大基坑深井降水系統(tǒng)施工技術(shù)研究

李棉巧

摘要： 本研究主要針對泵站-節(jié)制閘基坑特殊的地理位置及特殊的地質(zhì)構(gòu)造，對基坑降水施工工藝進行優(yōu)化，對降水井的設(shè)計施工和運行進行優(yōu)化，使之達到縮短工期，減小成本投入的目的。

Abstract： This study mainly aims at the special geographical location and special geological structure of the foundation pit of pumping station-regulator， optimizes the construction technology of foundation pit dewatering and the design construction and running of the foundation pit to shorten the construction period and reduce the cost.

關(guān)鍵詞： 水利工程；大基坑；深井降水；施工技術(shù)研究

Key words： water conservancy project；large excavation；deep-well dewatering；construction technology research

中圖分類號：TV5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）08-0097-04

0 引言

在水利工程上，基坑降水的應(yīng)用多以明排或者防滲帷幕為主，近幾年由于沿江沿河地段開發(fā)及施工，采用井點降水案例也逐步增多，其施工工藝也日趨成熟。但在長江邊上、且緊鄰荊江大堤進行如此大規(guī)模基坑降水及土方開挖施工還不多見，基本上沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒，其施工難度相對較大，且因靠近荊江大堤更應(yīng)注重施工中的安全防護，而基坑降水后續(xù)項目施工的關(guān)鍵，基坑降水的施工進度和施工成效是關(guān)系整個工程能否順利進行的重要因素。因此，為了保質(zhì)、保量、高效地按照計劃工期完成施工目標，將大基坑深井降水作為一項研究課題，在施工中加以實施，使之達到縮短工期、減小成本投入、總結(jié)經(jīng)驗，為類似工程提供技術(shù)參考。

1 項目概述

引江濟漢進口段位于荊州市荊州區(qū)李埠鎮(zhèn)龍洲垸的長江河段左岸，全長4.0km。進口段一標段里程樁號為K2+350～K2+950。本標段由渠道、節(jié)制閘、泵站組成，全長600m，上游渠道頂寬328.4m，上游底寬200m，下游渠道頂寬250.8m，底寬180m。

本標段工程距長江2.3km，地下水豐富，地下水位枯水期頂部為33.00m高程，汛期為35.00m高程。工程區(qū)地下水分為孔隙潛水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。地層結(jié)構(gòu)主要有四層自上而下分別為：粘土（壤土）、粉細砂、砂卵石層以及下伏下第三系泥質(zhì)粉砂巖。因砂層中富含承壓水，天然地下水較基礎(chǔ)底板高出較多，承壓水頭較高，直接開挖會出現(xiàn)基坑涌水、涌砂及滲透變形等問題。本標段為工程地質(zhì)條件差的（D）類。依據(jù)招標文件所示的地質(zhì)資料，本標段地層可分為3個滲透性分區(qū)，即：粘壤土層、粉細砂層和砂卵石層。粘壤土層厚4～6m，粉細砂層厚11～15m，砂卵石層（頂高程8～21m，底高程-39.03～-37.01m）厚47～60m。由于工程所處的特殊地理位置、地質(zhì)構(gòu)造及泵站-節(jié)制閘結(jié)構(gòu)特點，決定了基坑開挖將是本工程的一個施工難點。為保證基坑開挖施工的順利進行及基坑邊坡穩(wěn)定安全，在進行基坑開挖時如何降低地下水位，保證開挖基坑安全將是本工程的又一個技術(shù)難點。

2 技術(shù)研究難點

大基坑深井降水，由于涉及的基坑土方開挖量較大，傳統(tǒng)的降水井施工一般在設(shè)計及施工上考慮一次設(shè)計到位，一次施工到位。這樣的施工方法往往會造成土方開挖施工時間等待較長，易造成前期降水運行成本升高，開挖工期延遲等弊端。該項技術(shù)研究立足于解決施工成本與進度的矛盾，其技術(shù)難點主要有以下幾個方面：

①基坑開挖與降水井分期分批施工的協(xié)調(diào)性。降水井的設(shè)計、施工、運行應(yīng)保證地下水水位始終在開挖面以下0.5m左右，由于基坑為動態(tài)開挖面，這樣降水井的設(shè)計、施工、運行時間、數(shù)量如何與開挖進度統(tǒng)一，如何在最小降水成本狀況下滿足基坑開挖進度將是本項目的一個難點。

②由于基坑所處長江邊，距離長江較近，地層下部粉細砂和砂卵石層皆為強透水層，基坑地下水水位與長江水位關(guān)系也是技術(shù)研究的難點。

③在深井施工過程中，由于地下水位較高，強透水層在降水井施工過程中特別是洗孔過程中極易造成垮塌，形成塌孔。如何保證降水井施工的順利進行也是一個難點。

3 技術(shù)方案研究試驗

技術(shù)研究試驗流程：抽（降）水試驗→確定、復(fù)核相關(guān)參數(shù)→一期基坑降水井設(shè)計→基坑降水井施工→降水系統(tǒng)運行、基坑開挖→觀測、分析數(shù)據(jù)（通過觀測井觀測及降水井流量）→基坑開挖→驗證降水效果、優(yōu)化降水井設(shè)計、優(yōu)化降水井施工工藝→二期降水井設(shè)計、施工及運行→基坑開挖→觀測、分析數(shù)據(jù)（通過觀測井觀測及降水井流量）→驗證降水效果、優(yōu)化降水井設(shè)計、優(yōu)化降水井施工工藝→局部加設(shè)降水井設(shè)計、施工、運行→基坑開挖→觀測、分析數(shù)據(jù)（通過觀測井觀測及降水井流量）優(yōu)化降水井設(shè)計、優(yōu)化降水井施工工藝→指導(dǎo)本項目及其他標段類似項目渠道、基坑降水施工。

4 技術(shù)方案研究及實施

4.1 進行降水試驗，獲得地層滲透系數(shù)

為保證基坑降水的順利實施，在進行降水井施工前，為獲得地層實際滲透系數(shù)進行了降水試驗。降水試驗共布置4口降水井及4口觀測井，其中兩口降水井深入砂卵石層，兩口降水井位于粉細砂層，觀測井主要為進行抽降水試驗時觀測地下水位變化配置。如圖1。

試驗?zāi)康模孩倮脝尉邓囼灤_定各地層水文地質(zhì)參數(shù)和單井出水能力，為降水井設(shè)計施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。②根據(jù)不同組合條件下的群井抽水試驗結(jié)果，分別評價深層群井降水、淺層群井降水以及4口井同時抽水的降水效果，為降水井設(shè)計施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 基坑降水井設(shè)計

根據(jù)降水試驗獲得的各地層滲透系數(shù)及在進行試驗井施工時的鉆井經(jīng)驗，結(jié)合泵站及節(jié)制閘基坑開挖深度要求，對基坑開挖部位降水井施工方案進行了優(yōu)化設(shè)計。

①降水井設(shè)計指導(dǎo)思想。因項目工期緊張，為保證工程能夠按時完工，在降水井設(shè)計上，考慮土方開挖施工進度，采用分期分批進行降水井施工。

②優(yōu)化降水井施工工藝。根據(jù)試驗井施工時的鉆井經(jīng)驗，在試驗井鉆井時因地質(zhì)條件較差，鉆井過程中塌孔嚴重，試驗井成井困難，為防止鉆井過程中塌孔現(xiàn)象的發(fā)生也采取過很多技術(shù)措施，但塌孔現(xiàn)象并未能有效解決。在查閱相關(guān)降水井技術(shù)資料后，采用護壁堿代替泥漿護壁進行降水井鉆井施工，在鉆井設(shè)備的選擇上采用反循環(huán)鉆機進行鉆井，以提高降水井成井效率，增加降水井成井后的單井出水量，提高降水井降水能力。

4.3 基坑降水井布置實施方案

根據(jù)基坑降水井設(shè)計指導(dǎo)思想，基坑降水井（如圖2）主要布置在泵站及節(jié)制閘開挖邊坡的馬道上，降水井施工分三批進行，即：

①一期降水井布置26口，間距40m，降水井深入砂卵石層，以增大降水井出水量，降水井沿泵站及節(jié)制閘開挖基坑四周均勻布置，主要滿足上層粘壤土層開挖施工要求。

②在一期降水井施工完成并逐步投入運行后，進行二期降水井施工，二期降水井布置26口，間距40m，二期降水井施工完成后，基坑四周降水井數(shù)量達到52口，降水井間距縮小至20m，基坑降水井降水能力基本能夠滿足泵站及節(jié)制閘開挖的干地施工要求，同時也能保證開挖深度加深后邊坡穩(wěn)定、安全。

③在泵站基坑局部開挖較深部位，進行局部加密降水井施工，加大局部降水井降水能力，加密降水井布置5口，間距為20m。

④在進行降水井施工及土方開挖施工的同時，為保證開挖基坑安全穩(wěn)定，實時監(jiān)控地下水位變化情況，在基坑軸線方向上布置5口觀測井，觀測井在軸線方向上均勻布置，用以觀測開挖基坑地下水位，指導(dǎo)土方開挖施工及降水井運行。

通過上述降水井施工方案優(yōu)化設(shè)計，加大了降水井成井率，同時采用分期分批施工降水井，使得土方開挖施工得以提前進行，一則減少了降水井整體運行時的費用支出，土方開挖提前進行也縮短了土方開挖施工工期，做到了效益和工期雙贏。

5 成果分析

通過該項技術(shù)研究在降水井施工工藝及基坑降水設(shè)計施工運行等方面進行了諸多的革新，研究出了一整套符合南水北調(diào)引江濟漢工程類似項目的施工工藝和方法，具體涉及如下幾個方面：

5.1 深井施工方面

傳統(tǒng)的降水井施工一般采用反循環(huán)鉆或者沖擊鉆泥漿護壁進行鉆井施工，但由于我部基坑地處長江邊，距離長江邊較近，地下水位較高，而且地質(zhì)構(gòu)造為強透水層的砂卵石層，在此條件下，鉆井不易成孔。為此，項目組根據(jù)現(xiàn)場施工實際情況，采用了護壁堿替代泥漿護壁，保證了鉆孔的成孔率。同時為保證降水井完成后的單井出水量，在鉆孔機械方面的選擇了反循環(huán)鉆，擯棄了沖擊鉆，試驗證明，采用護壁堿及反循環(huán)鉆施工，既能增加降水井的成孔率又能加大單井的出水量。

5.2 降水井的設(shè)計方面

在降水井的設(shè)計方面，由于征地拆遷原因，導(dǎo)致基坑開挖強度大幅增加，為滿足整個工程合同工期要求，在基坑降水井施工方面采取了分段分次設(shè)計施工運行方式，具體如下：

①第一階段針對泵站-節(jié)制閘基坑具有的大跨度大深度特點，沿基坑開挖開口邊線大間距布設(shè)降水井，快速完成一期降水井施工運行，使基坑地下水迅速降至開挖面以下。

②第二階段在第一階段基礎(chǔ)之上采取加密降水井設(shè)計、施工、運行，使基坑地下水位始終保持在動態(tài)開挖面以下，滿足基坑開挖要求。

③針對泵站機組段局部小范圍范圍內(nèi)，開挖高程低的現(xiàn)象，采取局部布設(shè)降水井，在相對較短的時間內(nèi)進行降水，在完成該部位混凝土封底后，立即拆除降水井。（如：泵站3-5#機組段集水井部位施工）

④在結(jié)構(gòu)施工上遵循先低高程部位優(yōu)先施工的原則，保證在相對較短的時間內(nèi)完成相對較低的部位的結(jié)構(gòu)施工，然后以基坑最低結(jié)構(gòu)面為準，確定所需最低基坑降水水位高程。其優(yōu)先是，使降水井運行的數(shù)量始終保持最少，從而降低基坑運行成本。

綜上所述，通過對降水井施工工藝及施工方案的優(yōu)化上采取一些列措施，最終達到既滿足施工進度要求，又最大限度的降低了施工成本，保證了基坑土方開挖的正常進行，從而保證了泵站-節(jié)制閘混凝土的施工，在施工征地拆遷嚴重滯后不利條件下，最終使工程滿足總工期進度要求。

6 本項目的創(chuàng)新性分析

針對本工程基坑開挖部位位于長江邊上且緊鄰荊江大堤的特殊的地理位置，地質(zhì)構(gòu)造為強透水層的砂卵石層的特性，對本項目降水井施工根據(jù)實際施工條件進行分析，考慮降水井施工深入砂卵石層，為防止降水井鉆井過程中塌孔及成孔困難，改變傳統(tǒng)降水井施工工藝，使得在施工過程中降水井成孔率及出水量顯著提供，保障了基坑降水的順利進行，為項目的順利實施奠定了基礎(chǔ)。

①進行降水井施工時，改變傳統(tǒng)降水井施工工藝，用護壁堿替代了傳統(tǒng)的泥漿護壁，大幅增加了降水井鉆井的成孔率，減少了降水井采用泥漿護壁時出水量小的現(xiàn)象及反復(fù)進行洗井的操作。同時采用護壁堿替代泥漿護壁的另一個優(yōu)點是增加了降水井的單井出水量，在基坑內(nèi)來水量不變的情況下減小降水井數(shù)量，節(jié)約工程投資。

②針對本項目施工工期短，基坑開挖強度大的特點，降水井施工采用分期分批進行施工、逐步投入降水運行。即先較大間距的布設(shè)降水井，然后進行加密井施工，逐步增加降水井降水能力及降水有效深度，最后針對降水深度要求較深的局部區(qū)域采取局部增加加密降水井的施工方法，進行基坑開挖降水施工及運行。采取上述方法進行基坑降水井施工及運行的主要優(yōu)點是：既縮短了降水井施工及土方開挖施工工期，又降低了降水進行基坑降水的運行成本，做到了工期和效益的雙贏。

③本標段工程距長江2.3km，地下水豐富，地下水位枯水期頂部為33.00m高程，汛期為35.00m高程。工程區(qū)地下水分為孔隙潛水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。地層結(jié)構(gòu)主要有四層自上而下分別為：粘土（壤土）、粉細砂、砂卵石層以及下伏下第三系泥質(zhì)粉砂巖。因砂層中富含承壓水，天然地下水較基礎(chǔ)底板高出較多，承壓水頭較高，直接開挖會出現(xiàn)基坑涌水、涌砂及滲透變形等問題，本標段由渠道、節(jié)制閘、泵站組成，全長600m，上游渠道頂寬328.4m，上游底寬200m，下游渠道頂寬250.8m，底寬180m，大基坑地下水豐富排水強度大。

7 經(jīng)濟效益和社會效益評價

7.1 掌握了在復(fù)雜的地理地質(zhì)提條件下的降水井施工技術(shù)

針對基坑開挖部位特殊的地質(zhì)構(gòu)造，在常規(guī)的采用沖擊鉆配合泥漿護壁的條件下，由于極易塌孔。根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用了反循環(huán)鉆及護壁堿進行護壁，降水井成孔率顯著提高、降水井出水量也明顯增加，因單口井的出水量增加，在相同抽水量的情況下減小了降水井施工數(shù)量，既節(jié)約了施工成本，又滿足了基坑土方開挖對降水井的要求?；娱_挖部位共計完成62口降水井，成功將基坑地下水位降至13.0m高程以下，滿足了基坑土方開挖要求，基坑降水的成功為今后類似工程項目取得了珍貴的可以借鑒的資料。

7.2 優(yōu)化基坑降水井設(shè)計施工運行方法

由于征地拆遷因素影響，造成基坑開挖區(qū)征地推遲移交，從而開工時間推遲約7個月。項目永久征地于2010年10月份移交，而次年5月就進入長江主汛期，基坑土方開挖工程量約120萬方，開挖量大，工期緊，是項目面臨的重大難題。

為保證在2011年3月底完成基坑土方開挖，轉(zhuǎn)入基坑混凝土封底施工，以確保基坑汛期安全。項目組根據(jù)現(xiàn)場實際情況及緊迫的工期要求，采用了與基坑降水施工與土方開挖施工同步進行的施工方案，即降水井分期分批進行鉆井施工，每口降水井完成后即投入降水運行，逐步加大降水井降水能力。完成一期降水井后，再進行加密井施工，全部降水井投入運行后，地下水位基本位于建基面以下，能夠保證大范圍的土方開挖施工，最后在局部開挖較深部位進行加密井施工，完成土方開挖施工任務(wù)。通過采取分期分批進行基坑降水，有效解決了土方開挖施工期間的降水問題，保障了土方開挖施工期的邊坡安全及穩(wěn)定，采用降水工程與土方開挖工程同步施工也最大限度的縮短了工期，保證了基坑開挖施工進度，為基坑進行混凝土封底施工贏得了時間，從而最終保證了基坑的汛期安全。

7.3 因地制宜降低施工成本

通過改進降水井施工工藝，增加了單口降水井的出水量，在基坑排水量相同的情況下，減小了降水井施工數(shù)量，以較少的降水井完成了基坑降水任務(wù)，也直接降低了施工成本。

①通過在鉆井施工工藝上采用了護壁堿替代傳統(tǒng)的泥漿，增加了降水井的一次成孔率。通過對比，在采用護壁時，成孔率一般只在40%左右，而采用了護壁堿后一次成孔率達到了80%左右，整個基坑鉆井62口，減小塌孔數(shù)為：62×40%=24.8（口），直接節(jié)省費用為24.8×13=322.4（萬元）。節(jié)省工期月24.8×7=173.6（天）。

②在降水井設(shè)計施工運行上由于采用了分次降水，分次開挖的施工方法，直接減小了降水費用，大幅縮短了工期。其具體如下：1）一期基坑開挖從2010年6月-2010年9月底，約120天，一期施工降水井26口，減少降水費用為：26×120×15×24×0.98=110（萬元）；2）二期基坑開挖約為從2010年10月-2011年3月底，開挖時間約為：180天，二期施工降水井26口，減小降水費用為：26×180×15×24×0.98=165.1（萬元）；3）三期降水井施工10口，其施工時間為2011年4月-2011年6月底，施工時間約90天，減小降水費用為：10×90×15×24×0.98=31.75（萬元）。

綜上所述，采用以上施工方法進行優(yōu)化，直接節(jié)約成本共計：629.25（萬元），同時縮短工期約293.6天。

8 存在的主要問題及改進措施

8.1 存在問題

在深基坑降水作業(yè)運行的同時進行基坑土方開挖，做到干地施工，保障工程施工正常進行，降水深度在開挖作業(yè)面以下0.5m左右即可，太多降深投入資源較多，抽水運行費用較高，此項在實際降水過程中較難控制，應(yīng)當在降水運行及水位控制上，根據(jù)施工時積累的數(shù)據(jù)資料進行分析，得出一套完整的水位控制方法。

8.2 改進措施

降水井施工投入運行后，為解決地下水位觀測問題，在基坑中間施工5口觀測井，實施對地下水位的不間斷觀測，在保障干地施工的要求下，根據(jù)運行降水井數(shù)量及地下水位關(guān)系，實施調(diào)節(jié)措施，以節(jié)約降水運行成本，做到安全與效益雙贏。

9 結(jié)語

基坑降水是基坑開挖施工中采取的工程措施之一，雖然應(yīng)用較為廣泛，但在地質(zhì)條件復(fù)雜，地層滲透系數(shù)較大，且緊鄰長江主河道這樣的區(qū)域內(nèi)實施深井降水還存在一系列的問題需要解決。

本次研究通過實施深井降水，改變降水井施工工藝，施工中解決了在砂卵石層進行深井施工的成井及降水井出水量問題，同時降水井施工與土方開挖同步進行，對開挖各階段需投入降水井數(shù)量及降水能力得出了一套完整的施工經(jīng)驗，保障了工程施工安全及工期，同時也為今后類似工程提供了可以參考的案例。

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