堡鎮(zhèn)港北等四座水閘外移工程基坑降排水方案設(shè)計與優(yōu)化

蔡超英 潘世洋

(1.上海市堤防泵閘建設(shè)運行中心，上海 200080;2.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213032)

本文以上海市崇明島堡鎮(zhèn)港北等四座水閘外移工程為例，針對地下水位埋深淺、基坑開挖深度大的工況，對基坑降排水方法、優(yōu)化分析和施工工藝進(jìn)行了分析總結(jié)，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

崇明島堡鎮(zhèn)港北等四座水閘外移工程位于崇明北沿，堡鎮(zhèn)港至八滧港區(qū)間主海塘及其外側(cè)灘地上，地貌類型為潮坪地貌類型。場地內(nèi)受河流沖積影響，地勢稍有起伏。原始地貌為灘地及魚蝦池塘，有一座箱涵老閘通道，涵閘兩側(cè)為一條土方便道，便道寬約3.5m，絕對標(biāo)高約6.0m，便道貫穿擬開挖基坑?xùn)|西側(cè)，位于基坑中部。

工程所處位置原灘面地面絕對標(biāo)高約4.0m，水閘地基最低建基面標(biāo)高-3.15m?；油练介_挖工程量67632m3，基坑面積5940m2，基坑土方開挖面積13000m2，基坑邊坡坡度1 ∶3，采用二級放坡。

2 地質(zhì)條件與地下水分析

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，工程勘察范圍(最深60.3m)內(nèi)的地基土為第四紀(jì)全新世Q34～Q23的沉積層，主要由填土、粉性土、砂性土、淤泥質(zhì)土及黏性土組成。根據(jù)地基土沉積年代、成因類型及物理力學(xué)性質(zhì)差異，將場地沿線60.3m深度范圍內(nèi)土層劃分為4個主要層次，其中①、②、⑤、⑦層分別根據(jù)各自的土層特性分為若干亞層。

工程擬建場地內(nèi)地下水類型屬第四紀(jì)松散層中孔隙潛水及承壓水。淺層地下水屬孔隙性潛水，主要賦存于①3-2層、②3層及②3夾層中，外側(cè)臨長江口，直接受江水補給，其水位變化主要受控于大氣降水、江面蒸發(fā)及潮水等因素。地下水穩(wěn)定水位埋深在0.20～1.7m 之間，相應(yīng)標(biāo)高為 2.72～4.83m。承壓水分布于⑦層，層頂最淺處埋深34.0m，而本工程基坑最大開挖深度約7m，承壓水對本工程開挖無影響。

本工程水閘基坑開挖對地下水天然動力平衡有一定影響。工程施工活動改變了原有天然狀態(tài)下地下水及土體的動力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致在滲透力及靜水壓力的作用下，有流砂、管涌及基坑突涌等可能性。各土層及滲透系數(shù)分析匯總?cè)绫?。場地淺部以①3-2層及②3層及②3夾層為主，上述土層中②3層滲透性較強，在一定的滲透力及靜水壓力作用下，局部易產(chǎn)生滲水和流砂等現(xiàn)象，為維護(hù)邊坡和基坑穩(wěn)定，需采取降水、止水、隔水等有效措施。

3 降水方案設(shè)計與優(yōu)化

3.1 降水方案設(shè)計

工程設(shè)計基坑降水方案擬采用輕型井點降水和管井降水，其中輕型井點7套，管井21口。輕型井點沿基坑二級平臺間隔1.2m布置，管井在基坑底大體均勻分布。輕型井點及管井降水設(shè)計構(gòu)造圖及布置圖1～圖4所示。

圖2 管井構(gòu)造圖 (未標(biāo)注的長度單位為mm，標(biāo)高單位為m)

圖3 降排水平面布置圖 (未標(biāo)注的長度單位為mm，標(biāo)高單位為m)

圖4 降排水基坑剖面圖 (未標(biāo)注的長度單位為mm，標(biāo)高單位為m)

3.2 隨施工過程優(yōu)化的降排水方案

在降排水施工過程中，需要根據(jù)實際情況對降排水方案，從效率和經(jīng)濟(jì)性等方面做調(diào)整與優(yōu)化。設(shè)計基坑開挖邊線東西兩側(cè)邊線中部均向坑內(nèi)凸出約5.2m，長度約77.2m，雙軸攪拌樁機械移位的同時還要轉(zhuǎn)向，經(jīng)現(xiàn)場勘察并經(jīng)設(shè)計單位同意后，將開挖邊線外移調(diào)直，雙軸攪拌樁沿開挖線順直連接。調(diào)整后可減少樁機轉(zhuǎn)向8次，減少雙軸攪拌樁角點8個，提高了施工效率，同時降低了因樁機移位轉(zhuǎn)向及雙軸拐角連接對止水帷幕連接完整性的不良影響。

在降排水前期，根據(jù)設(shè)計方案設(shè)置了一組輕型井點，采用7.5kW真空泵，40根Ф48井管，降水效果很差，且耗電量大、不經(jīng)濟(jì)，實踐表明輕型井點降水不適宜地下水穩(wěn)定水位高的地質(zhì)條件。為保證降水效果和工程進(jìn)度，取消輕型井點降水措施，全部采用管井降水，并對管井?dāng)?shù)量和布置進(jìn)行重新計算和優(yōu)化，詳細(xì)優(yōu)化計算過程見3.3節(jié)和3.4節(jié)。優(yōu)化后基坑平面圖及剖面圖如圖5、圖6所示。

圖5 優(yōu)化后實際開挖基坑平面圖 (未標(biāo)注的長度單位為mm，標(biāo)高單位為m)

圖6 基坑開挖剖面圖 (未標(biāo)注的長度單位為mm，標(biāo)高單位為m)

3.3 降水參數(shù)設(shè)計

3.3.1 降排水原理

本工程位于長江口灘涂地，地下水位埋深較淺，穩(wěn)定水位較高，含水量大，先沿基坑設(shè)置一圈雙軸攪拌樁止水帷幕，延長外部地下水向基坑內(nèi)滲入的滲徑。基坑內(nèi)設(shè)置管井降水，當(dāng)管井內(nèi)持續(xù)降水，地下水位形成水位曲線，低于基坑底標(biāo)高時，可實現(xiàn)干地作業(yè)，同時基坑周邊設(shè)置排水溝和集水井，對基坑內(nèi)明水和管井抽出的地下水集中排走，具體降排水模型原理示意圖如圖7所示。

3.3.2 管井深度計算

a.基坑等效半徑

(1)

式中，基坑底面積A=5940m2。

計算得r=43.5m，綜合考慮取r=50m。

b.管井深度

HW=HW1+HW2+HW3+HW4+HW5+HW6

(2)

式中HW——降水井深度，m；

HW1——基坑深度，取7.2m；

HW2——降水水位距離基坑底要求的深度，取1m；

HW3——水力坡度作用基坑中心所需增加的深度，m。

由于基坑等效半徑r=50m，按照降水井分布周圍的水力坡度i為1/10～1/15，如降水井需影響到基坑中心，所需的降水管井深度HW3=r×i，為5～3.3m，取HW3=5.0m；

HW4——降水期間地下水位幅度變化。根據(jù)地質(zhì)資料，HW4取3m；

HW5——降水井過濾器的工作長度，取3.0m；

HW6——沉砂管長度，取5.5m。

最終，HW=7.2+1+5+3+3+2.5=21.7(m)，取HW=22m。

c.含水層厚度

H=含水土層厚度之和=1.6+5.6+

2.0+8.5=17.7(m)

(3)

3.3.3 降水參數(shù)計算

降水管井采用直徑400mm的無砂混凝土管。

a.加權(quán)平均滲透系數(shù)

k=∑kh/∑H=(1.6×3+5.6×300+2×2+

8.5×300)×10-6/17.7=2.4×10-4(cm/s)=

0.21(m/d)

b.降水影響半徑

其中，S為基坑水位降深，S=7.2+1-0.2=8(m)。

c.涌水量

因為管井深度大于含水層厚度，管井穿透整個含水層，按照完整井基坑涌水量計算，計算公式如下：

(4)

其中，H=17.7m，S=8m，r=50m，R=30m，k=0.21m/d。

計算得Q總=308.05m3/d。

單個管井涌水量計算公式如下：

(5)

其中，r井為管井半徑，r=0.04m。

計算得Q井=21.87m3/d。

3.4 管井布置及數(shù)量

根據(jù)地質(zhì)條件及地下水分析，管井降水主要目的是保證基坑邊坡的穩(wěn)定，同時預(yù)防局部產(chǎn)生滲水和流砂，確?；油练巾樌_挖。根據(jù)管井降水目的，管井布置和數(shù)量確定如下:

a.單個管井排水量小于等于單個管井涌水量，為保證整個基坑涌水量與排水量平衡，管井?dāng)?shù)量不少于：n=Q總/Q井=308.05/21.87=14.09(口)，取整為15口。

b.為保證基坑邊坡的穩(wěn)定，管井沿基坑周邊布置，布置間距不得大于30m，基坑周長620m，管井?dāng)?shù)量不少于620/30=20.67口，取整為21口。

基坑平均長度88m，平均寬度68m，僅沿基坑周邊設(shè)置管井基坑中間部位超出管井降水影響半徑，在基坑中間順?biāo)鞣较蛟O(shè)置不少于4口管井。

c.考慮常規(guī)水泵損壞時維修問題及降水不利影響因素，取1.25的富余系數(shù)，管井?dāng)?shù)量為(21+4)×1.25=31.25(口)，取整為32口。

實際施工過程中，綜合考慮局部不利地質(zhì)、土方開挖順序、開挖深度、施工便道布置、擬建建筑物位置等因素影響，管井并不是嚴(yán)格等距均勻布置。

按照土方開挖的先后順序布置管井，在基坑開挖后先施工的結(jié)構(gòu)物位置盡量不設(shè)置管井，避免因結(jié)構(gòu)施工而封井，減少管井的使用時間，避開結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)位置布置管井，可以盡可能的延長管井使用時間。遇到出水量大，水位降低效果不好的部位，可以適當(dāng)加密管井布置。遇到開挖深度小，地質(zhì)條件好的區(qū)域可以適當(dāng)加大管井間距。閘室、空箱段最先開始結(jié)構(gòu)施工，同時原始地表上有一條便道可作為土方運輸便道，因此閘室、空箱段區(qū)域可以不布置管井。內(nèi)河海漫段、內(nèi)河護(hù)坦段、外河消力池段、外河海漫段至少布置1口管井，確保基坑無滲水或管涌。管井實際布置平面圖如圖8所示。

圖8 管井實際布置平面圖

4 降排水施工工藝

本工程降排水施工分為三個階段，依次為：止水帷幕雙軸攪拌樁施工階段、管井成井及降排水階段、封井階段。

4.1 雙軸攪拌樁施工

水閘基坑止水帷幕采用單排φ700@900雙軸攪拌樁，樁長14m，共544根。根據(jù)試驗方案，確定水泥摻量為13%。雙軸攪拌樁的完成增大了外部地下水進(jìn)入基坑的滲徑，提高了管井降水效率。止水帷幕雙軸攪拌樁施工工藝流程圖如圖9所示。

圖9 止水帷幕雙軸攪拌樁施工工藝流程圖

4.2 管井成井及降排水施工

4.2.1 管井降水施工工藝流程

管井成井及降排水施工工藝流程為：井位放樣→護(hù)筒埋設(shè)→鉆孔→清孔→下井管→四周回填濾料→清除井內(nèi)泥砂→安裝潛水泵、排水管道→試抽水。

4.2.2 管井施工方法及技術(shù)措施

管井采用鉆孔法成孔，然后埋設(shè)無砂混凝土管井。無砂混凝土管井內(nèi)徑40cm，壁厚5cm，管井頂高出地面50cm，從管井頂至地面下150cm為普通混凝土管，管井底部一節(jié)(1m長度)為有底無孔普通混凝土管，管井中間部分為無砂混凝土管。井管外包裹二層鋼絲濾網(wǎng)，外側(cè)填10cm厚2～4mm粒徑粗黃砂濾料，井口1m處用黏土填實，防止地表水流入地下。

鉆孔成孔過程中利用水泵抽水下鉆頭，邊沖邊旋轉(zhuǎn)水槍頭。成孔孔徑700mm，成孔深度超過井底標(biāo)高1.0m以上。成孔后進(jìn)行清孔，合格后用細(xì)鋼絲繩兜底，各段井管依次連接緩慢下沉。上下節(jié)井管用四根30mm寬竹條沿井管周圍用10號鐵絲綁扎連接牢固。接頭處用200～300mm塑料薄膜扎緊，防止擠入泥砂淤塞井管。

每3m井管利用混凝土塊保護(hù)層保持垂直，使井置于孔中心，放到孔底后，井側(cè)濾料(粗砂)均勻連續(xù)填入，井底部位也填入濾料。井口高出地面0.5m以上，必要時孔口加蓋，防止泥砂或雜物掉入井內(nèi)。

4.2.3 分塊開挖明溝排水

基坑邊坡二級平臺設(shè)置300×300排水明溝和間隔50m設(shè)置500×500集水井，排水明溝坡度0.02%。

對開挖區(qū)按照10m×20m的區(qū)格進(jìn)行劃分，測量放樣后，挖機沿區(qū)格邊線開挖1.5m×1m明溝。明溝開挖后通過集水井將明溝內(nèi)逐漸增加的滲出水量泵至圍堰以外，以降低基坑開挖區(qū)域淺層土體濕度，提高承載力。

4.3 管井封堵施工

隨著水閘基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)施工，逐步對停止降水的管井進(jìn)行封井。降水管井下部填砂土或砂礫，土或砂礫用水封密實，上部2m用C20混凝土填封，上口與墊層混凝土齊平。

5 降水效果與工程造價

5.1 管井水位監(jiān)測

從止水帷幕雙軸攪拌樁開始施工至閘室底板墊層澆筑期間實際降排水施工工期為106天。由于本工程各部位管井成孔及降排水時間間隔長，以本工程水閘閘室、空箱部位附近的1號管井、7號管井及13號管井降排水監(jiān)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行統(tǒng)計分析，到閘室底板墊層澆筑止，記錄降水天數(shù)共計49天，各管井降水水位圖如圖10所示。

圖10 管井降水水位圖

圖中各管井水位出現(xiàn)的突變點，主要是由于受現(xiàn)場施工環(huán)境影響，管井中水泵未能作業(yè)導(dǎo)致水位突然上升。根據(jù)各管井線性趨勢，管井水位呈下降趨勢，地下水位低于-5m。

5.2 降排水工程造價

本工程在原施工臨時降排水措施基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，去掉了輕型井點降水，提高了降水效率，縮短了降排水施工工期，實際工程造價較原方案有較大幅度的下降。

6 結(jié) 語

針對典型工程，在地下水位埋深淺、基坑開挖深度大的工況下對基坑降排水方法、優(yōu)化方案和施工工藝進(jìn)行了分析總結(jié)，結(jié)論如下：

a.實踐表明輕型井點降水不適宜地下水穩(wěn)定水位高的地質(zhì)條件。對于開挖深度大、地下水埋深淺、土層滲透系數(shù)較大的工程宜采用管井降水方案。在進(jìn)行管井降排水設(shè)計時，根據(jù)地質(zhì)條件、土層的滲透系數(shù)、開挖深度條件確定降水的深度、管井深度和計算涌水量。再根據(jù)工程特點，確定管井布置原則和數(shù)量，結(jié)合現(xiàn)場開挖順序和運輸便道合理布置管井位置和數(shù)量。

b.由于土層地質(zhì)條件的復(fù)雜性，有關(guān)計算參數(shù)取值是否正確將影響井點系統(tǒng)涌水量計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時，在實際布置井點位置時，受到現(xiàn)場施工情況，地質(zhì)條件等因素影響，井點很難完全按照理論計算設(shè)計布置。

c.降水實踐中要實時搜集現(xiàn)場信息，以理論計算為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場實際降水效果，優(yōu)化降水方案，從而逐步提高降排水施工技術(shù)。文中案例通過調(diào)直開挖邊線和取消輕型井點降水的優(yōu)化措施提高了降水效率，縮短了降排水施工工期，降低了工程造價。