地铁深基坑降水施工技术探讨

摘要:本文结合某地铁车站深基坑降水的施工工艺特点，分析了深基坑降潜水和承压水水位对周边环境的影响因素,提出了相应的防范措施。

关键词:地铁;深基坑; 降水;潜水;承压水

1工程概况

某地铁车站全长180.5m,标准断面宽18.5m,车站设4个出入口,2座风道。围护结构采用¢1000mm@1200mm的混凝土钻孔桩,车站底板埋深约16.8m,采用明挖顺做法和坑外大直径管井降水施工方案,降水井在基坑外沿围护结构布置。

该地铁站从地面以下40m深度范围内的地基土为浑河冲洪积扇,地下含水层分两层:第1层水赋存于第四系全新统冲积、冲洪积(Q42al～Q41al-pl)中粗砂及砾砂层中,属第四系松散岩类孔隙潜水;第2层水赋存于第四系上更新冲洪积层(Q32al-pl～Q21al-pl )中粗砂及砾砂层中,属第四系松散岩类孔隙承压水。

2降水施工

2.1降水方案及设计原则

1)采用坑外大直径井管降水,降水井沿围护结构保证基坑在没有明水的条件下开挖土方和进行地铁结构施工。

2)及时降低基坑下部承压含水层的承压水水头,防止基坑底部突涌的发生,以确保施工时基坑底板的稳定。

3)降水过程应伴随主体结构施工过程的始终,待顶板覆土后方可停止降水。

2.2 排水量计算

该地铁站底板都在粘土隔水层上,通过受力计算,粘土层厚度不能够抵抗承压水压力,因此降水施工时需利用减压井对承压水层进行泄压。降水初期,按狭长集水廊道侧壁和坑底进水条件计算;降水后期,当水位降至设计水位时,按狭长集水廊道侧壁进水条件计算。

2.2.1上层潜水计算

1)初期上层潜水水量计算(采用全断面进水计算公式计算):

Q初期= 6KS[(a+b)S+ab]/R=50522m3/d(1)

2)后期上层潜水水量计算:

Q后期= 6K(a+b)S2/R=21269m3/d (2)

式中: K――渗透系数,104m3/d;a――车站长度,180.5m;b――车站宽,18.5m;S――基坑水位降深,12.2m;R――影响半径,869m。

2.2.2下层承压水水量计算:

Q井壁= 6KS2(a+b)/R=6424m3/d(3)

式中: K――渗透系数,95m3/d;S――基坑水位降深,5.52m;R――影响半径,538m。

2.2.3基坑总涌水量计算：初期: 50522m3/d；后期: 21269+6424=27693m3/d

2.3 降水井参数计算及布置

设计降水井间距6m,沿基坑围边布设,距围护桩内边缘3m,共64口,井径800mm,井深21m,单井出水量900m3/d, 排水量为64×900=57600m3/d>50522m3/d。采用抽水量为50m3/h、扬程25m的水泵抽水,每日抽水量为50×24×0.75 =900m3/d (水泵功率按0.75折算),满足降水施工需要。

减压井布置13口,井径800mm,井深32m,设计单井出水量900m3 /d,扬程35m。车站降水井平面布置如图1所示。

图1车站降水井平面布置

降水井、减压井结构及施工工艺成孔施工机械设备选用QJ150-1型反循环钻机,采用反循环钻进泥浆护壁的成孔工艺。

2.4降水井、减压井的结构组成

1)井壁管。降水井和减压井成孔孔径为800mm,井壁管均采用直径400mm的无砂水泥管。

2)滤水管。降水井与减压井均采用桥式滤水管,滤水管外均包一层100目尼龙网,滤水管与井壁管的直径相同。

3)沉淀管。沉淀管主要起过滤而不致因井内沉砂堵塞而影响进水的作用。沉淀管接在滤水管底部,直径与滤水管相同,长1m,管底口用铁板封死。

2.5 施工工艺

1)钻孔。降水井开孔孔径为800mm,一径到底。钻孔时保证垂直度,采用孔内自然造浆,钻进过程中泥浆浓度控制在1.1～1.15。

2)清孔换浆。钻孔至设计标高后,在提钻前将钻杆提至离孔底0.5m,进行冲孔清除孔内沉淀物,同时将孔内的泥浆浓度逐步调至1.1孔底沉淤

3)下井管。井管进场后,检查过滤器的缝隙和测量孔深,符合设计要求后开始下井管。下管时在滤水管上下两端各设一套直径小于孔径5cm的扶正器,以保证滤水管能居中,井管焊接要牢固、垂直,下到设计深度后,井口固定居中。

4)填砾料。井管下入后立即填入滤料,其规格为含水层筛分粒径的5～10倍,且最大粒径≤5cm,级配良好,无杂质泥土等。其中,降水井采用洁净的粗砂从井底向上至地表以下3m,在井管与孔壁之间的空隙均匀围填;减压井采用颗粒磨圆度较好的粗砂,从井底向上至滤水管顶部以上2～4m围填。

5)封孔。在降水井和减压井粗砂的围填面以上采用优质粘土围填至地表并夯实。

6)洗井。在提出钻杆前,利用井管内的钻杆接入空压机先进行空压机抽水,待井能出水后提出钻杆再利用活塞洗井,当活塞拉出的水基本不含泥砂后,再下泵抽水,直至水清不含砂为止。注意洗井在成孔8h内进行,以免时间过长,护壁泥皮逐渐老化,影响渗水效果。

2.6 降水运行

1)基坑土方开挖前20d开始降水,降水运行过程中,做好各井的水位观测工作,及时掌握承压含水层水头的变化情况。

2)在降低下部承压水头的降水运行过程中,当承压水头降至设计要求时,可适当调控减压井的抽水量,以减少因降水而引起的地面沉降。

3)主体结构底板混凝土浇筑完并达到相应强度后,底板与围护桩连成整体共同作用,其抗剪强度和抗弯强度经验算能够满足大于下伏承压水浮力的要求,可停止降承压水。

4)降水运行过程中对降水运行的记录及时分析整理,绘制各种必要的图表,以合理指导降水工作,提高降水运行的效果。

5)降水工作与开挖施工密切配合,根据开挖的顺序、进度等情况调整降水井的运行数量。

3施工中可能出现的问题及防范措施

3.1降水困难

在降水过程当中,降水后的水位满足不了到基底以下1m的要求,降水工作困难,产生这种现象的主要原因如下:①降水井的滤料质量不好、洗井不彻底,引起降水井工作不正常;②降水井的深度不够、井径太小或井间距过大,引起降水后水位达不到设计标高。解决方法如下。

1)滤料必须经过筛选,选取粒径合适的级配碎石,一般粒径≤50mm,所筛滤料碎石进行清洗,严格控制滤料回填的时间及高度;采用活塞往复洗井的方法,利用活塞往复运动产生的压力把孔内沉渣清出,然后再下泵抽水,抽水过程中注意观测,时刻注意井管出水量及排出水的情况,抽水直至达到水清砂净为止。

2)降水井钻孔完毕后由专人进行量测,确保井深满足要求;加大井径以增加接触面积,可以有效改善其透水性能;在地下水很丰富时减少井间距可较大提高降水效果。

3.2降水井水位与基坑水位相差很大

在降水过程中对水位的测量通常会出现降水井水位已降到很低,而基坑水位仍然较高,甚至开挖面仍然存在水流,产生这种现象的主要原因: ①降水井的水渗入量不能满足抽水水泵需要,造成水井抽空,引起水井水位下降;②在基坑附近有损坏的管道存在,其水流渗入基坑;③存在地下废弃建筑物并储存了水源。解决方法如下。

1)降水施工时首先采用较大功率的水泵抽水,一段时间后根据实际情况用较小功率的水泵替换,大泵向前移,循环利用,提高降水效果。

2)在施工前对基坑附近的管道进行详细调查,对破损的管道尤其是排水、给水管道进行修复,防止管道漏水渗入基坑。

3)对于地下废弃建筑,首先要查明建筑物的具置及水源补给情况,然后先切断其水源,再对建筑物的水进行清理。

3.3基坑周围出现地面沉陷

基坑周围地表出现沉陷,对周围建筑物、地下管线及路面等周边环境造成影响,其主要原因是:①减压井大量不间断抽取承压水,使承压水头大大降低,从而减小承压水层的孔隙水压力,土体被压缩固结下沉;②由于井管滤网和砂滤层结构不良,抽水时把土层中的粘土、粉土颗粒甚至细砂连同承压水一同抽出地面,而引

起地面沉陷;③由于基坑的土方开挖,引起地面沉陷。解决方法如下：

1)减压井持续大量抽取地下承压水,对基坑周围建筑物、地表和地下潜水水位等均会产生不利影响,在保证基坑底板稳定的前提下,严格控制抽取承压水的水位高度和抽水量,采取调整增开相邻部位的减压井的方式,最大限度减少因降承压水对周围环境的影响。

2)防范抽水时带走土层中的细颗粒,在降水时要随时注意抽出的地下水中是否有混浊现象,抽走的水中带走细颗粒不但会加大周围地面的沉降,还会使井管堵塞失效。为此,首先应根据土层的情况选用合适的滤网,同时重视埋设井管时的成孔和回填砂滤料的质量。优先采用泵吸反循环工艺,严格控制泥浆密度,确保井壁稳定,防止因抽取地下水带出地层细颗粒物质而造成地面沉陷,抽出的水含量控制为:粗砂1/5万、中砂1/2万、细砂1/1万。

3)围护结构、桩间喷射混凝土及钢支撑等严格按设计要求施工,严格监控量测制度。施工时一方面要保证基坑开挖施工的顺利进行,另一方面又要防范对周围环境的不利影响,采取相应措施,减少因基坑开挖而对周边环境造成影响。

3.4基坑边土出现坍塌

在降水和基坑开挖过程中,出现开挖面没有明水,而基坑边土扰动突然出现坍塌的现象,其主要原因是潜水含水层底板凹凸不平或存在局部粘性土夹层,在含水层底部会产生层间滞水,这部分水若处理不好将带出地层中大量的细粒物质,使基坑边土扰动而出现坍塌或地面沉降。若出现这种情况要放慢开挖速度,及时采取注浆堵水和插管引流措施,防止水流将基坑边土细粒物质带走而造成扰动。

4结 论

（1）软土地区、砂(粘)质粉土、粉质粘土及淤泥质粘土等土层中的深基坑施工中,采用大直径井点降水施工工艺,能确保降低并疏干深基坑中的地下水,在不断发展的地铁深基坑施工中将得到广泛的应用。

（2）降水井、减压井的布置应将根据具体情况进行设置。城市地铁车站基坑的周围环境往往很复杂,当井点离围护桩内边缘不能满足3m时,可调整至1.5m;当井点沿基坑不能封闭时,可延长1倍以上的基坑宽度;当减压井设在基坑有困难时,可将减压井布置在基坑内。同样可以达到降水和保证坑基底稳定的目的。

（3）降水抽出的地下水含泥量应符合规定,发现水质混浊时,应立即分析原因及时处理。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看