巖石基坑ZGD型螺桿自吸泵降水技術應用研究

董新和

(江蘇天宇建設集團有限公司 太原分公司,山西 太原 030002)

1 工程概況

萬通花園項目位于山西省陽泉市桃南東路與泉東路和官坊街交匯處,總建筑面積93 000.00 m2,地下3層、地上21層。剪力墻結構,筏板基礎,基礎埋深12.00 m。地基構成及巖性特征,根據(jù)野外鉆探、原位測試及室內(nèi)土工試驗綜合分析,場內(nèi)地基土從上至下共分為六層,承載力特征值見表1。

表1 地基承載力特征表Table 1 Characteristics of foundation bearing capacity

地下水文特征,經(jīng)測定穩(wěn)定水位埋深介于637.24 m～638.47 m,揭露的場地地下水類型為巖石孔隙潛水,主要補給來源為大氣降水及地下側間徑流,水位季節(jié)變化約1 m,根據(jù)設計要求基礎埋深10.93 m,絕對高程637.97 m, 基礎對地基承載力要求為250 kPa,故選用表中3號土作為本工程持力層,因本層為卵石,厚度為4.0 m～4.9 m,該范圍內(nèi)含水較少。但本工程1#、2#、3#樓電梯及集水基坑深度為±0.00 m以下13.43 m,絕對高程635.47 m,已達到穩(wěn)定水位以下,該位置含有較多的巖石孔隙潛水,由于基坑為巖石,給降水帶來很大的困難。為解決這一難題,項目部邀請有關專家討論提出如下降水方案:方案一,集水井排水方案。即在基坑附近邊角上挖滲水井,將孔隙潛水引至該集水井,然后用潛水泵間斷抽水;方案二,輕型井點降水方案。在基坑周邊布設井點管,用軟管與集水總管連接,最后用真空泵將集水總管內(nèi)水抽出;方案三,ZGD型螺桿自吸泵降水方案。即沿基坑底部對角線及周邊鑿滲水盲溝(槽),寬度為100 mm,深度為120 mm,然后在其中填碎石設置成排水盲溝。在其交匯處與排水吸盤的立桿管相連,排水立桿出水口與自吸泵軟管相連,實現(xiàn)不間斷降水。

從可行性、經(jīng)濟性、可操作性等方面分別對以上三方案進行分析比較。方案一特點是排水量可能較大,但對急需施工的基坑地下水位降低效果控制不利,施工難度較大,施工成本高,施工周期較長,對搶工期不利;方案二特點是對急需施工的基坑地下水位控制效果有利,但巖石地基復雜,井點布設鉆孔很困難,施工成本相對也比較高;方案三特點是技術可靠,施工靈活,操作簡單,施工成本低,施工周期很短,對搶工期非常有利。因而,最終確定方案三即ZGD型螺桿自吸泵降水方案作為本基坑降水方案。

2 工藝原理

根據(jù)巖石地基孔隙滲透系數(shù)及基坑面積計算確定滲水量[1],確定排水管徑,選用相應型號自吸泵;在巖石基坑面上設置盲溝,通過吸水盤與其上部自吸管及自吸泵相連進行24 h連續(xù)抽水,使地下水位控制在作業(yè)面 0.2 m ～0.3 m以下,保持滲水與吸水平衡,已達到巖石基坑底無水,施工期間基坑完全處于干作業(yè)狀態(tài)的目的。待巖石基坑的防水、鋼筋、模板等工程全部完成后,澆筑抗?jié)B混凝土?？?jié)B混凝土澆筑高低接近至閘閥時,利用混凝土自重壓力改變地下水流向的原理,此時關閉自吸泵與吸水盤之間的閘閥,撤除自吸泵,待混凝土終凝后割除閘閥以上多余的排水管如圖1所示。

圖1 螺桿自吸泵巖石基坑排水工藝原理圖Fig.1 Principle of drainage process of rock base pump with screw self-suction pump

3 工藝流程

根據(jù)巖石地基勘探報告及基坑設計面積計算基坑滲水量→選擇排水管徑及自吸泵型號→鑿排水巖石槽設置盲溝→制作吸水盤及排水管系統(tǒng)→安裝自吸排水系統(tǒng)裝置→試排水→正常排水→巖石基坑后續(xù)作業(yè)施工→關閉排水閘閥→撤移自吸泵割除多余排水管。

4 施工方法

4.1 基坑涌(滲)水量計算

K——土的滲透系數(shù)(m/d),有裂隙巖石(20～60) m/d,取40 m/d;

H——降水深度(m),即常年穩(wěn)定水位至設計基坑底以下0.5 m的深度;

R——降水影響半徑(m),碎石、砂巖、卵石R為(100～200)m,取150 m;

L——基坑長(m),設計6 m;

B——基坑寬(m),設計5 m;

r0——引用基坑半徑(m).

r0的計算公式如下:

降水深度H=638.47-635.47+0.5=3.5 m 則有

4.2 排水管徑及自吸泵型號確定

根據(jù)計算得到的基坑涌水量,結合ZGD型系列螺桿自吸泵技術參數(shù)表見表2,并考慮其它不利因素,擬選用表中序號6,ZGD20-160-2.0型號螺桿自吸泵,其基本參數(shù)為,吸水流量為20 m3/h(>16.56 m3/h)、功率2 kW、電壓220 V、進出水管徑32 mm、揚程160 m，吸程50 m。

4.3 排水盲溝及集水井的設置

4.3.1 周邊排水溝槽設置

用風鎬在巖石基坑四周鑿寬度100 mm、深度120 mm的環(huán)形溝槽,基坑對角線上設置同樣寬度和深度的溝槽。溝槽設置時,應按2‰泄水坡度向集水坑方向設置,并清理其內(nèi)部雜物如圖2所示。

4.3.2 集水井設置

在巖石基坑底對角線交匯處再用風鎬鑿深度300 mm、直徑300 mm的圓柱形集水井,并清理干凈雜物如圖2、圖3所示。

圖2 集水坑及盲溝平面布置圖Fig.2 Plane layout of puddle and blind ditch

4.3.3 排水盲溝及集水井的形成

在溝槽清理干凈后在其內(nèi)鋪設粒徑為20～30 mm干凈的碎石作為過濾層,形成過水盲溝。在圓柱形集水井內(nèi)敷設粒徑為20 mm～40 mm干凈的碎石作為過濾層。這樣便形成相互貫通的排水盲溝與集水井。

4.4 制作吸水盤及排水管系統(tǒng)

吸水盤為厚度8 mm,Φ400 mm的圓鋼板,其中心位置設置直徑Φ35 mm圓孔,用Φ32 mm長度L=550 mm(該長度視筏板厚度確定)鍍鋅鋼管下端與其堆焊。鍍鋅鋼管外露吸水盤板一側80 mm。鍍鋅鋼管的另一端為絞絲,與相應型號兩通閘閥相連。在閘閥上端與長為800 mm～1 000 mm絞絲鍍鋅排水鋼管連接,鍍鋅排水鋼管上端與自吸泵軟管相連即構成自吸排水系統(tǒng)。為保證螺桿自吸泵排水系統(tǒng)設備的穩(wěn)定性,安裝前在吸盤底部用直徑Φ16 mm螺紋鋼筋焊接成“米”字形的水平穩(wěn)定支架,以確保其安裝后能正常吸水與排水如圖4所示。

圖3 巖石基坑集水坑及盲溝構造原理圖Fig. 3 Principle of construction of puddle and blind ditch in rock foundation pit

圖4 螺桿自吸泵吸水盤構造原理圖Fig.4 Principle of construction of self-suction pump pump by screw

4.5 安裝自吸排水系統(tǒng)裝置

排水盲溝及集水井的設置完成,螺桿吸水盤制作完備按下列步驟安裝排水系統(tǒng)。

1)安裝前為防止雜物堵塞自吸排水系統(tǒng),在止水盤下側的鍍鋅吸水管口用過濾網(wǎng)封堵,細鋼絲扎牢。

2)安裝時用普通潛水泵將基坑內(nèi)滲水抽出,迅速將自吸排水系統(tǒng)裝置水平安置在預先設置好的集水井中部,檢查安裝位置是否正確,確定位置無誤后用膨脹螺栓與卡箍將 “米”字型支架與巖石地基永久固定,每根支架固定卡箍不少于2道。

3)待下部螺桿自吸排水設備安裝完畢后將自吸泵軟管立即與鍍鋅排水管有效連接,保證其連接長度大于50 mm以上,然后用細鐵絲固定扎牢。

4)將自吸泵安置在基坑上部不受下道施工工序干擾的位置,將自吸泵的排水軟管引入基坑外的排水溝中,保證其排水順暢,并做臨時固定。將三級開關箱電源接至自吸泵附近。

4.6 試排水及正常排水

排水盲溝及集水井設置完成,自吸排水系統(tǒng)裝置安裝就緒,接上電機電源按以下方法進行試排水工作。

1)卸下自吸泵出水口的出水軟管,用注水漏斗及預先準備好的注水桶往自吸泵內(nèi)灌入引水。待自吸泵引水灌滿后,將出水軟管與出水口連接固定好。

2)以上工作完成后,開通自吸泵控制開關,啟動自吸泵,觀察進水與出水軟管中進出水情況,開始時進、出水管中存在氣泡為正?，F(xiàn)象。

3)觀察一段時間后,如發(fā)現(xiàn)透明軟管內(nèi)仍然存在大量氣泡,則應關閉自吸泵,及時檢查進水與出水口等接頭部位是否存在漏氣現(xiàn)象,應立即作密閉或加固處理。

4)經(jīng)過密閉及加固處理后,重新開啟自吸泵透明軟管中無氣泡,且進出水流暢,自吸泵排水量能滿足基坑無多余滲水,則該排水系統(tǒng)即可進入正常排水狀態(tài)。

4.7 排水閘閥關閉

當基坑排水速度及排水量與滲水速度和滲水量基本平衡時,應抓緊后續(xù)工作,在基坑混凝土澆筑高度接近閘閥位置時結合現(xiàn)場實際工況考慮關閉閘閥。

1)螺桿自吸泵處于正常排水狀態(tài)時,即基坑的滲水速度及滲水量與螺桿自吸泵排水系統(tǒng)的吸排水速度及吸排水量相當,處于一種“滲排平衡”狀態(tài)。此時基坑內(nèi),應處于無多余滲水的理想干燥狀態(tài)。施工作業(yè)人員應抓緊后道工序施工,如基坑墊層、防水層、保護層、鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑等作業(yè)施工。

2)在基坑最后一道工序即混凝土澆筑施工時,待基坑筏板混凝土澆筑有一定高度,且基本與螺桿排水管中部的閘閥高度接近時,可以關閉閘閥。此時利用混凝土自防水及其自重的原理改變地下水流向,使其滲水向其他部位滲透,保證該施工部位的無滲水的正常施工。

4.8 撤移自吸泵,割除多余排水管

當螺桿排水管中部的閘閥被關閉后一段時間,基坑內(nèi)無滲水現(xiàn)象,說明巖石地基的地下水,在混凝土的重壓力下改變了其流向,向周邊擴散滲透。此時可以撤去自吸泵及排水軟管,連續(xù)將混凝土澆筑至設計標高。待混凝土終凝后,用氣割方法將筏板以上多余的螺桿排水管割去。

5 主要材料和機具設備

根據(jù)本工程所需排水巖石基坑數(shù)量,經(jīng)測算分析,應準備以下主要材料及機具設備，如表3、表4。

表3 主要材料Table 3 Main materials

表4 主要機具設備Table 4 Main machinery and equipment

6 質(zhì)量保證措施

為保證排水盲溝及集水坑水路暢通,螺桿自吸盤排水系統(tǒng)封閉性能,應按如下要求進行質(zhì)量控制。

1)盲溝制作時,要彈線，然后用切割機沿線切割，最后用風鎬或電錘鑿除,以保證盲溝順直,流水暢通。

2)盲溝的溝槽制作時，應嚴格按圖1設計要求，控制好其泄水坡度,確?；訚B水集中流向集水坑。

3)用于盲溝及集水坑的過濾碎石應進行淘洗,撿去其中雜物,以利于盲溝及集水坑排水。

4)圓柱形集水坑應先于盲溝剔鑿,剔鑿完成后，應有1:3水泥砂漿抹平,上口留有10 mm×10 mm凹槽,以便安裝吸水盤。

5)螺桿自吸盤中的排水閘閥安裝時，上、下立管應用膠帶纏好,保證其嚴密不漏水。吸水盤與立桿焊接應為雙面堆焊,焊腳有效高度hf應不小于5 mm,吸水盤下側的立管進水口長度不小于80 mm。

6)巖石基坑防水卷材施工時,在遇吸水盤的立管根部時，應加設一層加強層,且防水層管根部上翻300 mm以上,末尾用卡箍卡牢[3]。

7)巖石基坑進行其他專業(yè)工序施工時,應注意保護好螺桿自吸泵降水系統(tǒng)設施,嚴禁碰撞或隨意移動。

8)排水閘閥關閉前,應先切斷電源,以防止自吸泵空載發(fā)熱損壞電機。

7 安全與環(huán)保措施

為確保安全文明施工及滿足環(huán)境保護要求,螺桿自吸盤制作、排水盲溝及集水井設置應按以下要求進行。

1)電焊及氣割作業(yè)人員必須經(jīng)過培訓,持證上崗,電焊或氣割作業(yè)前應辦理動火申請[4]。

2)操作人員操作時,應戴防護眼鏡和手套等防護用品。

3)焊機在工作前必須對電氣設備、操作機構和冷卻系統(tǒng)等進行檢查,并用試電筆檢查機體外殼有無漏電。

4)焊機應放在干燥的地方,機身要平穩(wěn)牢固,周圍不準放置易燃物品。

5)氧氣瓶、乙炔瓶的閥、表均應齊全有效,緊固牢靠,不得松動、破損和漏氣。氧氣瓶及其附件、膠管和開閉閥門的扳手上不得沾染油脂。

6)乙炔膠管和氧氣膠管不得錯裝。乙炔膠管為黑色,氧氣膠管為紅色。

7)氧氣瓶應與其他易燃氣瓶、油脂和其他易燃物品分開保存,也不得同車運輸。

8)氧氣瓶與乙炔瓶儲存和使用時的距離不得小于5 m,氧氣瓶、乙炔瓶與明火或割炬(焊炬)間距離不得小于10 m。

9)點燃焊(割)炬時,應先開乙炔閥點火,然后開氧氣閥調(diào)整火焰,關閉時先關乙炔閥,后關閉氧氣閥。

10)工作完畢后應關閉氧氣瓶、乙炔瓶,拆下氧氣表、乙炔表,擰上氣瓶安全帽;并將膠管盤起、捆好掛在室內(nèi)干燥的地方,減壓閥和氣壓表應放在工具箱內(nèi);認真檢查操作地點及周圍,確定無起火危險后,方可離開。

11)盡量避免或減少施工過程中的光污染。夜間室外照明燈加設燈罩,透光方向集中在施工范圍。

12)電焊作業(yè)采取遮擋措施,避免電焊弧光外泄。

13)為減少對工程周圍居民的噪聲污染,嚴禁在晚22:00至次日6:00施工。

14)使用低噪音、低振動的機具,采取隔音與隔振措施,避免或減少施工噪音和振動。

15)現(xiàn)場的施工垃圾應集中分類堆放并做到及時外運,保持施工環(huán)境整潔,避免對后續(xù)工作造成影響。

8 結語

ZGD型螺桿自吸泵降水施工技術通過該項目的應用,成功地解決了巖石基坑排水難和施工過程復雜的施工難題,為基礎工程下道工序提供了一個干燥的施工作業(yè)環(huán)境,保證了基礎施工質(zhì)量[5],確保了基礎施工工期。本工程基坑累計使用了ZGD型螺桿自吸泵降水系統(tǒng)設施12處,取得了一定的經(jīng)濟效益和社會效益。ZGD型螺桿自吸泵降水施工方法,技術可靠,施工操作方法簡單,是一項經(jīng)濟適用的巖石基坑降水技術。該降水技術非常適合山區(qū)巖石地基的基坑降水與排水,在該領域值得應用與推廣。