小口徑鍍鋅鋼管井點(diǎn)降水技術(shù)在泵站深基坑開挖中的運(yùn)用

季 晨 郭桂祥 楊 勇

（1.鹽城市機(jī)械排灌處，江蘇 鹽城 224003；2.蘇州潤禹工程咨詢管理有限公司，江蘇 蘇州 215128）

1 工程概況

本泵站工程為老站改建項目，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4 級，臨時建筑物為5 級；設(shè)計防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇，排澇標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇，裝機(jī)ZLB-1400 型軸流泵3 臺，單機(jī)流量約為7.0 m3/s，共裝機(jī)1200 kW。

本工程基坑土方開挖的大致范圍為：基坑兩側(cè)防洪堤段開挖坡比1∶2，最大挖深12 m（▽-4.0 m），上口開挖長度約120 m；基坑兩端上下游段開挖坡比1∶3，最大開挖深度8 m（▽-4.0 m），上口開挖寬度100 m；整個開挖段降水面積約125 m×105 m。

開挖防洪堤堤頂高程約為▽8.0 m，基坑水位埋深約為▽3.5 m 以下，▽3.5 m 以上主要為原堤防填筑土質(zhì)，土質(zhì)較好。降水設(shè)施計劃在上層土方開挖結(jié)束后開始布置，降水深度控制在9 m 以上。

2 工程施工降水的難點(diǎn)

由于在基坑外側(cè)工程設(shè)計中未采用任何阻水截流措施，基坑開挖放坡受周圍地形建筑物限制，故采用何種降水手段保證開挖的順利實(shí)施以及在施工過程中的邊坡穩(wěn)定，成為施工單位首先要解決的難題。

（1）施工降水難點(diǎn)一。站身兩側(cè)施工場地狹窄，老泵站建于原有防洪堤上，距墩墻左側(cè)10 m 為防洪閘，右側(cè)建有原站房管理設(shè)施，不宜進(jìn)行大面積開挖，且要保證開挖降水引起周邊設(shè)施的均勻沉降；最大設(shè)計開挖坡比為1∶2，局部1∶1，要解決高含水量粉沙地質(zhì)小坡比邊坡易坍塌與出現(xiàn)流沙問題。

（2）施工降水難點(diǎn)二。站身位置開挖深度大，最大挖深達(dá)到12 m，站身原防洪堤填筑范圍以下20 m 左右土質(zhì)主要為粉沙質(zhì)粘土（透水系數(shù)為1～4 m/d）夾部分流沙土質(zhì)，含水量高（粉沙層含水量達(dá)到35%以上），要求水位降深大，站身前后均為高水位河流，水源回補(bǔ)充分，由于三面臨河，局部有管涌，施工降水難度大。

整個工程工期較緊，要求確保2013年3 月底具備水下階段性驗(yàn)收條件，滿足汛期防汛功能。能否順利實(shí)施深基坑開挖，是控制整個工程進(jìn)度、質(zhì)量的關(guān)鍵。狹窄場地范圍內(nèi)的深基坑開挖質(zhì)量是整個工程能否按期完工并發(fā)揮效益的關(guān)鍵，而影響此開挖質(zhì)量的關(guān)鍵因素就是基坑降水。

由于本工程為市級財政項目，投標(biāo)限價較低，基坑降水既要滿足施工需要，又要考慮工程的經(jīng)濟(jì)效益，因此，這種施工設(shè)計既無防水、截流措施也無任何基坑支護(hù)的基坑開挖，如何保證施工安全對施工單位是一個嚴(yán)峻考驗(yàn)。

3 基坑降水形式的比選

基坑降水方法主要有明溝加積水井降水、輕型井點(diǎn)降水、噴射井點(diǎn)降水、電滲井點(diǎn)降水、管井井點(diǎn)降水、深井井點(diǎn)降水等。各種降水方法有其特點(diǎn)和適應(yīng)條件，比選如下：

（1）輕型井點(diǎn)降水適用于面積不大且降水水位不深的基坑，降水水位一般在3～6 m 之間，若要求降水深度大于6 m，理論上可以采用多級井點(diǎn)降水系統(tǒng)，但需要基坑四周有足夠的空間，以便于放坡或挖槽，分級布置井管。輕型井點(diǎn)的管路過長、分支多、密封度差，會導(dǎo)致管井真空度不足，影響出水量，分級布置時施工干擾大。

（2）噴射井點(diǎn)降水系統(tǒng)能在井點(diǎn)底部產(chǎn)生25 cm 水銀柱的真空度，其降水水位深度大，一般在8～20 m 范圍。其適用的土層滲透系數(shù)和輕型井點(diǎn)一樣，一般為0.1～50 m/d，在滲透系數(shù)3～50 m/d 的砂土中應(yīng)用最為有效。但其抽水系統(tǒng)和噴射井管的施工工藝較為復(fù)雜，運(yùn)行故障率較高，維護(hù)困難，配套功率較大，能量消耗大，運(yùn)行費(fèi)用較高。

（3）電滲井點(diǎn)降水適用于滲透系數(shù)很小的細(xì)顆粒土，如：粘土、亞粘土、淤泥和淤泥質(zhì)粘土，這些土的滲透系數(shù)小于0.1 m/d，需要與輕型井點(diǎn)和噴射井點(diǎn)結(jié)合運(yùn)用，其降低水位深度取決于輕型井點(diǎn)和噴射井點(diǎn)。

（4）管井降水一般適用于降水系數(shù)大、地下水豐富的地層，每口管井出水流量可達(dá)50～100 m3/h，土的滲透系數(shù)在100～200 m/d 范圍內(nèi)，這種降水方法一般用于潛水層降水。

（5）深井井點(diǎn)降水是有基坑支護(hù)情況下使用較多的降水方法，其優(yōu)點(diǎn)是降水深度大、降水量大，在砂礫等滲透系數(shù)大、透水層厚度大且一般輕型井點(diǎn)和噴射井點(diǎn)降水無效的情況下，采用此方法最為適宜。管井（或深井）成井質(zhì)量控制較為復(fù)雜，單井出水量較大，易出泥、出沙。

在分析總結(jié)這些常規(guī)降水方法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，如何找到一個既滿足本工程具體施工技術(shù)要求而又比較經(jīng)濟(jì)的降水方案，能在避免分級干擾的同時，既能解決輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)等降水方法因真空度不足等因素影響出水效果以及分級干擾問題，也能克服管井（深井）降水的出泥出沙、降水不均勻的弊端，成為項目部選擇降水方案需要探討的一大課題。

4 方案提出及最佳方案確定

4.1 方案提出

工程開工前，項目部就本工程基坑開挖的降水問題，針對現(xiàn)場施工條件和設(shè)計圖紙、招標(biāo)文件要求，積極展開討論。通過主動走訪多年前參加老站施工的技術(shù)人員，了解當(dāng)年老站施工時基坑狀況以及當(dāng)時施工所采取的降水措施，并結(jié)合相關(guān)專家意見和現(xiàn)有常規(guī)降水方法及以往的施工經(jīng)驗(yàn)，提出了多種降水方案。然后對方案在本項目實(shí)施中可能存在的施工難點(diǎn)、運(yùn)行缺陷等情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析、計算和研究，最終利用輕型井點(diǎn)降水原理，結(jié)合輕型井點(diǎn)降水以及噴射井點(diǎn)降水優(yōu)點(diǎn)，采取了在井點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和抽水方法上有重要創(chuàng)新的小口徑鍍鋅鋼管井點(diǎn)降水方法，其與傳統(tǒng)的降水方法相比有了較大突破。

（1）小口徑鍍鋅鋼管井點(diǎn)降水方法主要設(shè)備和用材：Φ25 鍍鋅鋼管，壁厚2.5 mm；小功率單相自吸泵；井體濾管包裹材料、濾料等。

（2）降水深度：單級5～12 m。

（3）適用土質(zhì)以及降水能力：粉質(zhì)粘土、粉砂土；降水能力較強(qiáng)，適用于含水量較大（一般20%～35%）土質(zhì)；滲透系數(shù)一般為0.1～10 m/d。

（4）單機(jī)配套功率：0.75～1.0 kW。

（5）布置方式：單排或多排環(huán)狀線性布置。

4.2 方案實(shí)施

圖1 無壓非完整井涌水量計算

小口徑鍍鋅管井井點(diǎn)降水方案的關(guān)鍵工序：一是井點(diǎn)設(shè)計。采用理論計算的方法確定井管的數(shù)量與間距，目標(biāo)是滿足降水的要求，由技術(shù)科負(fù)責(zé)計算，公司工程部、總工室審查審批。二是試驗(yàn)井施工及抽水試驗(yàn)。在開挖范圍四角和中心各鉆井點(diǎn)1～3 眼試驗(yàn)，單井、三井聯(lián)機(jī)連續(xù)抽水12 h 以上，精確計量實(shí)際抽水量，目標(biāo)是單井出水量滿足設(shè)計要求，達(dá)到10 t/d 以上，不出泥、出沙。三是實(shí)施井點(diǎn)施工。參照相關(guān)規(guī)范施工，安裝連接好抽水管道系統(tǒng)，保證孔管的垂直度，保證濾管、濾料質(zhì)量，控制出泥出沙，控制好工程工期，目標(biāo)是達(dá)到設(shè)計與抽水試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。四是聯(lián)機(jī)抽水。不間斷進(jìn)行抽水，注意檢查每臺井泵的運(yùn)行情況，及時更換故障水泵，檢查泵管連接密封程度，目標(biāo)是保證所有管井達(dá)到設(shè)計要求。

4.2.1 井點(diǎn)設(shè)計

按照無壓非完整井、抽水原理與輕型井點(diǎn)基本相同，計算依據(jù)參照輕型井點(diǎn)。

（1）計算參數(shù)

降水面積A=125×105=13125 m2；

滲透系數(shù)取K=2 m/d；

降水深度S=9 m（基坑底平面上下各8 m、1 m）。

（2）井管結(jié)構(gòu)設(shè)計

H（井管長度）≥H1（現(xiàn)狀地面至基坑底面距離）+h（基坑中央最深挖掘面至降水曲線最高點(diǎn)的安全距離m）+I×L（降水曲線坡度與井點(diǎn)至基坑中心短邊距離的乘積）+l0（濾水管長）=8（4）+1+1/10×105/2+2=16（12）m（括號內(nèi)為基坑兩端井點(diǎn)深度）

（3）涌水量計算（由于井底沒有達(dá)到不透水層，所以按照無壓非完整井計算）

無壓非完整井涌水量計算見圖1。lgx0）

式中：

Q—基坑總涌水量；

K—滲透系數(shù)，取2 m/d；

H0—有效帶深度，取H0=1.85×（S1+l）=1.85×16=29.6 m；

S—水位降低值，取9 m；

R—抽水影響半徑，取R=1.95×S×（H0×K）1/2=1.95×9×（29.6×2）1/2=135 m；

x0—基坑假想半徑，取x0=（A/π）1/2=64.65 m；

Q=1.366×2×（2×29.6-9）×9/（lg135-lg64.65）=1677 m3/d。

（4）確定井點(diǎn)管的數(shù)量與間距

q（單根井點(diǎn)管每天的出水量）=65×π×d×l×K1/3=65×3.14×0.02×2×21/3=10.32 m3/d

n（井點(diǎn)管需要根數(shù)）=1.1×Q/q=1.1×1677/10.32=180 根

D（井點(diǎn)管間距）=2×（L+B）/n=2×（125+105）/180=2.5 m

（5）校核水位的實(shí)際降低數(shù)值

應(yīng)滿足設(shè)計要求。

（6）水泵選擇

一般按照涌水量、滲透系數(shù)、井點(diǎn)管數(shù)量與間距、降水深度以及需用水泵功率等數(shù)據(jù)選擇水泵的型號（包括流量、吸程等）。經(jīng)過選擇比較，并通過現(xiàn)場抽水能力測試，最終選擇1ZDB65 型單相自吸泵作為降水用泵。

其主要性能：流量3.5 m3/h，吸程9 m（實(shí)際使用時達(dá)到12 m 以上），單機(jī)單相功率750 W，配套接管外徑25 mm。

根據(jù)降水深度要求以及單相自吸泵抽真空能力，可以采用三井、四井、五井等并聯(lián)后總管接自吸泵，并保證自吸泵在各并聯(lián)井管單元管道內(nèi)能夠形成70 kPa 左右的真空壓力，日最大抽水流量可以達(dá)到40 m3/d 左右。

4.2.2 試驗(yàn)井施工與抽水試驗(yàn)

（1）單井施工工藝流程

井管與濾管制作→測量放線→挖井點(diǎn)溝槽→沖孔→下沉井管以及濾管并調(diào)整居中→灌填粗砂濾料→上部回填粘土密封→安裝單井抽水設(shè)備→抽水。

（2）主要施工方法

井管以及濾管制作：井點(diǎn)管采用無縫鍍鋅鋼管，管下端配2.0 m 長濾管，濾管采用與井點(diǎn)管同直徑鍍鋅鋼管，井點(diǎn)管和濾管之間通過鍍鋅管接頭連接，保證連接質(zhì)量，濾管部位鉆梅花孔，直徑5 mm，間距15 mm，外包尼龍網(wǎng)（100 目）2～3 層，鋼絲網(wǎng)2層，外纏20#鍍鋅鐵絲，間距10mm。三井并聯(lián)采用Φ30×2.5 mm PVC 管連接，通過橡皮套管連接單相自吸泵。

成井施工：利用7.5 kW 高壓水泵，通過軟管與一根特制的Φ48 mm鋼管相連，鋼管端部設(shè)有噴水孔，由兩名操作工人手持鋼管在井管位置上下抽動，直至成孔，成孔深度一般比濾管底深0.5 m，沖孔時注意沖水管須垂直插入水中并擺動，成孔直徑平均要在120 cm 以上，成孔后立即拔出Φ48 mm 沖水管，插入井點(diǎn)管，并確保濾管處于井孔中間位置，向孔內(nèi)緩緩灌入中粗砂，防止堵孔，并在填砂時輕微上提井管，確保濾料回填密實(shí)均勻。濾料回填至距離原狀地面2～3 m 后用Φ20 mm 左右的粘土球?qū)⑸喜烤追舛?，并人工壓?shí)。

井點(diǎn)管埋設(shè)完成后應(yīng)檢查其滲水性能，檢查方法為：在正常情況下，井點(diǎn)口應(yīng)有地下水向外冒出；否則，從井點(diǎn)管口向管內(nèi)灌清水，看管內(nèi)水位下降情況，水位下降越快，井點(diǎn)質(zhì)量越好。

井點(diǎn)埋設(shè)結(jié)束要快速接泵抽水，防止靜置時間過長井點(diǎn)淤塞。

圖2 井點(diǎn)單元構(gòu)成示意圖

圖3 施工現(xiàn)場井點(diǎn)連接平面圖

（3）單井抽水試驗(yàn)

試抽的主要目的是檢查井點(diǎn)的出水狀況、單相自吸泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和井孔壁的漏氣情況，如果漏氣比較嚴(yán)重則影響出水效果，應(yīng)該調(diào)整上部粘土的封堵深度或重新成井。

單井抽水試驗(yàn)應(yīng)該至少不間斷運(yùn)行12 h 以上，并在整個抽水試驗(yàn)過程中分階段計量單井出水情況。通過12 h 的抽水情況分析，初步印證單井抽水能力。

4.2.3 全部井點(diǎn)施工以及并機(jī)聯(lián)網(wǎng)抽水

（1）施工方法

全部井點(diǎn)的施工方法與要求同單井施工。三個單井通過PVC 管并聯(lián)匯總接一臺750 W 單相自吸泵，形成一個降水單元，整個降水系統(tǒng)安裝750 W 單相自吸泵60 臺，即60 個降水單元，每個井點(diǎn)降水單元出水管通過連接管道匯入直徑200 mmPVC 集水總管，將水排出基坑開挖范圍之外。井點(diǎn)單元構(gòu)成示意圖見圖2，施工現(xiàn)場井點(diǎn)連接平面圖見圖3。

（2）具體質(zhì)量要求

井體結(jié)構(gòu)、井點(diǎn)管間距、埋設(shè)深度應(yīng)符合設(shè)計，一組井點(diǎn)管和接頭中心應(yīng)保持在一條直線上；井管垂直度控制在1%以內(nèi)，井孔直徑誤差控制在±10 mm 以內(nèi)，濾料回填均勻密實(shí)，濾料包裹濾管厚度不小于50 mm。

井點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)無嚴(yán)重漏氣、淤塞、出水不暢或死井等情況。

各組井點(diǎn)單元的真空度應(yīng)保持在70 kPa 左右。

各個單井都要保證出水無渾濁、無粉沙。

單井、各降水單元出水量須符合設(shè)計要求。

4.2.4 施工注意事項

土方挖掘運(yùn)輸車道處通常不設(shè)置井點(diǎn)，這不會影響整體降水效果，如果布置井點(diǎn)要對井點(diǎn)做好可靠的保護(hù)。

在正式開工前，項目部要及時辦理用電手續(xù)，布置好比較合理的供電線路，每個降水單元都應(yīng)有獨(dú)立的線路控制，并做好用電安全工作，保證在抽水期間不會長時間停電。抽水應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，特別是開始抽水階段，時停時抽會導(dǎo)致井點(diǎn)管的濾網(wǎng)阻塞。同時，由于中途反復(fù)長時間停止抽水，造成地下水位上升，會引起土方邊坡塌方等事故。

井點(diǎn)降水應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行檢查，其出水規(guī)律應(yīng)為“先大后小，先渾后清”，若出現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時進(jìn)行檢查并排除。

在抽水過程中，應(yīng)經(jīng)常檢查和調(diào)節(jié)自吸泵的出水流量，當(dāng)?shù)叵滤唤档剿蟮乃缓?，要減少或間隔停止部分單相自吸泵抽水，盡量使抽吸與排水保持均勻，達(dá)到細(xì)水長流。

管路密封性（真空度）是影響單元井點(diǎn)能否順利進(jìn)行降水的主要技術(shù)指數(shù)，現(xiàn)場應(yīng)設(shè)專人經(jīng)常檢查，若抽水過程中發(fā)現(xiàn)水泵出水量明顯減少，應(yīng)立即檢查整個抽水系統(tǒng)有無漏氣環(huán)節(jié)，并應(yīng)及時排除。

在抽水過程中，特別是開始抽水時，應(yīng)檢查有無井點(diǎn)管淤塞的死井，可通過聽管內(nèi)水流聲、看管子表面是否潮濕等方法進(jìn)行檢查。如“死井”數(shù)量超過10%，則會嚴(yán)重影響降水效果，應(yīng)及時采取措施，及時補(bǔ)井。

在井點(diǎn)施工之前應(yīng)勘測現(xiàn)場，采用高壓水沖法成孔，如上部防洪堤粘土層較密實(shí)，沉管速度會較慢，如超過常規(guī)沉管時間時，可增大高壓水泵壓力，但不要超過1.5 MPa。

在基坑周圍上部應(yīng)挖好截水溝，防止雨水流入基坑。

井點(diǎn)位置應(yīng)距坑邊2.0～2.5 m，以防止井點(diǎn)設(shè)置影響坑邊土坡的穩(wěn)定性。水泵抽出的水應(yīng)通過按施工方案設(shè)置的明溝遠(yuǎn)離基坑排出，以防止?jié)B入基坑周邊回流，影響降水效果。

5 實(shí)施效果檢查與確認(rèn)

5.1 降水系統(tǒng)施工工期

整個降水系統(tǒng)累計需打設(shè)12～16 m 深鍍鋅鋼管井點(diǎn)180 眼，由于成井工藝簡單易學(xué)，成井質(zhì)量容易保證，成井設(shè)備（主要為高壓水槍）簡單，因此，整個成井過程可以在開挖界面全面展開，3～4 眼井并聯(lián)后自成獨(dú)立的降水單元，每個單元完工后即可裝泵抽水。在具體實(shí)施過程中成立了6 個成井小組，每個小組每天可成井2～3個單元，整個施工工期包括試驗(yàn)井施工以及抽水試驗(yàn)控制在8 d 以內(nèi)，滿足了施工計劃要求。

5.2 降水效果

（1）整個開挖范圍內(nèi)所有降水單元于2012年10 月31 日開始全面抽水，4 個集水總管平均出水量均超過20 m3/h，單井出水量平均在10～11 t/d，連續(xù)抽水96 h 后開始基坑開挖。基坑開挖土方含水量經(jīng)過在兩個開挖層次的環(huán)刀檢測，含水量分別為上層▽1.0～4.0 m 為9.5，下層▽-4.0～1.0 m 約為11.5，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。土方開挖采用挖掘機(jī)與自卸汽車配合，在首先開挖原防洪堤的填筑土方后，再分兩層進(jìn)行基坑的土方開挖施工。在開挖過程中沒有出現(xiàn)任何邊坡坍塌和失穩(wěn)現(xiàn)象，而且有效地控制了管涌。在二層土方開挖時由于降水效果較好，坑內(nèi)運(yùn)輸?shù)缆穬H在局部以15 mm 厚鋼板鋪設(shè)即可滿足自卸車的行走要求；達(dá)到開挖高程后坑底表面干爽、整潔，地下水位低于坑底1 m 以下。整個基坑土方開挖經(jīng)歷了15 個工作日，累計開挖土方約5萬m3，整個開挖過程連續(xù)順利，開挖工期比原計劃提前5 d 完工。

（2）主體工程施工過程中的降水維持：整個降水過程貫穿基坑土方開挖以及泵站水下結(jié)構(gòu)施工，從2010年10 月30 日開始至2011年2 月初，歷時3 個月，所有井點(diǎn)單元運(yùn)轉(zhuǎn)的真空度始終能夠保持在75 kPa 以上。施工過程中除了對部分單元的單相自吸泵進(jìn)行短時間更換外，所有井點(diǎn)單元運(yùn)行正常，對施工無干擾，基坑周圍邊坡穩(wěn)定，所有底板、墩墻、翼墻施工都在平整干燥的環(huán)境下進(jìn)行，工程質(zhì)量得到了保證。

（3）周圍沉降觀測結(jié)果：通過對基坑周邊防洪閘、泵站管理用房等永久觀測點(diǎn)的定期連續(xù)監(jiān)測，由于井管布置均勻，沒有引起周邊建筑的不均勻沉降，達(dá)到了預(yù)期要求。

5.3 經(jīng)濟(jì)效果比較

與以往類似降水方案相比，本降水辦法成井工藝簡單，水位降深大，成井以及配套設(shè)備簡易，成井主要材料如井管、單相自吸泵等可以反復(fù)使用，成井成本和運(yùn)行成本有較大降低。

6 總結(jié)

本降水技術(shù)主要適用于粉質(zhì)（粉沙質(zhì)）粘土、粘土夾流沙層等含水量豐富、滲透系數(shù)較大（一般適用滲透系數(shù)在0.1～10 m/d）的深基坑工程的開挖，較以往的輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)、管井（深井）井點(diǎn)降水等有較為明顯的優(yōu)勢。

本次小口徑鍍鋅鋼管井點(diǎn)降水技術(shù)在泵站工程深基坑開挖中的運(yùn)用是一次成功的嘗試，但在管材的選用、抽水水泵的選擇、成井質(zhì)量等方面有待進(jìn)一步研究探討，并在施工實(shí)踐中予以完善及推廣。