輕型井點降水在黃大鐵路橋梁基坑開挖中的運用

李世勝

該文以中鐵十六局建設黃大鐵路時在中高水位粉砂型地層基坑開挖過程中所出現(xiàn)的特殊情況為例，對橋基開挖中采用真空輕型井點降水技術及方法進行了探討。詳細闡述了輕型井點降水系統(tǒng)的井點設計、布置技術及其應用與實現(xiàn)方法，用它所獲得的優(yōu)異的降水能力表明，在地下水位較高、降水深度較淺的粉砂型地層基坑施工時，有效地克服了過程中邊坡土體塌陷的現(xiàn)象，滿足了經(jīng)濟性、安全性和工期進度的要求。

一、工程概況

本工程處于第四系沖積海陸交互沉積層的濱海沖積平原，地表水較發(fā)育，地下水為第四系潛水，地下水位埋深0.3～2.5m，補給主要靠大氣降水，地下水水質比較復雜，以礦化度較高的咸水為主。橋基設計為承臺基礎，并使用鉆孔灌注樁，橋墩設計為圓端狀的實體墩，樁的直徑有1.0m、1.25m、1.50m三個形式，樁長在40～55m，共有承臺232個，承臺尺寸最大為9.6＊10.4m，基坑開挖深度在2.95～4.72m，墩身高度在5.5～13m。在承臺施工過程中，因為受到地下水的干擾，基坑施工時不能實現(xiàn)直接開挖，所以需要通過對地下水進行降水來實現(xiàn)安全施工基坑的目的。

二、地下水處理方案的確定

該工程承臺基坑原設計為采用鋼筋混凝土套箱進行截水，但此地下水處理方法施工成本高昂，施工時間較長，加上過程中容易造成環(huán)境污染，使得成本控制變得更加困難，而輕型井點降水使用的設備少、管理簡單、施工較快、成本較低，考慮到項目提質增效，提出了輕型井點降水的方式。環(huán)狀輕型井點降水方式是根據(jù)基坑試掘成果和對周圍地下土層的分析，結合其他工程施工實際，先將地下水降低至承臺基坑底部0.5m以下，再按1∶0.3的坡度放坡進行地基開挖而制定的。這樣降低了土層孔隙水壓，也防止了地基土壤的液化，地下水降水標高也符合地基開挖時施工的條件，同時減少了基坑土方的開挖量。根據(jù)計算結果，該工程在開挖基礎上采用一級井點降水。

三、輕型井點方案設計

1. 確定井點管的平面布置

由于基坑的平面形狀和需要降水深度的差異，井點管的平面布置也各有不同。以該工程中淄東鐵路立交特大橋30#墩基坑為例，其承臺尺寸為6.3＊10.1＊3.5m，基坑挖深約為4.3m，地下水位埋深約0.5m。降水采用環(huán)狀井點，管路布置在基坑坡腳外l.8m，施工后的基坑頂面尺寸為9.9＊13.7，井點管距坑邊0.5m，坑底外側預留0.5m的支?？臻g，按照10.9m×14.7m的平面尺寸將井點管布置一周。一級輕型井點系統(tǒng)可將總管和井點管的安裝控制在同一個水準面上，可按非完整輕型井點管進行無壓力狀態(tài)下的設計與計算。

2. 確定井點管的埋設深度

確定井點管的埋設深度H時的計算公式如下：

3. 基坑地下涌水量計算

根底地質勘探情況本工程所處地區(qū)地下水為無壓潛水，以30#墩基坑為例，承臺底面距離地表4.3m，地下水位埋深0.5m，含水層比較厚，以無壓非完整性井點計算實際涌水量：

其中Q為基坑總涌水量，k為滲透系數(shù)，查水文資料表可知粉砂型地層取最大值。H0為抽水作用深度，S為水位降低高度，R為井點抽水的影響半徑，x0為環(huán)狀井點的假定半徑，r 為井點管的半徑，l 為過濾管的長度，h0為降水后水位至不透水層的高度。

抽水影響深度H0的計算：水位降低值計算根據(jù)計算的結果查第2版《實用建筑施工手冊》第879頁的表格，可知系數(shù)是1.85

在假定基坑半徑時，由于該坑長寬比為13.7/9.9=1.38＜5，所以可將其假定為一個x0半徑的圓井來進行估算

由于h0要遠大于r和l，故在計算中r和l能忽視，將各個數(shù)據(jù)代入涌水量計算公式得：

4. 確定井點管數(shù)量及間距

基坑的地下水總涌水量計算完成之后，再計算單根井點管的出水量來確定井點管的個數(shù)，然后根據(jù)井點管在基坑邊緣的布置周長來計算井點管的埋設間距。

四、輕型井點降水的實施

1. 降水機具的選擇

井點降水系統(tǒng)一般由井點管（下端為濾管）、連接管道、總集水管道、真空泵機組等裝置組成。

井點管選用直徑Φ48×3.5mm的鋼管，按照計算結果，鋼管長7m，其中井點管5.7m，濾管1.3m，濾管上用電鉆開Φ15～18mm呈梅花形排列的滲水孔，其孔間距要求為30～40mm，孔隙比應超過20%。濾管外第1層采用30目尼龍細濾網(wǎng)，最外側第2層采用10目尼龍粗濾網(wǎng)，管壁用鐵絲與濾網(wǎng)螺旋狀纏繞。為了避免泥沙進入管路，將濾管下部用圓木塞封堵。

連接管道使用Φ50 mm的透明塑膠軟管，每井點配管一根，以便觀察出水情況。埋設井點管的孔洞可用高壓沖水管沖擊砂層的方法成孔，高壓沖水管的管徑60mm，長度宜大于井點管1～1.5m。

集水總管道可使用Φ100mm的鋼管，每節(jié)段2m，各節(jié)段間用三通異徑接頭連接，接頭處設置膠墊，防止漏氣。

采用一臺總功率為7.5kw的PJ-80型的真空泵機組（由真空泵、離心式水泵、水氣分離裝置等組成）進行抽水。根據(jù)調查，每臺泵的降水效率在該粉砂型地層中為15m3/h，根據(jù)計算總涌水量222.3m3/d=9.3m3/h，可滿足降水需要，另準備同樣一臺備用。

2. 井點降水施工工藝流程

按照布置圖對承臺基坑開挖頂面放線，然后井點降水系統(tǒng)施工，每套井點降水設施均由真空泵機組一臺，集水總管一根，井點管及其連接管組成。其工藝流程為：井點管位置定位→沖擊土層成孔→埋井點管→灌中粗砂礫→將上部用黏土密封→集水總管安裝→井點管與總管相連→真空泵機組裝配→抽水試運轉→系統(tǒng)啟動工作→施工完畢停止工作→裝置拆卸。井點系統(tǒng)平面布置如下：

圖1 井點系統(tǒng)平面布置

3. 井點降水施工工藝實施

先按照平面布置圖定位井點孔孔位，然后用Φ100mm的洛陽鏟人工挖深約40cm，孔徑200mm的圓孔，以便在沖擊孔時回收余水和安裝時灌砂使用。用直徑60mm的高壓鍍鋅鋼管制成的水槍來完成沖孔，內部水壓控制在0.25～0.5MPa，并通過左右上下擺動法沖擊砂土，使成孔直徑控制在100～150mm范圍內。高壓水槍下降到規(guī)定的深度后（井點管底以下約1～1.5m），將沖水管上提1m～2m，反復沖一遍，沖孔完成后取出沖孔水槍，并迅速將準備好的井點管插入沖擊成的孔中，接著將中粗砂礫灌至地面以下1m位置，在地面以下1米范圍內用黏土封住孔洞，所有井點孔的沖孔均按此方式依次完成，沖孔方向應垂直，口徑上下一致，井點管宜放置在井孔中央，濾管不得嵌入泥沙中。

井點管的埋設完成后進行集水總管安裝，總管的鋪設應在井點管外側50 cm的位置，總管與總管之間采用異徑三通管連接，需保證安裝氣密性。采用透明塑膠管連接集水總管和井點水管，接頭位置用密封膠封死，防止漏氣。

管道設備接通完畢后，首先啟動真空泵試運行，將管道內的空氣抽空使其成為真空體系，這時地下水和土壤中的氣體在真空吸力的影響下被抽進集水罐內，將氣流經(jīng)真空泵排出，使集水罐內有足夠多的水，當觀測到管道系統(tǒng)的真空值超過了550mm水銀柱后，再啟動離心式泵進行抽水，出水管上連接的橡膠管把抽出的水引至既有排水道排出。在使用輕型井點降水設備時，需要不間斷地連續(xù)抽水，必須準備一臺發(fā)電機來應對突然停電對井點管運行的影響。如停電現(xiàn)象發(fā)生，則將發(fā)電機啟動來給設備供電，否則降水工作停止會造成地基涌水或邊坡的坍塌。井點降水裝置埋設見圖2。

圖2 井點降水裝置埋設圖

降水過程中，在承臺中央位置用Φ100mm的洛陽鏟挖探坑以判斷降水是否達到了工程設計的高度。如降水達到預定深度即可進行承臺開挖，開挖后按承臺施工方案的要求進行承臺的施工。承臺模板拆除時降水不能停歇，降水井點繼續(xù)工作直到承臺基坑回填結束。

五、降水的質量控制

輕型井點降水特點是初始水量大且渾濁，然后水量變小、變清，針對井點降水從提出到設計實施成功的過程中，有幾個質量控制要點，據(jù)此制定了實施對策。

當突然發(fā)生堵塞管，敲打、振動等都無法使之恢復正常工作時，切斷井點管與總管的聯(lián)系，用人工或水泵加以疏導，如仍無法恢復正常，則為了不影響井點系統(tǒng)的真空度，需將該處井點封閉，并在相鄰位置加設新井點，以保證無堵塞管的現(xiàn)象發(fā)生。

井點管與總管中間接頭管的密封性較差，有水氣泄漏情況的，可用封口膠重新封閉中間接頭，并使主管和井點管中間的軟管成松弛狀，以避免因水泵振動而再次把封口膠給震開。

如果出現(xiàn)連接管道斷裂，應及時對其修復，視具體情況無法修復的，也可先將降水工作停止，更換毀壞了的連接管道，將時間保持在0.5h以內，以免地下水位再次升高造成邊坡坍塌等問題。

在井點降水裝置作業(yè)的全過程中，對井點的降水作業(yè)是否順利，都派專人進行了觀測，對降水裝置進行了防護。管路運行有無滲漏或井點有無堵管等現(xiàn)象，是檢查管理工作的重點，做到發(fā)現(xiàn)一起，及時維修處置一起，為開挖橋梁基坑創(chuàng)造更好的環(huán)境條件。井點設備工作時，做好基坑邊坡的防護，觀察基坑四周土體的穩(wěn)定性，基坑四周不準堆放材料和機械設備等，坡頂設置截流槽，避免雨水進入基坑。

最后，通過實地水位監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析后得出：經(jīng)過井點系統(tǒng)不間斷的工作35h后已經(jīng)達到了原設計地下水位降至基坑底以下0.5m的目的，過程中地下水位最大可降至基坑底以下0.9m，正?？删S持在基坑底以下0.65m，完全滿足基坑施工要求。

六、結語分析

通過對本工程232個承臺基坑的降水實施，輕型井點降水在粉砂型地層中的降水效果尤其突出，實施的基坑邊坡更加穩(wěn)固，有效地處理了承臺基坑降排水和施工過程中基坑涌流、邊坡坍塌等問題，實現(xiàn)了預定目的，使我們認識問題、剖析問題、解決問題的水平又有了較大的提升。根據(jù)計算，每個承臺混凝土套箱施工成本為2.15萬元，而井點降水成本平均為0.8萬元，和設計套箱法相比較，井點降水方法可使每個承臺能夠有效節(jié)約成本1.35萬元，本工程232個承臺共可節(jié)約成本313.2萬元，而且每個承臺都可節(jié)約工作2天，從而產生了良好的經(jīng)濟效果和社會效益，并能夠指導在同類基礎地層中其他工程的建設，有很高的應用價值。