深基坑軟土地層真空降水施工技術(shù)

施玉梅

工程界習(xí)慣上將開挖深度超過6 m的基坑稱為深基坑。對于開挖軟土地層中的深基坑來講,由于軟土“高含水量、低透水性、高壓縮、低強(qiáng)度”的特性,降水作業(yè)一直是困擾深基坑施工的重點(diǎn)和難點(diǎn),本文以武漢地鐵站為例,系統(tǒng)地介紹了深基坑軟土地層真空深井降水的施工方法和技術(shù)。

1 工程概況

1)地理位置及工程規(guī)模。武漢地鐵站為地下2層島式臺站,車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ 1 000 mm鉆孔樁+φ 600 mm高壓旋噴樁,車站總長236.6 m,寬度20.8 m～27.4 m,總占地面積 11 400 m2。其中,第一期開工的 C區(qū)長度為 119 m,平均寬22.0 m,平均深16.8 m,東端盾構(gòu)到達(dá)區(qū)最大寬度27.4 m,最大深度19.6 m。

2)工程地質(zhì)條件。根據(jù)地質(zhì)勘察報告,本車站34.6 m以上的地質(zhì)主要為長江故道地層沉積而成,從下向上依次為粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉質(zhì)黏土、淤泥和雜填土,地鐵站底板處在飽和的粉質(zhì)黏土夾粉砂之中,此地層低滲透、高含水、低強(qiáng)度,具有明顯的觸變和流變特征,為典型的軟土土層。

3)水文地質(zhì)條件。工程范圍內(nèi)的地下水主要表現(xiàn)為上層滯水和弱承壓水。上層滯水主要存在于人工填土中,水位不連續(xù),無統(tǒng)一的自由水面,主要接受地表水與大氣降水補(bǔ)給,水量較小。弱承壓水主要存在于粉質(zhì)黏土夾粉砂和粉砂層之中,與長江水力聯(lián)系,水量可觀。本工程地下水位在地面下8.5 m。

2 基坑降水設(shè)計

2.1 降水方式的選擇

由于地鐵站底板下面的地層為飽和粉質(zhì)黏土夾粉砂層,滲透系數(shù)較小(k=0.7 m/d),為保證降水效果采用真空降水,將軟土中的自由水充分“壓出”匯集深井當(dāng)中,再由深井泵將水抽出,以達(dá)到基坑降水和排水固結(jié)的目的。

2.2 基坑涌水量計算

基坑采用明挖法施工,流入基坑的滲水量與土的種類、滲透系數(shù)、水頭以及坑底面積等有關(guān),按大井法計算涌水量:

其中,k為土的滲透系數(shù),通過查《建筑施工計算手冊》得k=為抽水前坑底以上的水位高度,19.6-8.5=11.1 m;s為抽水時坑內(nèi)水位下降值,11.1+3=14.1 m(注:降水面在基坑底下3 m);R為抽水影響半徑,m0為基坑底面至不透水層的深度,到灰?guī)r取15 m;r0為引用(假想)半徑,r0=1.12×(22+119)/4=39.48 m;b/a=22/119=0.185,b為基坑寬度,a為基坑長度,查表得 η=1.12。

2.3 降水井深度計算

其中,H基坑為基坑深度;h1為降水面距坑底安全距離,取3 m;I為降水曲線坡度,取1/5;L1為井點(diǎn)管中心到基坑中心的水平距離,取6.5 m;L為濾水管有效長度,取2.5 m;m為沉淀管長度,取1 m。

2.4 計算單口井流量

其中,L為濾管有效長度,取2.5 m;r為井口半徑,取0.3m;k為滲透系數(shù),同上取1.6 m/d,即0.000 018 518 m/s。

2.5 確定降水井?dāng)?shù)量

總井?dāng)?shù)=1.1Q/q=1.1×1 511.43/116.80=14.3口。

考慮施工方便對稱布置,故在C區(qū)布置16口降水井,見圖1。

3 真空降水過程

3.1 施工工藝流程

真空降水施工工藝流程為:計算基坑涌水量→降水井設(shè)計布置→測量定位→成孔→安裝井管→填濾料→洗井→安裝水泵和真空泵→試驗性抽水→降水工作→降水任務(wù)完成→拆除降水井→退場。

3.2 真空降水井施工

1)測量定位:根據(jù)降水井平面布置圖,測量定出每個管井準(zhǔn)確位置,鉆機(jī)按井點(diǎn)位置精確就位。2)成孔:采用WP-100型潛挖式干鉆機(jī)成孔,成孔垂直偏差控制在1%內(nèi),鉆孔孔深比設(shè)計井深深0.5 m,井底回填粒徑為3mm～15 mm的碎石過濾層,厚0.5 m。3)安裝井管:井管采用φ 273 mm鋼管制作,加工成3 m的管節(jié),管節(jié)間用法蘭盤連接。井管最底部為沉淀管,長度約為1 m,底口用鋼板焊接封死,向上為濾管,長度約為3.5 m,再向上為普通井管并根據(jù)地層水文情況間隔設(shè)置濾管。井管下放采用起重機(jī)吊裝就位,法蘭盤增設(shè)皮墊,一定要壓緊。4)填濾料:井管放入井內(nèi)后,及時在井管與孔壁間填充粒徑為3 mm～8 mm瓜子石加粗砂濾料,濾料符合級配要求,雜質(zhì)含量不大于3%,用人工持鐵鍬沿井口周邊均勻下料,分層填充,以防止造成偏壓或沖擊井管。5)洗井:潛水泵洗井,直至抽出清水為止。洗井在下完井管、填好濾料、封口后8 h內(nèi)進(jìn)行,避免時間過長,護(hù)壁泥皮逐漸老化,難以破壞,影響滲水效果。6)安裝水泵和真空泵:先安裝水泵,安裝前檢查電機(jī)和泵體,確認(rèn)完好后方可安裝。然后再安裝真空泵,施工過程中必須保證各連接部位可靠密封,確認(rèn)不漏氣。

3.3 降水施工過程管理

1)降水在基坑開挖前一個月進(jìn)行,直到基坑開挖至設(shè)計深度,底板澆筑完畢,混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%時方可停止。2)開始降水時,地下水量很大,可以不用真空泵,直接按正常的深井降水,抽水一周后,深井出水量變小時,在井內(nèi)實(shí)行真空負(fù)壓降水。3)安排人員兩班倒,日夜值班,進(jìn)行降水操作和水位觀測并做好數(shù)據(jù)記錄。4)根據(jù)觀測井的水位情況和真空表的數(shù)值控制真空泵抽吸力度,保證系統(tǒng)有足夠的真空度。5)井點(diǎn)隨基坑開挖深度的加深逐步分節(jié)拆除,最后底板澆筑完成后,混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%進(jìn)行封井,封井方法見圖2。

3.4 真空降水監(jiān)測

1)降水勘察期和降水檢驗前各井測一次自然水位。2)抽水開始后,在水位未達(dá)到設(shè)計降水深度以前,每天觀測3次水位、水量。3)當(dāng)水位已達(dá)到設(shè)計降水深度,且趨于穩(wěn)定時,則每天觀測1次;雨季時,觀測次數(shù)每日2次～3次。4)對水位、水量監(jiān)測記錄及時整理,繪制水量Q與時間t和水位降深值S與時間t過程曲線圖,分析水位水量下降趨勢,預(yù)測設(shè)計降水深度要求所需時間。5)根據(jù)水位、水量觀測記錄,查明降水過程中的不正常狀況及其產(chǎn)生的原因,及時提出調(diào)整補(bǔ)充措施,確保達(dá)到降水深度。

4 結(jié)語

武漢地鐵站采用“真空深井降水”,是將大氣壓強(qiáng)的真空原理運(yùn)用到深井降水中,利用真空泵抽出井內(nèi)空氣形成負(fù)壓,將軟土層中的自由水充分“壓出”匯集于深井當(dāng)中,再由深井泵將水抽出,在較短的時間內(nèi)降低了地下水位,達(dá)到了基坑降水和土體排水固結(jié)以及開挖面穩(wěn)定基坑安全的目的。此方法采用干式鉆機(jī)成孔,井點(diǎn)抽水安裝方便、維護(hù)簡單、機(jī)具可倒用,費(fèi)用和能耗較低,便于土體開挖和運(yùn)輸,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]江正榮.建筑施工計算手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[2]夏才初,李永盛.地下工程測試?yán)碚撆c監(jiān)測技術(shù)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2000.

[3]李長捷.深基坑降水設(shè)計方案研究[J].山西建筑,2008,34(11):136-137.