真空疏干与井点降水技术在工程中的应用

真空疏干与井点降水技术在工程中的应用 摘 要 本文结合杭州地铁闸弄口车站深基坑工程降水施工中遇到的实际问题，阐述真空疏干与井点复合降水技术在地铁深基坑工程中的应用。该技术应用在具有典型性的砂质粉土 + 粉砂夹层 + 淤泥质粘土的地质构造中具有实际意义。 关键词 基坑工程；真空疏干降水；轻型井点降水；滞水层 杭州地铁闸弄口站属钱塘江冲海积平原地貌单元，基土以 2 6 层砂质粉土和淤泥质粉质粘土为主，按其水文地质特性，场地开挖范围内的地下水类为孔隙潜水和孔隙承压水。孔隙性潜水主要赋存于粉土、粉砂中，由大气降水和地表水径流补给，排泄方式主要为蒸发，潜水与地表水体也有较强的水力联系。勘探期间实测场地浅部地下水位埋深为 1.02.0 m（杭州市年平均高水位离地表面约 0.50 m1.0 m）。工程区承压含水层主要分布于深部的 2 层圆砾中，水量较丰富。经实测， 2 圆砾层承压水头埋深在地表下 9.1m，相应高程为 -4.00m。 此类地铁基础施工难度就在于水的控制，基坑的积水过多将严重影响基坑的施工安全和工程进度及质量。经实际施工发现，在砂质粉土和淤泥质粉质粘土中间存在滞水现象，不易排出。这一滞水带的渗流水给开挖施工带来极大地不便，严重影响了施工进度。因此，在地铁基坑，尤其是含水丰富地区的地铁基坑施工中必须采取合理有效的方法减少基坑内及周围土体中积水。1. 真空疏干与井点复合降水技术原理 基坑开挖前，先在基坑内钻孔安置真空疏干降水井 , 在基坑开挖施工前一个月埋设一定数量的滤水管（井），在基坑开挖前和开挖过程中，利用真空原理，不断抽取地下水，使井管内的地下水抽汲到地面，而且在滤管附近和土层深处产生较高的真空度，即形成负压区。井点周围的地下水位下降，形成降水曲线，从而使大面积原有地下水位的降低，并且在工作过程当中要保持每天h连续抽水,使地下水位降低到垫层底以下 1m 并使降落曲线保持稳定。由于在地表下 14m 处有着 30-50cm 厚的淤泥质黏土夹层，该夹层具有含水量大、压缩性高、强度低、透水性差等特点。这一夹层形成滞水层，滞水层中的水难以利用真空疏干法排出。采用轻型井点降水法可以有效的将滞水层中的水抽排掉，同时真空降水连续不间断作业。待井点降水管内无水时，再进行开挖。利用真空疏干与井点复合降水技术可以有效的完成类似地质深基坑降水，保证了工程质量和进度。2 真空疏干与井点复合降水井设计2.1 真空疏干井的数量 根据我公司在地铁工程的降水施工经验，在以淤泥质粘土为主的潜水含水层中，真空单井有效抽水面积 a井在 150 200m2之间，本次降水真空单井有效抽水面积取 180m2。n=A/a井 =3864/180=21.46（取整 22） 式中：n 井数 ( 口 )； A 基坑降水面积 (m2)； a井 单井有效抽水面积 (m2)； 实际施工设计 23 孔井 22，满足使用要求。2.2 真空疏干井深度 设计井深由下式确定：式中： H= H1+ H2+ H3+ H4+ H5+ H6 式中： H降水井深度； H1基坑深度（m），本基坑深度 17.0m； H2降水后要求水位距离基坑底的距离（m），本次降水要求不小于 0.5m，取 1m； H3 ；i 为水力坡度，在降水井分布范围内为 1/101/15，r0 为降水井排间距的 1/2（m），取 0.75m； H4降水期间地下水位的变化幅度，取 0m； H5过滤器工作部分长度（m），取 3m； H6沉淀管长度，设计 0m。 故H=17+1+0.75+3=21.75m 实际施工设计井深 23m21.75m，满足使用要求2.3 真空疏干井设计验算 由于基坑内地下水主要为第四系松散类孔隙潜水和孔隙承压水，深部为基岩裂隙水，地下水情况复杂，所以分条状基坑潜水完整井和条状基坑承压水完整井两种方式验算 假设本基坑降水井类型属于条状基坑潜水完整井，可按下式计算： 基坑出水量计算公式为： Q=LK （H 2 - h 2） /R= 1 8 1 . 2 1 . 3 6 （ 2 3 2 - 9 2 ）/10=11040.1536（m3/d） 式中Q基坑出水量（m3/d） H潜水含水层厚度（m）取23m h抽水前与抽水时含水层厚度的平均值（m）取 9m L条状基坑长度 （m）取181.2m K垂直渗透系数（m/d）取1.36m R影响半径（m）取 10m 单个降水井出水量计算 : q= ld 2 4 / =ld24/100=934024/100=734.4m3/d q管井出水能力（m3/d） d 过 滤 器 外 径（mm） 取340mm 与含水层渗透系数有关经验系数取 100 l过滤器淹没段长度（m）取 9m 需要降水井数量： n=1.1Q/q=16.54（取17孔）实际降水井数量 23 孔，保证了基坑在雨季或个别水泵维修过程的降水效果。 假设本基坑降水井类型属于条状基坑承压水完整井，可按下式计算： 基坑出水量计算公式为 Q=2LKMS/R=2181.21.3613.916.5/10=12331.46（m3/d） 式中Q基坑出水量（m3/d） S基坑设计水位降深值（m）取 M承压含水层厚度（m）取13.9m L条状基坑长度 （m）取181.2m K垂直渗透系数（m/d）取1.36m/d R影响半径（m） 需 要 降 水 井 数 量：n=1.1Q/q=18.47 孔（取 19 孔）实际降水井数量 23 孔，满足规范要求。2.4 轻型井点管深计算 待排水20d后进行基坑开挖作业，对于砂质粉土层效果明显，当开挖至淤泥质粘土滞水层时，真空疏干降水法不能满足施工要求。进而采用井点降水，井点的平面布置为环状井点，井点管至坑壁不小于 1.0m，防局部发生漏气。高程布置，根据井点的埋设深度H（不包括滤管）,可根据下式确定: HH1 hIL（m） 式中：H1井管埋设面至基坑底的距离； h基坑中心处底面至降低后地下水位的距离，一般为 1.5 1.0m； I地下水降落坡度，环状井点1/10； L井点管至基坑中心的水平距离。 H 3m+1.5m+1/1010m 同时还应考虑井点管一般要露出面 0.2m 左右，所以 H 取 6m。无论在任何情况下，滤管必须插至滞水层内，为了充分利用抽吸能力，总管的布置尽量接近地下水位线，这样事先应挖槽，水泵轴心标高宜与总管平行或略低于总管，总管应具有 0.25 0.5% 坡度（坡向泵层），各段总管与滤管最好分别设在同一水平面，不宜高低悬殊。3 真空管井结构与井点复合降水应用 真空管井用于降低深基坑地下潜水，井底位于底板下 6m，井管采用无砂混凝土管和钢管，无砂混凝土管的内 径 为 280mm， 外 径 340mm， 为进水滤管，外包两层 70-100 目的尼龙网，空隙率不小于 15%，底部封死；钢管直径为 275mm；滤料从井底向上至滤水管顶端以上 1.00m 范围内滤料为直径 0.15 2.5mm 的沙砾混合滤料围填，滤料选用也根据被保护土层的颗粒组成选定，可根据下式确定： D15（4 5）d15 式中 D15- 滤料的粒径，小于该粒径的颗粒占总重的 15%； d15- 被保护土壤颗粒粒径，小于该粒径的颗粒占总重的 15%； d85- 天然土壤颗粒粒径，小于该粒径的颗粒占总重的 85%。 洁净级配良好的中粗砂均可直接作滤料使用。成井时为确保出水通畅，井管四周滤料必须均匀。 真空管井深度为 23m 于开挖线以下 6m。其结构如真空管井抽水工作示意图如图 1 所示。 轻型井点降水设备主要包括井点管 ( 下端为滤管 )、集水总管和抽水设备等。井点管采用 606 长 6.0m 无缝钢管。管下端配 1.5m 滤管，滤管采用与井点管同直径钢管，井点管和滤管之间连接钢制管箍，与集水总管连接用耐压胶管，滤管钻梅花孔，直径mm， 距 15mm， 外 包 尼 龙 网（100目）五层，钢丝网二层，外缠 20# 镀锌铁丝，间距 10mm。集水总管为内100 127mm 的无缝钢管，每节长m，其间用橡皮套管连结，并用钢箍接紧，以防漏水，总管上装有与井点管联结的短接头，间距 0.8m 1.2m。每套抽水设备有真空泵一台，每套井点降水设备带 60 根井点降水管。 轻型井点降水的布置，当基坑宽度小于 6m，且降水深度不超过 6m 时，可采用单排井点；当基坑面积较大时，宜采用环形井点，挖土设备进出通道处，可不封闭，间距可达 4m。环形井点结构布置如图 2 所示 .轻型井点降水施工工艺程序是：放线定位铺设总管冲孔安装井点管、填砂砾滤料、上部填黏土密封用弯联管将井点管与总管接通开动真空泵排气、抽水测量观测井中地下水位变化。4 真空疏干与井点复合降水效果分析及几点体会 采用上述的真空疏干与井点复合降水技术，已顺利完成基坑开挖；通过监测数据表明基坑变形及周边地表沉降较小，地下管线、公路面、周围建筑均正常。 通过对地铁基坑真空疏干与井点复合降水施工谈几点体会。 4.1 降水系统安装要严密，防止漏气。经常检查真空度，检查管路系统有无漏气，及时排除隐患。还应检查井点管，适当控制抽水量或离心泵的真空度。在开挖基坑时，真空疏干降水用最大的抽水量或真空度运行；在垫层完成后，可适当调减抽水量或调小真空度，使基坑外的降水曲面尽可能控制在较小的范围内，但要在坑内、外设置水位观测井，及时控制水位。 4.2 井点泵系统和集水总管地面应夯实整平，以防止沉降引起井点系统故障，漏气等缺陷。 4.3 弯联管最好使用透明的塑料管,能随时观测到抽水的状况。 4.4 保证连续不断地进行抽水，避免由于间断抽汲导致滤网管堵塞，影响降落曲线的稳定。 4.5 水位降低的区域构筑物受其影响而可能产生的沉降，并应做好沉降观测，必要时应采取防护措施。必要时采取回灌方法消除地面沉陷现象。在降水井管与建筑物、管线、路面间设置回灌井点，持续用水回灌，补充该处的地下水，使降水井点的影响半径不超过回灌井点的范围， 防止回灌井点外侧建筑物地下水的流失，使地下水保持基本不变。回灌水宜采用清水，以免阻塞井点，回灌水量和压力大小，均须通过计算，并通过对观测井的观测加以调整，既要保持起隔水屏幕的作用，又要防止回灌水外溢而影响基坑内正常作业。回灌井点的滤管部分，应从地下水位以上.5m 处开始直至井管底部。也可采用与降水井点管相同的构造，但须保证成孔和灌砂的质量。回灌与降水井点之间应保持一定距离，一般应不少于 6 m，防止降水、回灌两进“相通”，起动和停止应同步。回灌井点的埋设深度应根据透水层深度来决定，保证基坑的施工安全和回灌效果。 总之，在地铁深基坑工程施工中，该技术应用在具有典型性的砂质粉土+ 粉砂夹层 + 淤泥质粘土的地质构造中具有实际意义。相对于其它的降水措施，在条件允许的情况下，采用真空疏干与井点复合降水可以高成效、低投入完成深基坑降水作业。