富水砂層市政管網(wǎng)基坑降水特性研究

陳思宇， 黃團偉

(中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

隨著國內(nèi)水環(huán)境污染形式日益嚴峻，水環(huán)境的綜合治理工程近年來呈爆發(fā)式涌現(xiàn)，其中污水市政管網(wǎng)的建設(shè)在多地已全面鋪開。市政管網(wǎng)基坑與其他工程類的基坑相比，具有鮮明的特征。其基坑周邊環(huán)境復(fù)雜、地下管線眾多、建筑物對變形敏感性高。因此，選擇科學(xué)的基坑降水方案顯得尤為重要。

1 工程概況

本工程為東莞市某鎮(zhèn)2018～2020年截污次支管網(wǎng)建設(shè)工程，主要采用開挖支護方式進行施工，場地現(xiàn)狀自然地面標(biāo)高4.5～5.5 m，基坑開挖深度4.0～6.0 m，支護結(jié)構(gòu)擬采用9～12 m長的鋼板樁支護。場地內(nèi)存在富水砂層，表部的雜填土含建筑垃圾或人工塊石，鋼板樁施工過程中可能存在難以下沉的現(xiàn)象，必要時應(yīng)采取引孔的措施。

2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，場地土層按地質(zhì)成因類型可劃分為：第四系人工填土層(Q4ml)、第四系沖積層(Q4al)和殘積黏性土層(Qel)，各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值見表1，自上而下依次如下：

(1)雜填土：稍濕，松散～稍密，填料以黏性土為主，局部夾有建筑垃圾和生活垃圾，填料較為復(fù)雜，層厚0.80～1.00 m，平均0.90 m；

(2)粉質(zhì)黏土：灰黃色，濕，可塑，土質(zhì)較均勻，韌性中等，干強度高，有光澤，無搖震反應(yīng)，場地內(nèi)廣泛分布，層厚0.40～6.00 m，平均4.25 m；

(3)粉細砂：灰黃色，飽和，松散～稍密，石英質(zhì)為主，顆粒較均勻，級配不良，含淤泥質(zhì)，局部夾薄層狀淤泥質(zhì)土，層厚1.00～6.40 m，平均2.68 m；

(4)中粗砂：灰白色，飽和，稍密～中密狀，石英質(zhì)為主，顆粒較均勻，級配不良，含少量黏粒，層厚0.60～8.90 m，平均3.24 m；

(5)粉質(zhì)黏土(Qel)：褐紅色，稍濕，可塑～硬塑，局部堅硬，土質(zhì)較均勻，由基巖風(fēng)化殘積而成，遇水易軟化。局部鉆孔有分布，層厚0.70～2.70 m，平均1.8 m。表1為各巖土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值。

表1 各巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)建議值

2.2 水文地質(zhì)條件

場地地下水類型主要為賦存于粉細砂層及中粗砂的孔隙水(略具承壓性)，以及填土層中的上層滯水，地下水主要接受大氣降水下滲補給及周圍地表水側(cè)向補給，以蒸發(fā)及地下徑流的方式向場區(qū)溝渠道排泄。粉細砂及中粗砂屬中等透水層，含水層厚度較大，含水介質(zhì)孔隙度大，連通性好，上覆弱透水地層、略具承壓性，含水量較豐富。場區(qū)鉆孔地下穩(wěn)定水位埋深為1.20～1.80 m，標(biāo)高0.20～0.50 m，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗，地下水位變化幅度小于1.0 m。

3 基坑降水類型

基坑降水類型的分類是基于基坑對地下水的控制措施與含水層的工程地質(zhì)特性?；庸こ虒Φ叵滤奶幚泶胧┲饕獮榻邓椭顾Ｒ姷幕咏邓愋陀腥缦?種：

(1)無止水結(jié)構(gòu)的基坑外降水?；訄龅刂苓厽o對沉降變形敏感的建構(gòu)物，基坑四周沒有施作止水結(jié)構(gòu)，降水井設(shè)置在基坑的外邊。

(2)完全止水結(jié)構(gòu)的基坑內(nèi)降水?；铀闹苁┳髦顾∧?，且止水帷幕穿過含水層，深入至不透水地層中。此類方法的原理是通過延長地下水的滲流路徑，降低基坑內(nèi)外地下水的水力聯(lián)系，從而減小基坑內(nèi)降水對周邊建構(gòu)筑物的影響。

(3)承壓水地層止水結(jié)構(gòu)的基坑外降水?；又苓吺┳髦顾∧唬∧晃瓷钊氲匠袎汉畬又?，基坑外面布設(shè)降水井，降水井未穿透承壓含水層。由于承壓水具有承壓性，具有一定的壓力水頭，基坑開挖是一個不斷卸荷的過程，隨著坑內(nèi)土體的不斷開挖，承壓含水層的覆蓋層不斷減少，若承壓水的水頭壓力大于上覆土的自重壓力時，基坑易產(chǎn)生突涌。此類降水井的主要目的是釋放承壓水的水頭壓力，降低坑底突涌的風(fēng)險。

(4)承壓水地層止水結(jié)構(gòu)的基坑內(nèi)降水?；又苓吺┳髦顾∧磺疑钊氲匠袎汉畬觾?nèi)，基坑內(nèi)布設(shè)降水井，且井底深入承壓含水層。這種降水方案既有降低承壓水的水頭作用又有疏干坑內(nèi)土體的含水量。

4 基坑降水設(shè)計

4.1 基坑涌水量估算

本基坑工程支護結(jié)構(gòu)采用鋼板樁支護，且鋼板樁深入下部不透水地層。根據(jù)鋼板樁支護結(jié)構(gòu)的特點可知，鋼板樁兼有支護與止水的作用。根據(jù)場地的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件可知，場地地下水位于兩層不透水地層之間，地下水具有微承壓性，基坑底位于細砂層中，地下水的水量較豐富，本次基坑降水屬于承壓水地層止水結(jié)構(gòu)的基坑內(nèi)降水，其類型為封閉型疏干降水，示意圖如圖1所示。

基坑涌水量的估算：

Q=μ×A×S

(1)

式(1)中：μ為疏干含水層的給水度，黏土的給水度一般為0.02～0.035，粉砂的給水度一般為0.10～0.15，細砂的給水度一般為0.15～0.20；A為基坑開挖面積；S為基坑開挖至設(shè)計深度時疏干層中的平均水位降深。

場地地下水原始平均水位埋深1.50m，對應(yīng)的標(biāo)高為3.50m，取基坑開挖處自然地面平均標(biāo)高5.0 m，基坑開挖深度按最大值6.0 m計算，根據(jù)基坑施工要求，基坑降水設(shè)計應(yīng)將地下水水位降至坑底以下1 m，相應(yīng)的水位高程約為-2.0 m，水位降深為5.5 m，降水對象包括賦存與填土，粉質(zhì)黏土層中的上層滯水，粉細砂層中的微承壓水。

圖1 封閉型疏干降水示意圖

綜合考慮基坑開挖所揭露各土層的厚度及其給水度的特征，各地層的平均給水度值為0.16；基坑開挖面積約為16.0 m2；代入(1)式：

Q=0.16×16.0×5.50=14.08 (m3)

(2)

4.2 疏干井的設(shè)計

考慮場地含水層的工程地質(zhì)特性及基坑涌水量大小，降水方案采用輕型井點降水。輕型井點即將井點管埋設(shè)于含水層中，井點管可根據(jù)降水要求既可埋設(shè)于基坑的四周，也可僅埋設(shè)于基坑的一側(cè)，利用集水彎管將井點管的上端與集水管相連接，將各集水支管與集水總管相連，集水總管與真空水泵和離心水泵相連接，啟動降水設(shè)備，在真空泵吸力的作用下，地下水通過濾水管網(wǎng)流入集水管與集水總管中，將系統(tǒng)內(nèi)的空氣排除后，在離心水泵的作用下經(jīng)其排水管網(wǎng)排至基坑外，從而將基坑內(nèi)的地下水水位降至設(shè)計標(biāo)高。此降水方法不但設(shè)備簡單，使用靈活，而且在粉細砂含水層中降水能防治流沙現(xiàn)象的發(fā)生。

(1)每根井點管的最大出水量qmax：

(3)

式(3)中：qmax為單根井點管允許的最大出水量(m3/d)；rw為濾水管的半徑(m)，一般為19～25 mm；L為濾水管的長度(m)，一般為5～9 m；k為疏干地層的滲透系數(shù)(m/d)。

將場地地層的滲透系數(shù)、井點管的相關(guān)參數(shù)代入上式可得：

(4)

(2)井點管的設(shè)計數(shù)量：

(5)

即井點管的數(shù)量n=2。

4.3 輕型井點降水施工工藝

輕型井點的降水施工工藝主要如下：

(1)定位：以降水方案的降水井平面布置圖為基準(zhǔn)，綜合考慮場地現(xiàn)場的實際情況，確定降水井的平面位置。

(2)開溝：在基坑周邊的地表面開挖一條寬0.3 m，深0.3 m的水溝，為排放沖孔用水；若表層雜填土較厚，應(yīng)將雜填土清除至老土，以便于插管。

(3)沖孔：采用高壓水槍沖孔，孔深應(yīng)超過支管的長度0.5 m左右。

(4)置管：成孔后將支管下入孔中。

(5)填砂：將磨圓度較好，級配一般的粗、中砂回填至孔中，孔口上部采用黏土封填。

(6)安裝：安裝各支管與總管，將總管與抽水設(shè)備相連接。

(7)鋪設(shè)排水管道。

(8)基坑內(nèi)布設(shè)水位觀測井。

4.4 地下水控制效果

評判基坑降水方案的效果可采用在基坑內(nèi)布設(shè)監(jiān)測井，將監(jiān)測所得到的地下水水位與降水設(shè)計擬達到的水位進行比對，評判基坑降水的效果。根據(jù)監(jiān)測井的水位數(shù)據(jù)得知，基坑施工期間，井內(nèi)水位在擬設(shè)計降深水位標(biāo)高±0.20 m范圍內(nèi)波動，基坑土方開挖施工過程中未出現(xiàn)滲透破壞的現(xiàn)象，基于基坑周邊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，降水亦未造成周邊建構(gòu)筑物產(chǎn)生顯著沉降，降水對基坑外部的地層產(chǎn)生的擾動較小，建構(gòu)筑物的沉降在允許范圍內(nèi)。本項目采用鋼板樁+輕型井點降水方案在富水砂層市政管網(wǎng)基坑應(yīng)用中取得了良好的效果。

5 結(jié)論

通過對富水砂層工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的研究，結(jié)合市政管網(wǎng)基坑支護結(jié)構(gòu)的特性，設(shè)計了富水砂層市政管網(wǎng)基坑的降水方案，分析基坑監(jiān)測的各項數(shù)據(jù)，論證了采用鋼板樁+輕型井點的降水方案在富水砂層市政管網(wǎng)基坑降水中的可行性，可為類似工程地質(zhì)條件下的市政管網(wǎng)基坑降水方案的選擇提供參考。