長大深基坑降水設計與施工技術

李艷麗

摘 要 本文以西安地鐵三號線國際港務區(qū)車輛段出入段線基坑降水設計為例，詳細介紹了長大深基坑降水設計及施工要點，尤其是在此種類型深基坑降水設計中，進行降水經(jīng)驗公式選擇及降水段落劃分，以期對今后類似地下工程的施工具有一定的參考價值。

關鍵詞 長大深基坑 基坑降水 砂層 滲透系數(shù)

一、工程概況

1.設計概況。其中國際港務區(qū)車輛段出入段線及三號線延長線其區(qū)間總長為1 064.227 m；三號線正線延長線長度為725.401 m，其中部分正線和出入線重合。本標段場地位于灞河以東約2.5 km，渭河以南約4 km的沖積平原上，地貌單元屬渭河Ⅰ級階地，地勢較平坦，地形起伏不大，地面高程介于367.04 m～370.56 m，相對高差不超過3.6 m。

出入段線及三號線延長線區(qū)間為地下一層結構，覆土厚度1.1 m～10 m，為單跨、雙跨及四跨結構，區(qū)間北段為敞口段。結構沿線場地開闊，施工條件較好，地質條件相對較差，基地以下多為中、粗砂，采用明挖順筑法施工，圍護結構采用排樁+內支撐、放坡開挖相結合。

此降水工程起始于三號線右線延伸線起始歷程左線YDK50+119.5，結束于RCK0+753，降水段落基坑長836.67 m，基坑寬10.7 m～53 m，基坑最大開挖深度為17.2 m，屬于長大深基坑。

2.工程地質及水文地質情況。本標段出入段線鉆探深度內地層自上至下為：人工填土、黃土狀土、細砂、中砂、粗砂；上更新統(tǒng)沖積粉質黏土，細砂、中砂、粗砂層，場地地層自上而下劃分為9層。

地下水屬潛水類型，埋深9.85 m～10.11 m，相對高程358.59 m～359.49 m。水位年變幅0.5 m～2 m。地下水補給主要來自大氣降水、側向徑流及農(nóng)田灌溉等，地下土的腐蝕性評價排泄方式主要為徑流排泄、人工開采、潛水越流排泄等。地下水徑流方向與區(qū)域總體地形趨勢一致。地下水主要賦予砂層中。該層水屬孔隙潛水，具可研階段勘察資料含水層厚度30 m～40 m。巖土工程勘察報告經(jīng)過試驗和分析，綜合滲透系數(shù)建議值為45 m/d。結合我單位在西安地區(qū)施工降水設計和施工的經(jīng)驗，此工程降水設計綜合滲透系數(shù)值為37 m/d。

3.工程特點。（1）技術要求。國際港務區(qū)車輛段出入段線主要地層為全新統(tǒng)地層。主要有雜填土、黃土狀土、粉質黏土、細砂、中砂、粗砂。其地下水位埋藏較淺，水量豐富，降水強度大，因此施工技術要求較高。

（2）工程延續(xù)性強。降水工程需配合國際港務區(qū)車輛段出入段線施工結束，不能因故停止或間斷降排水，從基坑開挖前15天開始降水至完成結構回填周期初步估計近18個月。

（3）降水施工難度大。由于施工的里程較長，結構最大埋深17.2 m，降水范圍廣，降水深度大，工程量大。且施工前內部需協(xié)調場地位置、時間安排、用水用電等，外部需與有關部門、村鎮(zhèn)等協(xié)調，需用設備及人員較多，協(xié)調配合、管理難度大。

二、降水的設計

根據(jù)地下埋藏條件并結合此工程主體基礎形式，采用管井井點降水措施。布井方式采用平行于基坑圍護樁沿線路方向布置，采取在基坑內和基坑外同時布井的方案。

1.基坑降水計算。詳見表1。

（1）基坑工程條件。

①基坑全長b： 836.67 m、降水寬度a： 14.3 m～57.53 m；

②地下水埋深：9.7 m～10.3 m。

布井方式采用平行于基坑圍護樁沿線路方向布置，采取在基坑內和基坑外同時布井的方案，以基坑外降水為主，基坑內根據(jù)需要布設觀測井。

（2）基坑降水計算。第一，基坑降水計算基本參數(shù)。

①基坑全長b： 836.67m、寬度a： 11.5 m～22.6 m；

②地下水埋深：9.7 m～10.3 m。

分區(qū)段：原則上根據(jù)基坑寬度及降水深度分段。

分段1：起止里程DK50+119.599-DK50+1 202.816，

L=83.22 m，B=11.5 m

1）基坑中心降水深度S1：

S1=基坑深-地下水深+1.5=11.0-10.3+1.5=2.2 m

2）降水井水位降深：

S=S1+水力坡度=2.2+1.43=3.63 m

3）含水層滲透系數(shù)K-依據(jù)地勘報告建議和當?shù)亟?jīng)驗值取37 m/d

4）降水井深度：

Z0= 基坑深+S+水泵調節(jié)深度+沉砂管長度

=11+3.63+3.5+5=23.13 m取24 m

5）含水層深度：H=井深-地下水深=24-10.3=13.7 m

6）基坑等效半徑：r0=A/=0.29（83.22+11.5）m=27.47 m

7）降水井外徑：rω=d0/2= 0.25 m

8）降水影響半徑：R=2S（HK）1/2=2×3.63×（13.7×37）1/2=163.45 m

9）井點系統(tǒng)影響半徑：R0=r0+R=27.47+163.45=190.92 m

第二，基坑降水計算。①基坑涌水量計算。

1）計算公式：（用地鐵工程勘察規(guī)范條形基坑計算公式）

Q=LK（2H-S）S÷R0+

=83.22×37（2×13.7-3.63）×3.63÷163.45+1.366×37×（2×13.7-3.63）×3.63÷〔log190.92-log11.5÷2）〕

=4 460.56 m3/d

其中：Q──基坑涌水量；

k──滲透系數(shù)， 37.00 m/d；

H──潛水含水層厚度， 13.7 m；

S──降水井水位降深， 3.63 m；

R0──井點降水系統(tǒng)影響半徑，190.92 m；

B──基坑寬度，11.5 m；

L──基坑長度， 83.22 m。

2）計算結果：基坑涌水量 Q=4 492.68 m3/d

②降水井數(shù)量計算。

1）基坑類型：基坑屬于均質含水層澘水完整井基坑，且基坑遠離邊界。

2）單井出水量計算q：

q= = =342.87 m3

其中：l‘——濾管水浸段長度=2 m

d——濾管外徑 =500 mm

a——與含水層滲透有關的經(jīng)驗系數(shù)，取50

根據(jù)本地區(qū)經(jīng)驗及水泵出水能力（20 m3/h），單井出水量按照400 m3/d考慮。

3）降水井數(shù)量計算結果：n=Q÷q×1.1=12.35（取12口井）

③基坑中心點水位降深計算。

1）基坑類型： 基坑條形基坑，且屬于澘水完整井穩(wěn)定流。

2）計算公式：S1=H-〔H2-n×q÷1.366×K×log（R0÷r0）〕1/2

=13.7-〔13.72-12×400÷（1.366×37×log（190.92÷27.47））〕1/2

=5.02 m

其中 r0── 基坑的等效半徑。r0=27.47 m；

H──澘水含水層厚度，H=13.7 m；

k──滲透系數(shù)，k=37.00；

R0──井點降水系統(tǒng)影響半徑，R0=190.92 m；

Q──基坑涌水量，Q=4 492.68 m3/d；

n──降水井的數(shù)量，n=10；

q──單井出水量，Q=400 m3/d。

3）計算結果：基坑中心點水位降深 S=7.1m

4）基坑中心點水位降深驗算

S=7.1 m>2.23 m，其他各段計算詳見表1。

④排水管管徑計算。將降水全部里程分為八段分別進行計算，各段涌水詳見后附表，均采用在基坑兩側鋪設排水管道兩側排水分方案。

1）第一段基坑每秒涌水量Q÷24÷3 600×1 000=51.63（L/S）。每路排水管涌水量：Q1=Q÷4=51.63÷4=12.91（L/S），沿基坑外側各分兩路排水管排水。同理計算：第二段基坑每路排水管涌水量：Q1=12.57（L/S）；第三段基坑每路排水管涌水量：Q1=16.81（L/S）； 第四段基坑每路排水管涌水量：Q1=45.95（L/S）；第五段基坑每路排水管涌水量：Q1=19.28（L/S）； 第六段基坑每路排水管涌水量：Q1=27.24（L/S）；第七段基坑每路排水管涌水量：Q1=15.72（L/S）；第八段基坑每路排水管涌水量：Q1=15.56（L/S）。

2）每路排水管管徑計算。第一段基坑每路排水管管徑。

D={（4Q1/π×V）×1 000}1/2={（4×12.57/3.14×2）×1 000}1/2 =90.65 mm

排水管管徑（：D ≥90.65÷0.9=100.72 mm（采用PVC管）；V（流量）：金屬管取4 m/s，陶瓷管、PVC管取2 m/s。同理計算：第二段基坑每路排水管管經(jīng)：D ≥99.39 mm；第三段基坑每路排水管管經(jīng)：D ≥114.95 mm；第四段基坑每路排水管管經(jīng)：D ≥190.04 m；第五段基坑每路排水管管經(jīng)：D ≥123.11 mm；第六段基坑每路排水管管經(jīng)：D ≥146.31 mm；第七段基坑每路排水管管經(jīng)：D ≥111.17 mm；第八段基坑每路排水管管經(jīng)：D ≥110.92 mm。

三、降水井結構設計與平面布設

1.降水井結構。根據(jù)該區(qū)地質特性和我單位在該地區(qū)的降水施工經(jīng)驗，降水井施工面放在自然地面標高。設計井深在25 m～39 m之間，降水井間距12 m～14 m?？紤]到地面施工設備和周邊臨時設施等因素的影響，井位可適當調整。基坑外布置123口降水井；降水井距基坑邊1.0 m～1.8 m布置；基坑內在基坑中心線上布置，避開結構隔墻和變形縫。降水井裸孔直徑700 mm，井管選用Φ500 mm無砂砼濾水管，濾層選用級配礫石。砼井管接縫處采用兩層寬度30 cm的塑料編織布纏繞，并用14#鐵絲綁扎4道，以防漏砂。濾管連接采用四條4 cm寬竹條、在接口上下20 cm出纏繞2道，并綁牢。井口在連續(xù)降水一周后，井側濾料不再下沉時，用C10砼作降水檢查井基礎，上覆預制蓋板封閉。見圖1.

2.排水管的布設。由于施工現(xiàn)場條件的限制，降水井內的潛水泵排水軟管排入沉砂池；沉砂池與檢查井之間埋設PVC排水管；基坑兩側各分兩路排入就近排入基坑外的排水管道中。由于線路較長采取分段降水的措施，每段分段長度為300 m，具體做法詳見圖2。

圖2 基坑降水系統(tǒng)詳圖

四、降水施工與降水運行管理

1.管井施工。施工準備有。（1）提前做好施工場地圍閉、排水設施的建設和排水線路的選擇。（2）調查場地周圍排水設施分布狀況，布置排水管線和供電線路。（3）組織施工人員進行安全、技術交底，并詳細制定施工中各種材料計劃和供應計劃。

2.施工方法。（1）測放井位，根據(jù)降水井點平面布置圖測放井位，核準各種設施位置予以避讓，在施放好的井位上人工挖探井直至見原狀土，經(jīng)開挖探井在確認無地下管線及地下構筑物后下入護筒護筒外側填黏土封隔好表層雜填土層，以防止鉆井施工用水大量漏失及塌孔。

（2）挖（圍）泥漿池，根據(jù)場地條件在距降水井3 m左右處挖（圍）泥漿池，在拆遷場地可“挖”可“圍”，一般每2口井共用一個泥漿池。

（3）鑿井，為確保降水效果和成井質量，減小洗井難度，所有管井采用反循環(huán)鉆機成孔，嚴禁泥漿鉆進，保證清水成孔，并且成孔后必須及時、認真置換泥漿，井徑、孔深不小于于設計值，井身應保持圓正垂直。

（4）下管，井管采用無砂砼濾水管，在預制混凝土管靴上放置井管，同時水位以下砼井管接縫處采用兩層寬度30 cm的塑料編織布纏繞，并用14#鐵絲綁扎4道，以防漏砂。緩緩下放，每節(jié)管身采用全管包裹一層尼龍紗網(wǎng)（60目/m2），當管口與井口相差200 mm時，接上節(jié)井管，接頭處用豎向用4條40 mm寬、長2 m～3 m的竹條用3道鉛絲固定井管。為防止上下節(jié)錯位，在下管前將井管依井方向立直。吊放井管要垂直，并保持在井孔中心，為防止雨污水、泥砂或異物落入井中，井管要高出地面不小于200 mm，并加蓋或捆綁防水雨布臨時保護。

（5）填礫料，井管下入后立即填入礫料，礫料應保持連續(xù)沿井管外四周均勻填入。填礫料時，應隨填隨測礫料填入高度，當填入量與理論計算量不一致時，及時查找原因。不得用裝載機或手推車直接填料，應用鐵鍬填料，以防不均勻或沖擊井壁，如遇蓬堵可用水沖。填礫完成后在洗井過程中，如礫料下沉量過大，應補填至井口下1 m處，1 m以上部分在洗井完成后襯砌人井時處理，礫料為φ3-7 mm的天然園礫。

（6）洗井，用空壓機由上而下分段洗井，重點在上段潛水層的中、下部，直至上下含水層串通（形成混合水位）且水清砂凈；洗井裝備要用同心式或并列式的鋼管洗井，禁止使用軟管洗井；洗井過程中應觀測水位及出水量變化情況。

（7）水泵安裝，潛水泵及泵管安裝吊放，置于距井底以上2.0 m～3.5 m處。安裝并接通電源，做到單井單控電路，并檢查水位繼電制動抽水裝置和漏電保護系統(tǒng)。

（8）抽降，聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一抽降后應連續(xù)抽水，不應中途間斷，需要維修更換水泵時，應逐一進行。開始抽降時要間隔的逐一啟動水泵，抽水開始后，應逐一檢查排水管道是否暢通，有無滲漏現(xiàn)象，如接頭處或排水管滲漏應返工或維修。測量單井出水量、出水含砂量，當含砂量過大，可將水泵上提，如含砂量仍然較大，應重新洗井。

排水管鋪設。排水方向設置1～2‰的坡度，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用明設布置。排水方式由井內泵管排入沉砂池后排入既有或者新建的管網(wǎng)。

2.降水過程中的維護。（1）降水運行前應做好降水供電系統(tǒng)，配備獨立電源線，并備有雙電源，當發(fā)生停電時，應及時更換電源，最好設置有自動切換裝置，以縮短因斷電而停止抽水的時間間隔，備用發(fā)電機保持良好，要隨時處于準備發(fā)動狀態(tài)。

（2）定時巡視降排水系統(tǒng)的運行情況，及時發(fā)現(xiàn)和處理系統(tǒng)運行的故障和隱患，如水泵抽水出水情況，是否需要檢修換泵；供電線路是否正常；排放水的含砂情況及排水聯(lián)絡管道是否暢通；掌握水泵安全合理的下入深度，以防埋泵。

（3）注意對井口的防護、檢查，防止雜物、行人掉入井內，隨時到土建結構施工的工作面，了解開挖遇到的水情，發(fā)現(xiàn)基坑出水、涌砂，應立即查明原因及時處理。

（4）按設計要求建立地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，選定降水井總數(shù)的10%作為觀測井降水井，抽水開始后，水位未達到設計降深之前（一般為前15天），每天觀測1次水位、水量；當水位達到設計降深后，每5天觀測1次。對監(jiān)測記錄應及時整理，繪制Q～t與s～t的過程曲線，分析水位下降趨勢，并根據(jù)水位變化情況調整開泵地段和開泵數(shù)量，在保證基坑無水狀態(tài)作業(yè)的同時，減少地下水資源無謂排放。

五、結束語

以前基坑降水基本為地鐵車站，基坑長度200 m左右，最大寬度不超過30 m，基坑深度17 m～18 m，降水井可以沿基坑四周進行布置，降水范圍有限便于調整和控制，而此類基坑長達約830 m，基坑寬10.7 m～53 m，其降水設計和施工時需綜合考慮施工安排及基坑條件等因素，可從基坑最大降深處開始，在砂層地質中由于良好的滲透性，深層降水段落將水位降下去后可以減少淺層段落的降水（在降水系統(tǒng)影響范圍內），能夠大大節(jié)約降水成本，因此應將降水設計和施工與現(xiàn)場總體施工部署結合起來進行。

參考文獻

[1]西安市地鐵三號線國際港務區(qū)車輛段出入段線施工圖設計.

[2]西安市地鐵三號線一期工程國際港務區(qū)車輛段出入段線巖土工程勘察報告.

[3]基坑工程降水案例.北京：人民交通出版社.

[4]簡明施工計算手冊.第三版.北京：中國建筑工業(yè)出版社.