多級輕型井點降水在大型軟土基坑施工中的應(yīng)用

徐更曉

摘 要：對于地下水位高于建筑物基礎(chǔ)面的大型軟土基坑工程，施工降排水方案的選擇非常關(guān)鍵，這不僅直接關(guān)乎基坑邊坡及坑底的穩(wěn)定安全，也對工程施工進度和施工成本產(chǎn)生關(guān)鍵性影響。太浦河泵站工程存在大型軟土基坑，其采用多級輕型井點降水方案。本文分析了太浦河泵站工程大型軟土基坑降水方案的選定、設(shè)計計算、施工工藝及方法、運行管理經(jīng)驗、降水效果，可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：軟土基坑;多級井點;降水方案;效果分析

中圖分類號：TU753文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）11-0068-05

Application of Multi-level Light Well Point Dewatering in Large-scale

Soft Soil Foundation Pit Construction

XU Gengxiao

（Sinohydro Bureau 11 Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： For large-scale soft soil foundation pit projects where the groundwater level is higher than the foundation surface of the building， the selection of construction drainage schemes is very critical， which is not only directly related to the stability and safety of the slope and bottom of the foundation pit， but also has a critical impact on the construction schedule and construction cost of the project. There is a large-scale soft soil foundation pit in the Taipu River Pumping Station Project， which uses a multi-level light well point dewatering scheme. This paper analyzes the selection， design calculation， construction technology and method， operation and management experience， and precipitation effect of the large-scale soft soil foundation pit precipitation scheme of Taipu River Pumping Station Project， which can provide references for similar projects.

Keywords： soft soil foundation pit;multi-level well points;dewatering plan;effect analysis

太浦河泵站工程是太湖流域綜合治理的大型工程之一，位于江蘇省吳江區(qū)廟港鎮(zhèn)，泵站北側(cè)為太浦河節(jié)制閘，泵站建成后，其主要用于枯水年份中4—10月抽引東太湖水來改善黃浦江上游引水工程取水口段的水質(zhì)，提高上海市生活及工業(yè)供水水質(zhì)和保證率。泵站樞紐工程由進水渠、泵站交通橋、攔污柵閘、進水池及連接段、泵房、出水池、出水渠等建筑物組成。泵站設(shè)計安裝6臺斜軸泵（單泵設(shè)計流量為50 m3/s），總供水流量為300 m3/s。

主泵站基坑采用放坡開挖的方式施工，確定泵站基坑開挖的范圍為：從上游進水池翼墻、泵站站身、下游出水池翼墻，順水流方向的基坑底部總長度為109.7 m，垂直水流方向的泵站基坑底部長度為71.56 m，基坑上部開口尺寸為163.2 m（順水流方向）×165 m（垂直水流方向），面積達26 928 m2，基坑大面開挖深度為14.5 m（EL6.5 m～EL-8.05 m），集水井部位最大挖深達17.3 m，基坑開挖總方量為22萬m3，屬于典型海象型的大型軟土基坑。

1 工程水文地質(zhì)條件、氣象條件

1.1 工程水文地質(zhì)條件

泵站基坑所在區(qū)域內(nèi)共分十個大層，含耕植土、泥質(zhì)土、砂壤土、粉質(zhì)黏土等土層或互層狀態(tài)。其中，③1、③2層屬粉質(zhì)黏土，具極微～微透水性，為潛水含水層的隔水底板，③3、④1、⑤共同組成一承壓含水層，③1、③2、⑥層黏性土具極微透水性，分別構(gòu)成其隔水層頂?shù)装?，⑥層為硬塑粉質(zhì)黏土，表現(xiàn)出中低壓縮性，土層穩(wěn)定[1-2]。各類土層分布高程、土性及滲透系數(shù)如表1所示。

1.2 氣象條件

工程所在地年均降水量為1 126.4 mm，年降水天數(shù)達130 d，年平均氣溫為15.7 ℃，最高氣溫為39.8 ℃，最低氣溫為-10.6 ℃，全年日照時數(shù)為1 996.3 h。各月相對濕度都在76%以上，4—10月大于80%。

2 降水方案的研究確定及降水井布置

2.1 基坑降水方案的研究確定

由泵房位置地質(zhì)剖面可知，承壓含水層的頂板③1、③2層及底板⑥土層為黏性土，具極微透水性，因此基坑的滲水量主要來源于潛水含水層的①1、②1～②5土層及承壓含水層的③3、④1、⑤土層。由于江蘇省工程勘測研究院在泵房位置做的群孔及單孔抽水試驗（主要針對③3、④1、⑤土層）測得的綜合滲透系數(shù)為2.9×10-4 cm/s（0.25 m/d），因此對照不同降水井點的土層滲透系數(shù)適應(yīng)范圍表（見表2），電滲井點適應(yīng)上部潛水層的土性，輕型井點及噴射井點適用于承壓含水層的降水。

由于電滲井點施工操作復(fù)雜、費用高而不便采用，同時上部開挖時土層的含水并不需要徹底疏干，只要排除滲水，降低其含水率，保證基坑邊坡穩(wěn)定和開挖正常進行即可，因此可考慮用輕型井點或噴設(shè)井點降水。由于EL-2.0m～EL-3.0m高程土（③1、③2類土）為相對隔水層，EL3.0m～EL-3.0m高程土（②類土）為淤泥層，且各土層的垂直滲透系數(shù)均小于水平滲透系數(shù)，因而如采用噴射井點（井點一次深至基坑最底部，濾管下至-11 m左右），其對上部土層的抽排水難以達到理想的效果。但是，若采用輕型井點，其呈多級布置，使濾管在高程上分散，則會達到理想的降水效果。由于基坑分層開挖（大層為3層，每層約1個月時間），上部開挖施工時下部土層的滲水無須排除，隨著開挖深度的加大，工作人員會逐層降水，因而輕型井點在經(jīng)濟上更為合理。

基坑開挖前期，工作人員做了管井的降水試驗，在基坑的東南角打了一口22 m深（井底高程-16 m）、內(nèi)徑300 mm的深井（外經(jīng)360 mm的混凝土管），然后在管壁上打透水孔并做好反濾，在離管井8、20、35 m的位置各埋設(shè)[Ф]100 mm PVC花管進行水位觀測。經(jīng)過抽水試驗，測得深井涌水量為0.13 m3/h，然后繪制降水影響半徑（[R]）曲線，得知影響半徑為20 m，并且降水漏斗曲線在[R]大于8 m（8 m以外）已呈平緩趨勢，因此其降水影響顯著范圍為10 m左右?？傊?，由于涌水量小、影響半徑近，無法發(fā)揮深井排水量大的優(yōu)勢。深井也為一次到位（深度上），具有前述噴射井點的缺點。在此地層條件下，若采用深井法降水，則難以取得滿意的效果，費用也很高。綜上所述，最終確定輕型井點降水（多級）作為太浦河泵站基坑降水的實施方案。

2.2 基坑輕型降水井點布置

綜合研究邊坡穩(wěn)定、施工降排水、開挖施工等方面的因素，基坑開挖四周邊坡坡度設(shè)為1.0/2.5，基坑開挖設(shè)置三級馬道、四級輕型井點降水。自地表EL7 m開挖至EL4.0 m時，在EL4.0 m高程預(yù)留2 m寬馬道，在馬道上布設(shè)第一級輕型井點;當開挖至EL0.00 m高程時，設(shè)置2 m寬二級馬道并布設(shè)第二級輕型井點;當開挖至EL-4.0 m時，設(shè)置2 m寬馬道并布設(shè)第三級輕型井點。根據(jù)基坑開挖放坡計算，EL4.0 m高程基坑范圍為149 m（長）×142 m（寬），EL0.00 m高程基坑范圍為129 m（長）×122 m（寬），EL-4.0 m高程基坑范圍為84 m（長）×94 m（寬）。

為了確保泵房基礎(chǔ)處理和底板混凝土澆筑在旱地正常施工，待進、出水池開挖到保護層高程時，施工單位擬在緊靠泵房基礎(chǔ)的上、下游約3 m的進、出水池各設(shè)一排輕型井點降水，其為第四級輕型井點。因為基坑底部進水側(cè)、出水側(cè)兩排降水井點的間距不大，已滿足基坑底部降水要求，所以東西側(cè)不再布置降水井。這樣一來，基坑進、出水的開挖邊坡各布置四級降水井，而基坑左、右兩側(cè)開挖邊坡按三級降水井點布置。

3 降水設(shè)計與計算

3.1 基坑第一級輕型降水井點設(shè)計與計算

3.1.1 單根井點出水量[q]。濾管內(nèi)徑[d]為38 mm，濾管長[L]為1.2 m，滲透參數(shù)采用勘測資料提供的[k]=0.25 m/d。單根井點出水量計算公式為：

[q=19.6πdLk] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

帶入相關(guān)參數(shù)可得，[q]=1.404 m3/d。

3.1.2 基坑總涌水量。基坑總涌水量的計算公式為[3]：

[Q=1.366k（2H0-S）S/lg[（R+r）-lgr]] ? ? ? ? ? （2）

式中：[H0]為有效含水層厚度，采用公式[H0=1.85（S+L）]進行計算;[S]為水位降低值，取5 m，則[H0]=11.47 m;[R]為抽水影響半徑，[R=2SH0k]=16.93 m;[r]為基坑假想半徑，[r]=1.18×（149+142）÷4=85.85 m。

帶入相關(guān)參數(shù)，經(jīng)計算，[Q]=391.22 m3/d。

3.1.3 計算井點數(shù)及間距。理論井點數(shù)的計算公式為：

[n0=1.1×Q/q] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

已知[Q]=391.22 m3/d，[q]=1.404 m3/d，將其帶入式（3）得[n0]=307根（管井）。間距[a]=（149+142-31）×2÷307=1.69 m，則[a]取值應(yīng)符合集水總管間距的要求，這里取1.5 m，實際井點（管井）數(shù)量[n]=（149+142-31）×2÷1.5=347根。

3.1.4 井點管的埋設(shè)深度。井點管的埋設(shè)深度計算公式為[4]：

[Ha=h1+h2+Δh+r/m+L] ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：[Ha]為井點的水泵軸至井點濾管底的深度，m;[h1]為井點的水泵軸至未抽水前的地下水位的高度，m;[h2]為原地下水位至基坑底的高度，m，每級按臺階高度4 m考慮;[Δh]為抽水后的地下水位距基坑底面的安全深度，一般為0.5～1.0 m;[r]為基坑底中心至井點管中心的距離，m;[m]為井點抽水后的水力坡降線的坡比，[m]=10～15;[L]為濾管長度，m。

已知[h1]=0.5 m，[h2]=4 m，[Δh]=0.5 m，[r]=85.85 m，[m]=15，[L]=1.2 m，經(jīng)計算，[Ha]=7.2 m。

以上是指該級馬道井點用至下一級馬道對應(yīng)高程且基坑開挖完的情況下該級井點管的埋深，實際施工時采用先降水后開挖的方法：先將周邊馬道挖成進行降水，而該層開挖時同級井點已開始運行，而不是利用上一級井點。該層大規(guī)模開挖時井點降水已有一個提前降深，故井點埋深無須達到7.2 m，而只要滿足相臨級高差小于5 m即可（單級井點降水3～5 m深），井點管均采用6 m鋼管加工，底部埋深為5.8～6.0 m。

3.2 基坑二、三、四級輕型井點降水設(shè)計與計算

輕型井點降水參數(shù)如表3所示，基坑左（右）開挖邊坡及降水井布置如圖1所示。二級井點（管井）數(shù)量[n1]=（129+122-24）×2÷1.5=303根;三級井點（管井）數(shù)量[n2]=（84+94-16）×2÷1.5=216根;四級井點（管井）數(shù)量[n3]=（87+93）÷1.5=120根（基坑進、出水池底板上）。

4 設(shè)備選型及材料選用

如表4所示，太浦河泵站基坑降水方案選用了兩種真空機組：一種為干式真空泵，每套機組可帶60～80個井管;一種為射流真空泵，每套機組可帶30～50個井管。具體配置為：一級井點配1套干式真空泵機組加6套射流真空泵機組，二級井點配1套干式真空泵機組加5套射流真空泵機組，三級井點配2套干式真空泵機組加2套射水泵機組，四級井點為4套射流泵機組，集水總管除一級采用[Φ]108 mm鋼管外，其余各級均采用[Φ]80 mm鋼管，集水管向上引至設(shè)于基坑頂部的[Φ]219 mm總管，排水進入沉淀池，經(jīng)沉淀后排入河道。

5 輕型井點降排水施工及運行管理

5.1 輕型井點降排水系統(tǒng)施工

輕型井點施工工藝流程如圖2所示。采用水力沖孔法成井時，井徑不小于300 mm。設(shè)計方案采用高揚程離心泵提供壓力水流沖孔，沖孔采用比孔深超長2 m的Ф 50 mm鋼管，用三角架將沖孔管吊起對正孔位置，邊沖邊下落，沖孔要比設(shè)計井超深1 m，拔出沖孔管，即將井點管插入孔中（其中井點管底部1.2 m長濾管用鐵絲濾網(wǎng)或無紡?fù)凉げ及么稚盎靥罹芘c井壁之間的空隙，其中距離地面1.0～1.5 m孔口范圍內(nèi)的空隙采用黏土回填以閉氣。若土層密實，采用水力沖孔法無法成孔，則采用回轉(zhuǎn)磨盤鉆機進行井點孔施工[5]。

將井點管與總管相連，總管再與抽水機組相連，對管路及抽水、配電設(shè)備進行檢查，一切正常后開動真空泵，使集水箱內(nèi)部形成真空，地下水經(jīng)濾管吸入集水箱，然后開動離心泵開始抽水。

由于不同地段土層有所變化，第一級井點降水管如按設(shè)計高程埋設(shè)在部分位置，其濾管可能會設(shè)置在滲透系數(shù)較小的③1、③2層，實際施工時根據(jù)地層的變化，適當調(diào)整濾管的高程，使濾管避開③1、③2層，以達到滿意的降水效果，同理最后一級井點管也不應(yīng)進入⑥層土，以保證有效的降排水。

井點降水一經(jīng)開始，就要不間斷進行，否則井點濾管易被堵塞，因而真空泵及離心泵均考慮備用，供水電源線路及配電裝置均為兩套，一套為業(yè)主提供的系統(tǒng)電源（500 kV AR變壓器），另外自備一臺200 kW柴油發(fā)電機組作為備用電源。一旦系統(tǒng)停電，必須在10 min內(nèi)將發(fā)電送至抽水設(shè)備。

基坑降水期間，除南側(cè)第一級井點因征地問題而在開挖后布置外，其余部位均按照“先降水、后開挖”的原則施工，即先沿岸坡將馬道挖成，以先期進行井點降水，然后進行該層的大面積開挖。

5.2 井點降水運行管理

大型基坑降水要進行嚴格的運行管理，施工單位制定了輕型井點降水運行管理手冊，發(fā)放到相關(guān)管理人員和運行人員手中。其間執(zhí)行定機定人管理，二班制作業(yè)，每班均有降水組長、電工、運行及觀測人員，運行人員要及時處理運行過程中的各種問題，并對設(shè)備管路運行情況、水位、排水量等進行詳細記錄。

由于泵房基礎(chǔ)采用水泥攪拌樁加固處理，在基坑底部開挖至-5.5 m高程即布置第四級井點，并進行水泥攪拌樁施工（在-5.5 m平臺上），EL-5.5 m～EL-8.15 m開挖在攪拌樁施工完后進行。整個降水工作自2001年3月15日開始，至2001年9月10結(jié)束，涉及基坑開挖、泵站基礎(chǔ)水泥攪拌樁施工、泵站基礎(chǔ)墊層混凝土施工等階段。

6 降水效果分析

由于基坑開挖采用“1.0/2.5邊坡、三級馬道、四級輕型井點降水”的總體施工方案，井點降水發(fā)揮重要作用，整個施工過程中基坑邊坡穩(wěn)定，未有塌坡、流砂、基坑底部隆起等險情發(fā)生（因征地原因，基坑南側(cè)邊坡最上面4 m高程馬道井點在其下部開挖后才開始布置抽水，與“先開挖后降水”相違背，其邊坡局部有裂縫、流砂現(xiàn)象）?；幼冃斡^測數(shù)據(jù)表明，基坑觀測點最大位移值為2 cm（發(fā)生在南邊坡），遠小于安全警戒值8 cm，對比可知，輕型井點降水效果明顯。

基坑馬道各級井點降水保證了基坑開挖期邊坡的穩(wěn)定，進、出水池底板上的第四級井點保證了基坑底部具有1～2 m的降水深度，保證了泵站基礎(chǔ)處理——水泥攪拌樁的施工正常進行（該基礎(chǔ)工程被評為優(yōu)良等級）以及泵房底板混凝土的正常施工。

輕型井點成孔及運行設(shè)備簡單，施工方便，其為分階段降水（高程上），在井點降水的后期，上部土體中的含水已很少，一、二級井點中出水量過小的真空泵已停止運行，因此經(jīng)濟效果明顯。

7 總結(jié)

7.1 降水方案選擇應(yīng)考慮的因素

降水方案的確定要重點考慮地質(zhì)水文特性，如果建筑物的基坑無滲透系數(shù)較大的含砂層或含粉細砂的承壓層，一般可采用輕型井點降水，否則采用深井降水。輕型井點每級降水深度以4 m為宜，加上濾管長度1.0～1.2 m、上部封堵長度1.0～1.5 m、頂部連接透明膠管長度0.5～1.0 m，吸管總長仍然小于真空氣壓負壓高度，有效地保證了井點正常運行。另外，還要考慮開挖基坑尺寸的大小、施工期長短、現(xiàn)場條件等因素，進行綜合的經(jīng)濟技術(shù)分析，以確定最合理的方案。輕型井點作為人工降低地下水位的一種方法，其原理是利用真空泵形成的真空來強迫抽排地下水位，主要適用于滲透系數(shù)在0.1～50.0 m/d的粉土、砂壤土、砂土地層。相對于明排，這種方法防止坡面發(fā)生流砂、滑坡、基坑底部隆起，能有效降低和控制地下水位;相對于管井、噴射井點，其具有設(shè)備簡單、操作方便、費用低的特點，降水深度可保持在3～16 m（由井點層數(shù)而定）。輕型井點廣泛應(yīng)用于港口、碼頭、水利工程、橋梁、地鐵等建筑物的施工中。

7.2 設(shè)備選擇

設(shè)備選型應(yīng)與排水量相配套。干式真空泵降水效率高，但設(shè)備運行費用高;射流真空泵設(shè)備小，每套機組帶的井點數(shù)少，但移動靈活、運行費低。因此，地下水位高、涌水量大的砂土地層應(yīng)采用干式真空泵機組，這樣才能發(fā)揮其作用。當?shù)貙佑克啃r，施工人員可以采用射流泵機組。離心泵選擇也應(yīng)與排水量相適應(yīng)，不宜選用過大的水泵。集水管剛開始采用[Φ]108 mm鋼管，降水發(fā)現(xiàn)水量較小，因此改用[Φ]80 mm鋼管。

7.3 井點管的埋設(shè)

對多級輕型井點而言，井點管的埋設(shè)深度不應(yīng)拘泥于預(yù)先計算的數(shù)值，應(yīng)考慮濾管直徑與滲透系數(shù)大的土層。井點管造孔時，要確?？讖?、孔深合理。埋設(shè)時，要做好反濾及孔口段封堵，內(nèi)部濾水，上部閉氣，這樣才能保證抽水結(jié)果。

7.4 降、排水的結(jié)合

基坑施工降水必須與排水相結(jié)合，整個基坑布置有排水溝、集水井、排水管、水泵等完整的明排水設(shè)施，以確保施工用水及雨水能及時排除。汛期排水標準以歷年各月的日降水量最大值165 mm計，基坑范圍（21 158 m2）內(nèi)小時降水量為145 m3/h，設(shè)計方案配備了4臺4BA-6型離心泵，單泵流量為90 m3/h，揚程為34 m，以防暴雨時不淹沒基坑。井點降水在雨天要確保正常運行，以免對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

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