水量Q总

式中: Q总--基坑涌水量(m3/d)；K--渗透系数取K=20m /d；S--设计水位降深(m),水位埋深平均按4.0m考虑，降水深22.0m, S=22-4=18m；H--潜水含水层厚度(m), H取平均值24；R--影响半径(m)；L--基坑长度(m)，L = 446.7；B--基坑宽度(m),B = 18.5。经计算Q总= 13897.5m3/d

3.1.2单井涌水量Q单

Q单= 120πrlK1 /3

式中: r--过滤器半径，取r=0.15m；l--过滤器有效长度，取l= 3.0m；K--渗透系数, K=20m/d；经计算Q单=460.25m3/d

3.1.3管井数量n

井点数量根据基坑总涌水量与单井涌水量进行试算确定。根据基坑总涌水量与单井涌水量确定初步布井数n为:

n=(Q总/Q单)+1=32

3.1.4降水井布置

(1)布井原则

本场地采用封闭式管井降水形式布井。所有井位均沿开挖基坑外缘的围护桩外1.5m左右布置。见图2井点布置平面图。施工时应先确定地下管线及建筑物基础的位置,对降水井井位作适当调整。

(2)井距计算

经计算,井距= 2L/n=27.9m≈28m＞18.5m

(3)井管渗透速度及井深确定

最大允许渗透速度: VC=60K 1/3 =162m/d；最小滤水井管长: C =q/2πr VC=3m；井点深度确定: A=地下水位+降深值(滤水管长度)+沉砂管长度+1=25m

图2井点布置平面图

(4)井管结构

井管为砼管,外径360mm,内径300mm,上部15m为实管,中部7m为条孔缠丝管,下部3m为沉砂管。

3.2基坑周围沉降控制及设计参数

由于井点埋设完成开始抽水时,井内水位开始下降,周围含水层的水不断流向滤管，经过一段时间,在井点周围形成漏斗状的弯曲水面,即所谓的“降水漏斗”。这个漏斗状水面需几天至几周才能稳定,漏斗范围内地下水位下降以后,必然造成地面固结沉降。

降水期间,降水面至原地下水位面之间的土层因排水固结,会在所增加的自重应力条件下产生较大沉降。因此通常降水引起的地面沉降即以这一部分沉降量为主,所以可采用以下简易方法估算降水所造成的沉降值:

S=P・H/E1 - 2

P=0.5Hγw /2

根据地勘资料, E1 - 2=19―24MPa,降水深度H=10m。

则P=0.5Hγw/2=25kPa

S=P・H/E1 - 2 =0.01―0.013m

即沉降量约1～1.3cm,该方案已考虑施工周围有邻近建筑物,故选用小排量深井水泵(功率2.2kW,扬程大于30m,流量20m3/h) ,不会对周边建筑产生影响。

4、管井施工技术要点

(1)成孔后,替浆是控制单井涌水量的关键。替浆后泥浆比重控制在1.03～1.05。防止泥浆过浓影响出水,也须防止泥浆过稀造成塌孔事故。

(2)在下管前探测孔深,当与井管长度不符时,要重新成孔。成孔后立即安装井管,防止暴露时间过长出现塌孔,管节逐节深入,使接头对正。下管时轻提慢放,并使井管居中；当上部孔壁缩径或孔底淤塞,应向孔内注水,缓慢放入,禁止上下提拉和强行冲击。

(3)管井下放完成后,及时向孔内投入滤料。滤料为4～6mm干净砂砾,滤料要一次连续完成,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。滤料从井底填到井口下1.5m左右,上部采用不含砂石的黏土封口。

(4)洗井采用活塞―水泵相结合的方法,间隔反复进行,直到满足洗井前后两次涌水量差值＜10%,水中含砂量＜1/20000的要求。出现井内涌砂现象时,立即报废此井。每井洗井完毕,及时作抽水试验。通过观察本井及钻成井的水位降深及本井的水量,了解降水效果。

(5)降水尽量用市电,并配备柴油发电机,保证24h不间断抽水。工地配备备用水泵,以便及时更换有故障的设备。

5、降水效果

(1)地下水位及桩孔开挖情况。自2010年1月6日挖孔桩实施开挖及至4月6日440根灌注桩完成,桩孔内基本没有遇到地下水。有少数桩遇水后2～3d降不下去,马上检查临近降水井水位和抽水泵,将抽水泵位置降低或更换稍大功率水泵,地下水位很快降到桩孔底部,基本没有影响到桩孔开挖。

(2)地下水位及基坑开挖情况。工程施工期间,虽遇数次大雨,但检测水位变幅较小,均控制在基底以下,未对施工及基坑造成任何影响。

6、结语

降水施工在深基坑明挖施工中占据主导地位,它控制着施工进度与基础工程的安全。合理的设计和一流的成井质量是降水成功的关键。通过大井法计算承压水作用下基坑涌水量是可行的,能准确地确定井深、井数和井距布置。合理的设计思路和布井模式又是降水成本控制的重要环节。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。