淤泥质地层下地铁深基坑降水设计与施工

摘要：南京地铁某明挖区间深基坑，全长1500m，开挖深度12m，地下水降深15m。针对淤泥质地层下深基坑的施工，降水设计及施工根据不同的地质条件，分别采取不同的措施，力求达到最佳的综合效益，实践证明对类似的工程施工具有较好的参考价值。

关键词：地铁施工；淤泥质地层；地铁深基坑；降水设计

中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）11-0158-03

一、工程情况

（一）工程概况

南京地铁某明挖区间，全长1500m，基坑开挖深度12m左右，放坡1:1.25，分两层开挖，地面下5m处设2m宽平台；基坑上口开挖宽度42m，要求地下水降到基坑开挖底板下3m，即地下水降深15m。

基坑开挖分三段六个工作面同时进行，每个工作面上一次开挖12m，每60m一个施工段往前推移。本工程降水主要难点为②-2b4层饱水、流塑的淤泥质粉质黏土降水，本层在全段均有分布。

（二）水文地质条件

场地地貌属于长江漫滩项，地面高程6.0m左右，场地内主要为村庄、耕地、厂房，村庄住房、厂房均已推倒，地面上为砖块等。场地地下水水位接近地表，年变幅小于1.0m。由于承压含水层埋藏较深，且其上部隔水层比较稳定，本次降水不考虑。要降的含水层为上部潜水含水层，该层厚度在40m左右。根据钻探资料，分两段叙述潜水含水层岩性。

第一段（从奥体中心到CH4勘探孔，约500m长）：①-1人工杂填土：厚1m左右；①-2b4淤泥质填土：夹淤泥及少量砖块，为沟、塘填积物，局部分布；②-2b2-3粉质黏土：部分为黏土，分布不连续；②-2b4淤泥质粉质黏土：灰色、流塑，局部夹薄层粉土、粉砂，场地均有分布，层顶埋深0.8～8.1m，厚度在0.8～8.7m；②-3c3粉土：灰色，稍密，主要为粉土、粉砂与粉质黏土互层，厚度8m左右，顶板埋深7.1～8.9m；②-5d2-3粉砂，厚度10m左右，顶板埋深12～17.8m；②-6d1-2粉细砂，在14m以上，顶板埋深21.5～28m，底板埋深在35m以下；②-7b3粉质黏土，隔水层，顶板埋深38.4m。

第二段（从J5勘探孔到CH9勘探孔，约1000m长）：①-1人工杂填土：厚1m左右；①-2b4淤泥质填土：夹淤泥及少量砖块，为沟、塘填积物，局部分布；②-2b4淤泥质粉质黏土：灰色、流塑，局部夹薄层粉土、粉砂，场地均有分布，厚度在32.3～35.7m，顶板埋深1.3～2.6m，底板埋深在32～38m；②-6d1-2粉细砂，底板未揭穿。

二、降水设计

（一）模型的建立

据上述资料，将上述两段分别简化计算，把地层概化为均质、各向同性、无限隔水边界含水层。

第一段：将40m以上松散地层概化为潜水含水层，其下②-7b3层粉质黏土为不透水层，含水层厚度为40m；渗透系数为各层渗透系数加权平均值，K=10.0m/d，地下水水位在接近地表，基坑开挖范围500m×46m，为长条形基坑，开挖深度12m，地下水位须降到基础开挖底面下3m（降深15m）。

第二段：含水层为潜水含水层，厚度45m，渗透系数1.5m/d，地下水水位在接近地表，基坑开挖范围1000m×46m，为长条形基坑，开挖深度12m，地下水位须降到基础开挖底面下3m（降深15m）。

（二）计算基坑涌水量

根据《建筑与市政基坑降水规范》，采用潜水完整场稳定流公式计算。

第一段：

1．抽水影响半径：根据经验，抽水影响半径R=110m。

2．计算基坑涌水量：

Q=LK（H2+-H2+）/R=500×10×（402-32.52）/110=24715.9m3/d

第二段：

1．抽水影响半径：根据经验，抽水影响半径R=50m。

2．计算基坑涌水量：

Q=LK（H2+-H2+）/R=1000×2.0×（452-37.52）/50=24750.0m3/d

（三）布井方案

1．单井出水能力q：

q1=LD/α×24=8×500/70×24=1371m3/d；

q2=LD/α×24=4×500/100×24=480m3/d；

L――过滤器长度（m）；

D――过滤器外径（mm）；

α――与含水层厚度及渗透系数有关的经验数据。

2．干扰出水量：群井抽水单井干扰抽水量要远小于单井抽水能力，经验值小于单井出水能力的二分之一，即单井干扰抽水量小于180～450m3/d。

3．降水井的数量及井距。

第一段：n=1.2Q/q=1.2×24715.9/500= 59（口），即约需要59口井；

井距为nd=500×2/59=17（m）；

Q――基坑总涌水量（m3/d）；

q――单井干扰抽水量（m3/d）；

n――降水井数量（口）。

第二段：n=1.2Q/q=1.2×24750.0/180=165（口）；但是因有流塑状的淤泥质粉质粘土，其水难降，应把井沿开挖基坑两边布置，井距13m左右，故约需布置井数为：nd=1000×2/165=12（m）。

（四）降水井的深度

井深依据下式决定：

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

HW――降水井深度（m）；

HW1――基坑深度（取12m）；

HW2――降水水位距离基坑底要求的深度（取3m）；

HW3――ir0；i为水力坡度，在降水井分布范围内宜为1/10～1/15；r0为降水井分布范围的等效半径或降水井排间距的1/2（m），r0为46m，故HW3=2.30～1.5m，取2.0m；

HW4――降水期间的地下水水位变幅（m），取1米；

HW5――降水井过滤器工作长度（m），根据水井出水能力设计水井过滤器工作长度，取8m；

HW6――沉淀管长度（m），设计2m。

HW=12+3+2+1+8+2=28m。故井深不小于28m，在第一段井深30m，第二段井深为28m。

（五）降水井结构

降水井内径400mm，外径500mm，泥孔径800mm，井深28～30m；井管为混凝土管，其中花管为混凝土无砂管；滤料为直径0.15～2.5mm的沙砾混合滤料。

（六）基坑水位预测

基坑水位预测可用完整井稳定流公式进行计算：

S――基坑水位降深（m）；

H――潜水含水层厚度（m）；

R――影响半径（m）；

X――任意计算点到降水井排的距离（m）。

在基坑内选取1个特征点，即基坑中心点基坑降水井排距离为23m处。

三、降水施工

（一）管井潜水泵的选用

管井井点降水每一个管井单独用一台水泵进行抽水以降低地下水位。由于该工程降水深度较大，考虑到潜水泵安装简单、耗能少、效率高、成本低，故采用深井泵式潜水泵（QY-25，额定流量15m3/h，额定扬程25m，额定功率2.2kW）。因扬程25m>14.00+1.00=15.00m；流量15m3/h>20/24=0.9m3/h，因此要调节出水闸门，使之适应管井的出水量，如水泵抽水采用间隔抽水则更为经济合理。

（二）管井降水施工

1．井管构造。由深井井管和潜水泵组成，井管由滤水管、吸水管和沉砂管三部分组成，如图1所示：

（1）滤水管。滤水管的作用是在滤水过程中，含水层中的水通过该管滤网将土、砂颗粒过滤在外边，使清水流入管内。滤水管采用无砂混凝土管，内径为300mm，壁厚50mm，每节长3m，滤水管总长根据降水层的厚度控制在11～22m左右。外侧垫Ф6mm的圆钢并包土工布滤网及缠丝包裹。

（2）吸水管。吸水管连接滤水管，起挡土、贮水作用，采用与滤水管同直径实混凝土管制成。

（3）沉砂管。在降水过程中，沉砂管的作用是沉淀那些通过滤网的极少量的砂粒。采用与滤水管同直径实混凝土管，下端封底。

（4）水泵。水泵采用QY-25型潜水泵，并带吸水铸铁管，并配上一个控制井内水位的自动开关，每井一台，纵向每隔一定距离循环使用。并在井口安装阀门以便调节流量大小，阀门用夹板固定。

2．管井井点施工。管井井点施工工艺流程如图2所示：

（1）用钻机钻孔，泥浆护壁。孔口设护筒以防孔口塌方，并在一侧设排泥沟和泥浆坑。

（2）井管成孔前应清孔。开始下管前应进行探测孔深，当与井管长度不符时，应重新成孔。

（3）成孔后应立即安装井管，以防塌孔，安放管节逐节沉入，外绑长竹片导向，使接头对正。下管时应轻提慢放，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。

（4）管井下放完成后，及时投入填料，填料采用小砾石，填料要一次连续完成，用铁锹下料，以防分层不均匀和冲击井管，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。

（5）管井周围填完滤料后，安设水泵前先清洗滤井，采用压缩空气冲除沉渣，抽水系统安装完毕后起先试抽，一切满足要求后才能转入正常工作。

（三）明沟的设置

基坑排水采用明沟排水和集水井排水。明沟设置位置在如下三个位置：

1．在基坑两侧距基坑边线1500mm的距离处设置明沟，用来排泄地表大面积的积水，阻止地表水流向基坑内以及用来排泄井管里抽上来的地下水。

2．在基坑底部坡脚位设置排水明沟，用来排泄基坑边坡上流下来的雨水及坡面的积水，阻止水流向基底，破坏土体的结构。

3．基底横向截水明沟用来隔断主体结构工作面与开挖工作面，防止开挖时基坑渗水流向主体结构施工工作面以及排除工作用水和雨水。

集水井设置开挖基坑的两侧的排水明沟旁边，并与排水明沟相接，使地下水及明沟内明水汇集于集水井内用水泵排走。集水一般每隔30～50m左右设一个，一般比排水明沟低1m左右。

（四）降水施工管理

1．设专人负责降水工作，井点使用时，基坑周围井点应对称、同时抽水，使水位差控制在要求限度内。认真做好地层记录，确保地层记录的准确。

2．井点供电系统应采用双线路，防止中途停电或发生其他故障，影响排水，所以配2套备用抽水系统设备及材料，并配备专用电源。

3．加强降水设备维护，出现故障迅速排除，所需维修时间较长时，及时更换备用设备，水泵在运行时应经常观测水位变化情况，检查电缆线是否和蟛壁相碰，以防磨损后水沿电缆芯掺入电动机内，同时还须定期检查密封的可靠性，以保证正常运转。

4．严格控制水井抽水含砂量，对于出水量达不到规范要求的水井要及时处理。

5．对每个井点的流量、设备运转等进行监测，根据水位、水量变化及施工情况及时采取调整措施。

6．降水应与开挖施工密切配合，根据开挖的顺序、进度等情况及时调整降水井的运行数量。

7．管井水由水泵抽出排到基坑两侧的排水沟，做好基坑内的明排水准备工作，以防基坑开挖时遇大雨能及时将基坑内的积水抽干。

四、结语

通过对地处南京河西地区，河漫滩相地层的南京地铁明挖区间基坑的施工，施工降水是个很值得探讨的课题，其成功的降水经验在类似的地质情况下，类似的工程施工中有许多值得借鉴的东西，许多经验数据不但可以直接用来参考，而且其经验性的计算方式对相关的降水设计及施工有着重要的参考价值。总结有以下几点：

1．降水设计及施工应按照施工的要求、根据不同的地质条件，分别采取不同的措施，力求达到最佳的综合效益。

2．现场的抽水试验对整个降水工程具有指导性的作用，所以正式开始降水之前，最好进行现场抽水试验，取得实际渗透系数、影响半径、最佳滤料级配等重要数据。

3．类似工程降水设计时，以下两种降水方式应充分考虑：真空管井和无砂混凝土管井。

4．南京河西地区松散层渗透系数取值上部土层渗透系数为0.1～0.3m/d，承压含水层综合渗透系数为12.0～15.0m/d。

5．在今后的降水施工中，要有高素质的施工队伍，严格的质量控制。

参考文献

[1]建筑与市政降水工程技术规范（JGJ/T111-98）[S]．

[2]龚晓南．深基坑工程设计施工手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，1998.

[3]张永波，孙新忠．基坑降水工程[M]．北京：地震出版社，2000.

作者简介：张梅（1970－），中铁十三局集团第二工程有限公司中级工程师，研究方向：地下工程及隧道。