井點降水在高地下水位基坑工程中的應用

李建光

(中鐵三局集團有限公司運輸工程分公司，山西晉中 030600)

1 工程概況

某高速鐵路城際客運專線地貌主要為沖洪積平原、剝蝕平原、濱海平原、丘陵低山區等。橋址區表覆第四系全新統沖洪積層(Qal+pl4)粉質粘土、粉、細、中、粗砂，下伏基巖為晚元古代晉寧期片麻狀含斑二長花崗巖(ηγ23)。地下水類型主要為第四系孔隙潛水，一般不具承壓性，砂層為主要含水層，受大氣降水補給。地下水位埋深0.6 m～6 m，水位季節性變幅1.0 m～3.0 m。

工程共有334個承臺，承臺開挖深度3.0 m～4.0 m。由于本工程地下水位較高、水量較大并有流砂且承臺均位于地下水位以下，開挖難度很大，部分承臺需采取井點降水等輔助施工措施。

2 降水方案選擇

人工降低地下水，常用的方法有輕型井點、噴射井點、電滲井點、管井井點等。降水方案的選擇應根據土層性質、滲透系數、工程特點等，對各種方法進行綜合對比分析后確定。

2.1 輕型井點

輕型井點(一級輕型井點)是國內應用很廣的降水方法，它比其他井點系統施工簡單、安全、經濟，特別適用于基坑面積不大，降低水位不深的場合。該方法降低水位深度一般在3 m～6 m之間。若要求降水深度大于6 m，理論上可以采用多級井點系統，但要求基坑四周外需要足夠的空間，以便于放坡或挖槽。這對于場地受限的基坑支護工程一般是不允許的，故常用的是一級輕型井點系統。輕型井點適用的土層滲透系數為0.1 m/d～50 m/d。當土層滲透系數偏小時，需要采用在井點管頂部用粘土封填和保證井點系統各連接部位的氣密性等措施，以提高整個井點系統的真空度，才能達到良好的效果。

2.2 噴射井點

噴射井點降水深度大，但造價高昂，運行故障率高;它適用的土層滲透系數與輕型井點一樣，一般為0.1 m/d～50 m/d。但其抽水系統和噴射井管很復雜，運行故障率較高，且能量損耗很大，所需費用比其他井點法要高。

2.3 電滲井點

電滲井點主要在淤泥和淤泥黏土中使用電滲井點，適用于滲透系數很小的細顆粒土，如黏土、亞黏土、淤泥和淤泥質黏土等。這些土的滲透系數小于0.1 m/d，用一般井點很難達到降水目的。它需要與輕型井點或噴射井點結合使用，其降低水位深度決定于輕型井點或噴射井點，施工繁瑣。

2.4 管井井點

管井井點適用于滲透系數大的砂礫層，地下水豐富的地層，以及輕型井點不易解決的場合。每口管井出水流量可達到50 m3/h～100 m3/h，土的滲透系數在20 m/d～200 m/d范圍內。降低地下水位深度約3 m～5 m。這種方法一般用于潛水層降水。

由于本工程基坑降水深度較小，基坑上層地質多以粉土、粘土、細砂、中砂為主。經討論從常用的降水方法當中選出兩種作為預定備選方案，即輕型井點降水和管井降水。

3 井點降水設計

3.1 輕型井點設計

以該工程一特大橋8號承臺為例，承臺尺寸為10.4 m×4.8 m× 2.2 m，承臺底埋深3.0 m，現場試挖地下水埋深0.6 m，根據地質資料顯示:上層12 m細砂為主要含水層，下層為6 m亞粘土，以下為片麻狀花崗巖。

1)井點系統布置。根據承臺基礎地質情況和平面形狀，輕型井點選用環形布置。基坑上口平面尺寸為12.4 m×6.8 m，布置環形井點。總管距基坑邊緣1 m，承臺邊距便道較窄，靠近施工便道側不考慮布置井點，總管長度L=13.4×2+7.8=34.6 m。

水位要求降低值:根據《巖土工程勘察規范》［1］中第7.3.4條中“施工中地下水位應保持在基坑底面下0.5 m～1.5 m”的規定，結合已有工程經驗，取0.7 m。S=3.3－0.6+0.7=3.4 m，一級輕型井點降水，井點管的埋置深度(總管平臺面至井點管下口，不包括濾管)為3.3+0.7=4.0 m，直徑51 mm，濾管長1 m，井點管及濾管長5.0 m，由于考慮現有井點管標準長度為6 m，采用6 m長井點管。

2)基坑涌水量計算:

其中，K為土的滲透系數，根據附近工地施工經驗K=5 m/d; H為含水層厚度，取12－0.6=11.4 m;S為基坑中心水位降低值，取3.4 m;R為抽水影響半徑，R=2S=51.3 m;r0為基坑等效半徑，r0=0.29(a+b)=5.0 m。

其中，rs為濾管半徑，取0.025 m;l為濾管長度，取1 m;K為滲透系數，取5 m/d。

計算井點管最大出水量q=16.1 m3/d。

井點管的最少根數n，根據井點系統涌水量Q和單根井點管最大出水量q計算，計算公式如下:

計算得到基坑涌水量Q=428.4 m3。

3)計算井點數量和井距。單根井點管最大出水量q，根據土的滲透系數、濾管的構造尺寸按下式計算:

其中，1.1為備用系數，考慮井點管堵塞等因素。n=26.6，取27根井點管。

井點管間距D根據下式計算:

其中，L為井點管布置總長度。

計算得到井點管間距D=1.3 m，沿基坑外1 m處環形布置。

4)設備選型。根據涌水量、滲透系數、井點數量與間距以及施工經驗，選用7.5 kW臥式柱塞往復式真空泵。

3.2 管井降水設計

以該工程一特大橋10號承臺為例，承臺尺寸10.4 m×4.8 m× 2.2 m，承臺底埋深3.0 m，現場試挖地下水埋深0.6 m。根據地質資料顯示自上而下依次為:①細砂，厚3.0 m;②粉質粘土，厚2.0 m;③細砂，厚6.6 m;④片麻狀花崗巖。

1)降水井深度H:

其中，H為管井的埋置深度，m;H1為井點管埋設面距坑底面距離，取H1=3.0 m;h為基坑中央最深挖掘面至降水曲線最高點的安全距離，h=0.5 m;L為井點管中心至基坑中心的短邊距離，取6.2 m;i為降水曲線坡度，取0.1;l1為濾管有效長度，取1.0 m; l2為井托高度，取0.2 m;計算得出:H=5.32 m，取6 m。

2)基坑涌水量計算:

其中，K為土的滲透系數，根據附近工地經驗，K=8 m/d;H為含水層厚度，取11 m;S為基坑中心水位降低值，取3.4 m;R為抽水影響半徑，R=2S=63.8 m;r0為基坑等效半徑，r0= 0.29(a+b)=5.0 m。

計算得到基坑涌水量Q=607.0 m3。

3)降水井點數量:

4)降水平面布置。

抽水管井位于基坑東西兩側，每側布置3根，井間距4.0 m。

5)根據以上計算，10號承臺基坑管井降水設計如下:井深: 6 m;井徑:600 mm;井數:6眼;井管:φ320 mm PVC管，井壁管每40 cm設置一道過濾孔;濾料:礫料(米石);水泵:采用揚程大于10 m的潛水泵抽水，水泵下入深度為5 m。

4 方案實施

由于本工程線路較長，大中橋梁分布比較分散，通過研究施工設計圖地質資料，結合線路現場實際工程地質特點，經分析討論后決定選擇兩座典型橋梁的高水位基坑開挖，分別采用輕型井點和管井降水進行試驗性施工。

4.1 輕型井點降水施工

輕型井點系統的安裝順序:測量定位→敷設集水管→沖孔→沉放井點管→填濾料→用彎聯管將井點管與集水總管相連→安裝抽水設備→試抽。井點管埋設采用沖鉆孔法:選用直徑為60 mm的沖水管沖孔，人工鉆孔后再沉放井點管，沖孔水壓采用0.6 MPa～1.2 MPa。所有井點管在地面以下0.5 m～1.0 m的深度內，用黏土填實以防漏氣。井點管埋設完畢，應接通總管與抽水設備進行試抽，檢查有無漏氣、淤塞等異常現象。輕型井點使用時，應保證連續不斷地抽水。正常出水規律是“先大后小，先渾后清”。在降水過程中，要對降低區域內的構筑物檢查有無沉陷現象，發現沉陷或水平位移過大，應及時采用防護技術措施。

4.2 管井降水施工

工序流程:確定井位→鉆機安裝就位→鉆進成孔→清孔換漿→安裝井管→充填濾料→下入水泵抽排降水。1)測放井位。根據井位平面布置示意圖測放井位，當布設的井點受地面障礙物或施工條件的影響時，現場可作適當調整。2)埋設護口管。護口管底口應插入原狀土層中，管外應用粘性土和草辮子填實封嚴，防止施工時管外返漿，護口管上部應高出地面0.5 m。3)安裝鉆機。采用循環鉆機成孔。機臺安裝穩固水平，對準孔中心。4)鉆進成孔。降水井開孔孔徑經反復計算確定，一徑到底。鉆進開孔時鉆機慢轉，以保證開孔鉆進的垂直度，成孔施工采用泥漿護壁，當提升鉆具或停工時，孔內必須壓滿泥漿，防止孔壁坍塌。5)清孔換漿。鉆孔鉆進至設計標高后，在提鉆前將鉆桿提至離孔底0.5 m，進行沖孔清除孔內雜物，同時調整孔內的泥漿密度，孔底沉淤小于30 cm，返出的泥漿內不含泥塊為止。6)下井管。下管前必須測量孔深，孔深符合設計要求后，開始下井管，下管時在濾水管上下兩端各設一套直徑小于孔徑5 cm的扶正器(找正器)，以保證濾水管能居中，下到設計深度后，井口固定居中。7)填礫料。填礫料前在井管內下入鉆桿至離孔底0.3 m～0.5 m，井管上口加悶頭密封后，按設計要求填入礫料，并隨填隨測填礫料的高度，直至礫料下入預定位置為止。8)安泵試抽。在降水井內及時下入潛水泵試抽水。9)降水井運行排水系統。從降水井抽出來的水由分管匯集到主管到達沉淀池，經沉淀后再排放。10)設置坑外水位觀測井。根據設計要求及現場需要，環繞基坑設置坑外水位觀測井。水位觀測井施工工藝同降水井。

5 實施效果比較

對該工程一特大橋5號～7號承臺基坑采用輕型井點降水試驗，連續抽水3 d～4 d后，通過觀察井和出水情況判斷，降水基本到位。但在基坑開挖過程中，基坑壁存在坍塌，基坑底有流砂等現象，施工中還需采取在坑底開挖集水井抽水及堆碼砂袋等輔助措施。通過采用增加井管數量、延長降水時間等措施，上述問題仍未得到徹底解決。現場綜合分析后得出降水方案與挖土和基坑圍護方案不相匹配，因基坑南北兩側靠近征地紅線，且基坑便道側過車不能布設降水管，施工作業面也較窄，基坑開挖過程中井點管頂部有擾動影響降水，甚至破壞降水設備，造成地下水降低后回升。且施工現場無動力線，機電設備故障或動力能源不能滿足降水設備運轉的需要，時抽時停，濾網易堵塞，降水效果不明顯。

對該工程另一特大橋10號～11號承臺基坑采用管井降水試驗，連續抽水3 d后進行基坑開挖，開挖出的土體基本處于干燥狀態，說明管井降水對本地區砂土類基坑疏干的效果較好，且濾水管采用了耐壓PVC管，可重復利用，降低了成本。

輕型井點降水對真空度及設備持續正常運轉要求較高，本著安全、經濟、可靠的原則，通過試驗比較對本工程沿海高地下水位砂土地層基坑開挖最終采用了管井降水措施。該方案操作簡單，對設備、場地等要求較低，施工安全、簡便、可靠。在施工過程中針對每個基坑進行驗算并結合實際情況，對管井數量、布置方式、計算參數取值等進行不斷完善修正，通過此方法施工的基坑取得了良好效果。

6 結語

高地下水位的基坑降水工程設計，根據土層的滲透系數，要求降水的深度和工程特點，經過技術、經濟和可行性等比較后并結合一定的施工經驗確定降水實踐中采用管井降水措施，通過試驗驗證降水效果，進一步優化降水設計的施工方案取得較好效果。

［1］ GB 50021-2009，巖土工程勘察規范［S］.

［2］ JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規程［S］.