管井降水在深基坑弱透水地层中的应用

【摘 要】结合西安地铁长延堡车站工程，详细介绍了在承压水层及弱透水地层中进行深基坑降水施工，重点阐述了该工程深基坑降水的措施和效果，今后在类似地层施工降水可以参考。

【关键词】管井降水；弱透水地层；深基坑

1、前言

深基坑降水一般是在基坑开挖前沿开挖基坑的四周或基坑内设置一定数量深于坑底的井点降水管或管井，以总管连接或直接与抽水设备连接从中抽水，使地下水位降落到基坑底面0.5 m～1.0 m以下，以便在无水干燥的条件下开挖土方和进行基础施工，既可避免大量涌水、冒泥、翻浆，还可以防止流砂现象的发生。同时由于土中水分排除后，动水压力减小或消除，从而能提高边坡稳定性。井点降水还可大大改善施工操作条件，提高工效，加快工程进度。因此，基坑降水非常重要，是深基坑施工成败的关键。

2、工程实例

长延堡站为西安地铁二号线一期工程终点站，车站位于陕西省科技馆东广场以及东、西长安南路形成的三角形绿地内。车站为南北走向，地铁五号线与二号线在此T型换乘，二号线在上，五号线在下，换乘节点部分同期施工。

长延堡车站设计里程为YCK20+ 94.985～YCK20+388.585，车站总长293.6m；标准段宽20.7m；埋深约为16.9～19.0 m；换乘节点埋深约24m；总建筑面积约15132.34m2。施工内容包括人工降水、地下围护、车站主体及防排水、车站附属及防排水、综合接地网及杂散电流施工。

3、水文地质条件

3.1地质情况

站区内地形南高北低，地面标高介于428.00—438.00m，高差达10m。该段线路地貌属黄土梁洼区的洼槽。

地层岩性由上至下：

a.杂填土（Q4ml）

主要由砖瓦碎石及粘性土组成，较密实。局部分布。

b.素填土（Q4ml）

主要由黏性土组成，含白灰渣及少量砖瓦碎块，蔬密不均。特别在电视塔东侧堆土区分布较广。

c.新黄土（Q3eol）

褐黄色，大孔、虫孔发育，见少量白色钙质条纹及蜗牛壳碎片，坚硬—可塑状态。具湿陷性。

d.古土壤（Q3el）

红褐色，具针状孔隙，含多量白色钙质条纹及结核，团粒结构，底部结核富集成30cm左右硬层。坚硬—可塑状态。具湿陷性。

e.老黄土（Q2eol）

褐黄色，虫孔发育，含少量钙质结核，见蜗牛壳碎片，可塑—流塑状态，以软塑状态为主。

f.古土壤（Q2el）

红褐色，具针状孔隙，含少量白色钙质条纹及结核，团料结构。坚硬—软塑状态，以可塑状态为主。中间夹薄层老黄土。

g.粉质黏土（Q2al）

灰黄色，含少量铁质条纹及结核，可塑状态。

h.粗砂（Q2al）

灰黄色，长石—石英质，级配不良，含少量圆砾。饱和，密实状态。

上述各层土，除粉质粘土局部存在粗砂透镜体夹层外，在该站区内均基本连续分布。

3.2水文情况

西安市城市快速轨道交通二号线及附近地下水主要赋存于第四系松散堆积层中，依据地下水的赋存条件和水力特征，分为潜水和承压水两类。与工程有关的地下水类型主要为潜水，局部地段分布有上层滞水。本车站无地表水系。

钻探资料表明，稳定水位埋深15.8m— 23.2m，相应标高409.91—414.89m。整体呈南高北低之势，水位年变幅1—2m。

3.3降水方案设计

3.3.1降水目的

在基坑开挖施工中，为了避免产生流砂、管涌，防止坑壁土体的坍塌，保证施工安全和减少基坑开挖对周围环境的影响，当基坑开挖深度内存在饱和软土层和含水层及下部承压水对基坑底板产生影响时，就需选择合适的降低地下水水位或水头的方法对基坑进行降水。降水作用有如下几点：

a.防止坡面和基底的渗水，保持坑底干燥，便于施工。

b.增加边坡和坡底的稳定性，防止边坡上或基底的土层颗粒流失。

c.减少土体含水量，有效提高土体物理力学性能指标。

d.提高土体固结程度，增加地基抗剪强度。

e.降低下部承压水头，减少承压水头对基坑底板的顶托力，防止基坑突涌。

根据长延堡站地勘报告及现场水位勘测，常水位标高：YDK20+094.985～YDK20 +200常水位标高409.91m，基底标高411.857m；YDK20+200～YDK20+388.585常水位标高415.0m，基底标高412.449m；换乘节点处常水位标高415.0m，基底标高405.857m。

本工程重点降水区域为换乘节点以南，使地下水头降到底板最深开挖面以下1.0m，要求降深为3m--10 m。达到基坑在无水条件下开挖土方和进行底板结构施工，同时确保基坑围护结构和周边建筑安全。

3.3.2降水方案选定

3.3.2.1常用降水方法和适用条件

基坑降水的方法很多，常用的降水方法和适用条件，详见表1。

表1 常用的降水方法和适用条件

适用范围

降水方法 适用地层 渗透系数（m/d） 降水深度（m）

集水明排 含薄层粉砂的粉质黏土，砂质粉土，粉细砂 〈0.5 〈5

轻型井点及多级轻型井点 同上 0.1～20 〈6，6～10

喷射井点 同上 0.1～20 8～20

电渗井点 黏土，淤泥质黏土，粉质黏土 〈0.1 根据选定的井点确定

管井（深井） 含薄层粉砂的粉质黏土，砂质黏土，各类砂土，砂砾，卵石 1.0～200 >10

砂（砾）渗井 含薄层粉砂的粉质黏土，砂质黏土，粉土，粉细砂 0.1～20 根据下卧导水层的性质确定

3.3.2.2降水方案比较及选定

根据地质土层情况及表1常用降水方法，并结合基坑周边环境影响，初步确定降水方法采用坑内管井（深井）降水和坑外管井（深井）降水。从经济上比较，管井施工成本高，运行日费用较大，运行周期长，但对于渗水量大、基坑挖深范围大、施工周期长的建筑物工程，管井降水又是其它施工降水方法所无法替代的。但坑内降水增加结构施工难度，无法保证结构和防水施工质量，结合本站实际情况，决定采取坑外管井降水，基坑开挖后，视降水效果采用坑内管井降水辅助措施。

3.3.3水文地质参数的选择

管井降水的施工设计与基坑大小、含水土层的渗透系数以及基坑的安全和降水深度有关。影响渗水量的关键是土的渗透系数。有条件时可通过现场抽水试验确定渗透系数，无条件可查阅资料取经验值。

在降水井施工前，我们在本标段基坑外侧施工了3口试验井，通过试验井我们测得常水位标高，并和勘察报告进行了对比，结果其水位与勘察报告相符。

根据现场抽水试验及当地经验取值，设计所需的渗透系数K=3m/d；含水层平均厚度H=15m；

3.4基坑涌水量及单口井涌水量计算

3.4.1影响半径计算：

采用库萨金公式

取H=15m（取区域含水层平均厚度）

K=3 m/d（综合取值）

3.4.2基坑涌水量估算：

Q=1478m3

Q------基坑涌水量（m3/d）；

K------渗透系数（m/d），取3m/d；

R------影响半径（m），取40.2m；

r0------井半径（m），取0.3m；

H------含水层厚度（m），取15m；

S------降深（m），取3m；

L------基坑长度（m），取200m；

B------基坑平均宽度（m），取20.7m。

3.4.3单井涌水量计算

=150m3/d

3.4.4井点数的确定

拟布井点个数=1500/150=10个，考虑到换乘节点处基坑深度达24m，水位降深要求大，故在该处加密布井6眼，本基坑按16个降水井点布置。

3.5降水井布置

根据地质详勘资料及我标段在基坑外侧做的试验井，本标段地下水存在落差，在YDK20+92.000～YDK20+200.000段常水位标高为409.91m；在YDK20+200.000～YDK20+385.600段常水位标高为415.0m。根据此数据我们对基坑的降水井做如下布置：

3.5.1车站北端（YDK20+92.000～YDK20+180.000）段因地下常水位标高低于基坑基底标高1.94m，故不对此段进行地下降水。

3.5.2车站从换乘节点往南至站尾需设降水井，布置形式为在围护桩外侧距围护桩中心2.5m，沿基坑方向每35m布置一口降水井，井深为35m，换乘处井深45m，井径Ф500，孔径Ф700。8号降水井作为观测井，随时观测电视塔处水位情况。

3.5.3根据降水情况，如需要可在基坑降水区域内临时加4-5眼观测井，同时也作为辅助降水井使用。

3.6补救措施

水文地质参数是随机变量，变异性大，不同测试方法会得到不同的测试值，且差异往往很大。因此，降水设计不可能与实际完全相同。为确保降水成功，考虑了相应的补救措施。

3.6.1根据降水情况，在基坑降水区域内临时加4-5眼观测井，管径及做法同基坑外降水井，在基坑外降水效果不好或降深达不到时将启动基坑内降水井。

3.6.2选择配备了不同出水能力（4 H12/h，6 m2/h，8 m /h，10 m2/h）的水泵；

上述措施的作用是在一旦出现降深达不到设计要求时，可采取更换大功率泵或下放泵体等措施，而不必临时增补新井点。

3.7 基坑沉降量预测

根据设计地下水位降落，按照砂层短期瞬时完成沉降的特点，计算基坑周边地面变形沉降约1.0 ClTI～1.5 cm。因为本场地有10 m厚的粘土层，此沉降量不会造成不良影响，相反降水可提高周边土体抗剪强度，故不必采取防范措施，只需加强监控量测。

3.8投入的设备及材料

表2 降水井、机械材料一览表

序号 设备名称 型号规格 数量 备注

1 锅锥钻 Ф700 2台

2 无砂管 Ф500 850m

3 潜水泵 3kw，扬程35m 30台

4 虑料 砾石5-10mm 60 m3

5 PVC管 40mm 620m

6 电缆线 6mm2 600m

3.9管井施工

成孔施工机械设备选用锅锥钻及其配套设备。孔径700mm，管径500mm；0.0m-14.0m为实管，14.0m--33.0m为过滤管，33.0m-35.0m为实管；换乘处0.0m-14.0m实管，14.0m—43.0m虑管，43.0m—45.0m为实管。井底及井外填入5mm-10mm的砾料为反滤层。成井工艺流程如下：

3.9.1测放井位：

根据明挖段深井井点平面布置图测放井位，当布设的井点受地面障碍物或施工条件的影响时，现场可作适当调整。

3.9.2安装钻机：

机台应安装稳固水平，大钩对准孔中心，大钩、转盘与孔的中心三点成一线。

3.9.3钻进成孔：

成孔孔径为700mm。施工时在水位线以上直接干钻，人工清理土方，到含水层后，加入适量清水，保证钻进时不塌孔。

3.9.4下井管：

管材进场后，应检查无纱管是否有损坏。下管前必须测量孔深，孔深符合设计要求后，开始下井管。用底托将井管托住，每节井管间用竹条及铁丝在空口绑扎，依次下放，直至井底。井口应高出地面0.5m，并覆盖。

3.9.5虑料：

井管下好后，填虑料。虑料为5mm— 10mm砾石，填至常水位标高以上2m，上面可用黄粘土回填至井口。

3.9.6安泵试抽：

井管安装完成后进行安泵试抽。注意水泵电缆与管道系统在抽水过程中不被损坏，现场要在这些设备上进行标识。抽水与排水系统安装完毕，即可开始试抽水。

3.9.7洗井

洗井的目的是破碎泥皮，洗出反滤料中的粘土颗粒及粉细砂碎屑，使出水清澈流畅。洗井应在成孔完成后立即进行。洗井应选择适应地层及井的结构的洗井方式。

3.9.8排水：

降水运行时应用管道将水排至场地四周的明渠内，通过排水渠将水排入场外市政管道中。

3.10降水运行

3.10.1试运行

3.10.1.1试运行之前，准确测定各井口和地面标高、静止水位，然后开始试运行，以检查抽水设备、抽水与排水系统能否满足降水要求。

3.10.1.2在降水井的成井施工阶段应边施工边抽水，即完成一口投入降水运行一口，在基坑开挖前，将基坑内地下水降到基坑底开挖面以下1.00m深。

3.10.2降水运行

3.10.2.1基坑内降水应在基坑开挖前进行，做到能在基坑开挖前降低基坑内的地下水位；

3.10.2.2降水运行期间，现场实行24小时值班制，值班人员应认真做好各项记录，做到准确齐全。

3.10.2.3降水运行过程中对降水运行的记录，应及时分析整理，并提交降水运行记录。

3.11降水运行的注意事项

3.11.1应做好基坑内的明排水准备工作，以防基坑开挖时遇降雨能及时将基坑内的积水抽干。

3.11.2降水运行阶段应经常检查泵的工作状态，一旦发现不正常应及时调换水泵。

3.11.3降水运行阶段应保证电源供给，如遇电网停电，有关单位须提前两个小时通知降水施工人员，以便及时采取措施，保证降水效果。

3.11.4配齐备用发电机，防止因电网停电而影响降水。

3.12效果与体会

3.12.1 效果分析

从正式降水开始8 h后，管井内水位降了4 m，低于基坑底2 mo1 d后，基坑边部水位降至13 m，水位高出基坑底4.5 m，随后进行试开挖成功，基坑开挖全面展开。4 d后，基坑中部水位降至10.5 m，高出坑底2 m，之后地下水位以0.2 m/d～0.1 m/d的速率下降。8 d后，基坑中部水位降至9.0 m，高出坑底0.5 m。12 d后，基坑中部水位降至8.3 m，低于坑底0.2 m，水位下降速率明显减小，渐变为0.1 m/d～0.03 m/d。随后基坑进行试开挖成功，盾构调头区底层土方开挖全面进行。

25 d后，基坑内水位均降至坑底以下0.2 m～0 5 m，并且一直稳定在这一范围。

4、体会

4.1 在地铁站深基坑弱透水地层中采用管井真空辅助降水是非常有效的，不仅达到了降水目的，保证了施工安全，同时减少了施工干扰，降低了底板施工难度。

4.2 降水井布置在坑外，相对坑内降水来说，对于基坑内施工干扰小一些，减少了施工成本，加快了施工进度。

4.3 水文地质参数应以现场正式抽水试验方法为准。含水层是不均质的，其参数是随机变量，变异性大。不同的测试方法会得到不同的数值，差异可能相当大，且相互间无确定的关系。因此，场地多孔抽水试验所得的参数是最可信赖的。

4.4 本工程采用基坑涌水量计算方法是可行的。在设计井点数量、井径、抽水设备等方面应予充分注意，留有较大的安全储备。

4.5 严格控制成井工艺质量，坚持实施单井验收条件，是保证降水成功的关键。

5、基坑降水优化设计及其展望

目前，基坑降水存在如下问题：

5.1对降水勘察不够重视，用工程勘察简单代替降水勘察，造成提供的水文地质参数和边界条件不准确。

5.2一些重要参数如渗透系数K、影响半径R、压力传导系数a等都是根据经验取值。

5.3对降水井的布局多数是依据相邻工地情况加上设计者的感性认识而确定的。

这些局限使一些设计者不能对地下水进行科学的定量分析，盲目性比较大，跟实际出入较大。为此，降水方案的优化设计问题是当前急需解决的问题。

建设部“建设与市政降水工程技术规范（JGJ/T111-98）”对降水工程设计的一般规定中指出：降水工程设计应进行多方案对比分析后选择最优降水方案，降水工程设计应重视工程环境问题，防止产生不良工程环境影响。

优化设计应实现以下几个目标：

1.合理选择降水方式和降水量，以满足降水设计要求；

2.合理选择降水井数量，以确保工程成本费用最低；

3.合理制定运行方案，使开挖期间以最少的抽水量保证基坑与环境最大限度的安全。

6、结束语

基坑降水工作直接影响工程的安全及工期，若降水井布置合理，井管、滤料选择正确，成井工艺适合地质条件，运行、管理措施得力，可以确保工程施工达到事半功倍的效果。

参考文献：

[1]铁道部第二工程局.铁路工程施工技术手册-隧道，中国铁道出版社，1998

[2]中国葛洲坝集团公司三峡工程施工指挥部.水利水电工程爆破施工技术规范，中国电力出版社，2002

[3]基坑降水手册，中国建筑工业出版社，2006.