超大深基坑SVD降水及自動化控制技術

摘 要：滲透系數極低的沿海地區淤泥質軟土降水問題是一個深基坑施工難題。文章以寧波樞紐改造工程超大深基坑降水工程為例，詳細介紹了超強真空降水技術（SVD）和降壓井運營風險自動控制系統。通過這兩項核心技術的應用，成功解決了淤泥質軟土基坑降水難、效率低的問題，大大降低了降承壓水的運營風險。

關鍵詞：深基坑；降水技術；SVD降水；自動化控制

1 工程概況

寧波樞紐改建工程是集鐵路、軌道交通、公交客運三種交通方式于一體的“立體零換乘”綜合客運交通樞紐工程，地鐵2號線南北向下穿寧波鐵路站中心，與寧波鐵路站一體共建，深基坑分鐵路站和地鐵站兩級基坑。基坑長276m，寬124m，深22～24.084m，開挖總面積35000m2。

基坑位于寧波南站，既有杭深鐵路正線（雙線）通過便橋上跨基坑，在施工過程中，要保證正常運營；周邊有各種商業建筑和管線。基坑內各種工程樁及便橋支撐樁等地基結構相互交織，各工序施工干擾大。

2 工程及水文地質

2.1 工程地質

東部沿海地區屬典型的軟土地基，具有高含水量、高壓縮性、強度低、流變、觸變性大等特點，穩定性差。影響基坑開挖范圍內有15個工程地質亞層，構成為：填土、粘土、淤泥質粘土等；顏色呈灰色、灰綠色、灰黃色；性狀為流塑～軟塑，局部硬塑；多數層厚2.5～3.5，局部層厚4.0～9.5m。

2.2 水文地質

場地范圍內與工程有關的地下水分為松散巖類孔隙潛水和孔隙承壓水兩類。

（1）孔隙潛水主要賦存于表部填土和粘土、淤泥質土層中，水量較大，滲透系數在1.0×10-8～4.07×10-9m/s之間。水位動態變幅一般在0.5～1.0m之間。（2）孔隙承壓水賦存于3種地層中：淺層③1層粉質粘土層、中層⑥2層砂質粉土層和深部⑧層粉砂、細砂層的承壓含水層。含水層厚度一般3～5m，局部10～18m；水位穩定，動態變化不明顯，基本不流動，滲透系數在4.2×10-8～1.5×10-6m/s。

3 降水目的及降水范圍

3.1 降水目的

根據本工程的基坑開挖要求，本方案設計降水目的為：（1）降低坑內土體含水量，方便機械在坑內作業；（2）提高土體強度，減少圍護結構變形，防止坑外地表過量沉降；（3）降低（微）承壓水水頭高度，防止基坑底部突涌的發生。

3.2 降水范圍

根據本工程圍護設計說明，通過基坑抗突涌性驗算降水范圍及水位控制高度如下：

（1）③1層承壓含水層層頂埋深取12.0m，臨界開挖深度為5.77m，即當基坑開挖深度大于5.77m時，需要對該層卸壓；由于③1層微承壓水已被圍護隔斷，以坑內疏干降水為主。（2）⑥2層承壓含水層的層頂埋深取37.5m，臨界開挖深度為15.68m，基坑開挖至此標高時需進行降水卸壓。（3）⑧層承壓含水層頂埋深取51.0m，臨界開挖深度為22.58m，只有北端頭井的開挖深度約為24.084m，大于22.58m，需要考慮對該層卸壓。

4 降水方案設計

4.1 降水方案的確定

負壓真空降水技術可提高排水效率及降水效果，但一般真空管井的真空度最高可達0.06MPa，對分多層開挖深基坑，上層基坑開挖后，過濾器的暴露導致真空度的損失，一般僅能維持在0.04MPa，對于滲透系數極小的淤泥質粘土效果也不明顯。

本工程采用的超強真空降水技術（SVD）彌補了一般的真空管井真空度難以保證的缺陷。該技術采用特殊的分離式氣密性濾水管結構，形成高于0.08MPa的持續性負壓真空，同時，在地下工程施工過程中，無論降水井如何暴露，內管始終處于密封狀體，可以始終保持高真空度的負壓真空。根據試驗與實踐統計，采用超強真空降水工藝后，不同的土層中單井出水量都有較大幅度的提高，特別是粘土地層提高的效果更顯著，具體效果比較可見表1。

4.2 疏干井設計

根據JGJ/T111-98《建筑與市政降水工程技術規范》，結合（SVD）高效降水技術特點及該工程所處地層情況，該基坑疏干井間距定為15m～16m，單井抽水面積取200m2。坑內疏干井布置數量見表2：

表2 坑內疏干（聯合）井布置理論與實際布置數量

另外，考慮降水漏斗的形成，疏干井深度一般比開挖面深約6m～7m。本工程側翼的開挖深度約為9.05～9.65m，疏干井的深度設計為17.00m，井號為J1～J28。主體基坑南端頭井基坑的開挖深度約為24.084m，坑內SVD井的深度設計為31.00m，井號為SVD71～SVD81；北端頭井及標準段的開挖深度約為21.2～22.0m，坑內SVD井的深度設計為29.00m，井號為SVD29～SVD45，SVD55～SVD70。⑤夾層粘質粉土分布區SVD井的深度設計為33.00m，井號SVD46～SVD54。

4.3 護坡潛水降水井設計

為防止土體滑坡，在二級坡的坡腳設潛水降水井，間距約為25.0m，深度為15.0m，數量為25口，編號為G1～G25。

4.4 降壓井設計

地下連續墻插入⑥2層約1.5～3.5m，對該層采用坑內降水；北端頭井圍護深度為46.0m，小于承壓含水層⑧層層頂埋深（51.0m），對該層采用坑外降水。對⑥2層、⑧層減壓降水進行估算。根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-99）基坑涌水量公式算得如下結果。

（1）⑥2層承壓含水層基坑總涌水量約為236.3m3/d，單井出水量按13m3/d，理論布置數量為18.1口，增加3口備用兼觀測井，實際布置減壓井21口，編號為Y1～Y21，降壓井深度設計為45.00m，濾水管的長度為7.0m。（2）北端頭井⑧層承壓含水層基坑總涌水量約為3122.5m3/d，單井出水量按1000m3/d，降壓井理論布置數為3口，增加1口備用兼觀測井，實際布置4口，編號為Y8-1～Y8-4，降壓井深度設計為58.00m，濾水管的長度為7.0m。

為了確保降水工程的安全合理性，需要做現場抽水試驗以獲取必要的水文地質參數來復核理論計算結果。對不合理之處做出必要的調整，優化降水方案。

5 設計要求與驗收標準

5.1 設計要求

（1）井壁管采用外徑φ273mm焊接鋼管；（2）濾水管的直徑與井壁管的直徑相同，管外包一層30～40目的尼龍網；（3）沉淀管接在濾水管底部，直徑與濾水管相同，管長1.00m，底口用鐵板封死；（4）降水井口應高于地面以上0.30m左右，周邊采用優質粘土堵塞密封，深度不小于2.00m；（5）濾料填于濾水管的周圍，高度為從井底向上至過濾器頂部以上2.0～5.0m，材料為中粗砂。

5.2 質量驗收標準

（1）井身偏差：井身應圓正，井的頂角及方位角不能突變，井身頂角傾斜度不能超過1度。（2）井管安裝誤差：井管應安裝在井的中心，上口保持水平。井管與井深的尺寸偏差不得超過全長的正負千分之二；（3）井水含砂量：抽水穩定后，井水含砂量不得超過兩萬分之一（體積比）；（4）井中水位降深：在抽水穩定后，井中的水位處于安全水位以下。

6 承壓水降水自動化運行及風險控制系統

根據本工程降水的難度與風險，我們成功研發了一套“降壓井運營風險控制系統”，該系統針對降承壓水風險采取了一系列針對性自動控制措施，具有創新性，且在相關工程中得到了實踐運行。該系統的主要功能和組成有。

6.1 雙電源智能化切換系統

該系統能夠做到“市電”和“發電機”間智能切換。當市電出現缺相、電壓低、斷電等情況，ATS智能切換柜能夠對發電機發出指令并自動啟動發電機供電，當市電恢復正常能夠自動判別并恢復市電供電。

6.2 現場報警系統

（1）水位異常報警系統。報警器設置于各個降壓井井口，出現水位異常超過設定預警值時，發出報警信號，提醒現場管理人員及時察覺抽水異常情況，及時采取相應措施。（2）斷電報警系統。斷電報警系統通過在電路上安裝報警器，在斷電時報警器進行報警通知現場工人及時進行電路檢修或切換電路，同時通過GPRS系統通知管理人員。

6.3 備用井自動開啟系統

本系統通過與自動化水位采集與監測系統相結合，在監測到備用井水位出現異常時，及時發送相應的指令控制備用井自動啟動，降低了降壓風險。

6.4 水位自動化采集與監測系統

應用先進的水位自動化采集儀結合高精度的振弦式水位采集傳感器采集水位，可以在設定的時間間隔內自動地觀測、采集觀測井中的水位數據，并繪成圖形。通過圖形化的顯示窗口可以直觀地察覺到抽水井的動水位變化情況，快速地判斷出現異常的因素。

6.5 水位遠程傳輸及監控系統

水位自動化采集系統將采集的數據生成適于遠程傳輸的文件，連接有線網絡或者GPRS將文件發送到遠端的客戶機。客戶機通過配套軟件讀取文件，并將文件中的數據實時記錄下來，同樣地進行圖形化顯示。該系統的應用，降低了勞動強度，利于管理人員及時發現抽水運營風險并及時采取相應的應急措施。

7 成井施工工藝

7.1 鉆孔工作

選用8QZJ-400及GPS-10型工程鉆機及其配套設備，鉆徑φ600mm。成孔時采用反循環回轉鉆進泥漿護壁的成孔工藝。

（1）準備工作。包括：測放井位、埋設護口管、安裝鉆機等工作。護口管底口應插入原狀土層中，護口管上部應高出地面0.1～0.3m，管外用粘性土或草辮子封嚴。（2）鉆進成孔。開孔孔徑為φ600mm，鉆進開孔時應吊緊大鉤鋼絲繩，輕壓慢轉，以保證開孔鉆進的垂直度，鉆進過程中泥漿密度控制在1.10～1.15。（3）清孔換漿。鉆孔至設計標高后，將鉆頭提至離孔底0.50m進行沖孔，并將孔內泥漿密度調至1.10，孔底沉淤小于30cm，待返出的泥漿內不含泥塊為止。（4）井管檢查。井管進場后，首先應檢查過濾器的縫隙是否符合設計要求。其次要檢查井管焊接是否牢固、焊縫均勻，無砂眼，焊縫堆高不小于6mm。（5）下放井管。測量孔深、逐根丈量濾水管并記錄。在濾水管上下兩端各設一套直徑小于孔徑5cm的扶正器，扶正器采用梯形鐵環，上下部扶正器鐵環應1/2錯開。（6）埋填濾料。填濾料前，將孔內的泥漿密度逐步調到1.05，然后開小泵量，隨填隨測濾料高度，直至預定位置為止。

7.2 洗井工作

分不同階段分別利用井管內的鉆桿、活塞和空壓機抽水洗井，吹出管底沉淤，直到水清不含砂為止。洗井完畢后下泵試抽，試抽成功，代表該井成孔完畢，可以投入使用。

8 降水運行

本基坑地下墻圍護未隔斷⑧層、⑥2部分隔斷，降水將會對坑外環境產生一定影響，降水過程中應及時監測水位變化情況，采取沉降控制技術措施：

（1）基坑內的疏干井降水應在基坑開挖前20天進行抽水，做到及時降低基坑中開挖范圍內土體中的地下水位；（2）做好基坑內的明排水系統，保證開挖時遇降雨能及時將積水抽干；（3）采用信息化施工，全天24小時值班，對觀測井水位、周邊地面、鄰近建（構）物位移進行監測，發現問題及時處理；（4）對SVD井采用不割管搭設平臺固定的保護措施，持續加載真空負壓抽水，保證較好的疏干效果；（5）在不同開挖深度的工況階段，合理控制承壓水頭，在滿足基坑穩定性要求前提下，防止承壓水頭過度降低影響周邊環境，在距基坑較近的筑物一側設置幾口觀測井，必要時可以進行注水回灌；（6）降水結束提泵后，應及時將井注漿封閉，補好蓋板。

9 結束語

（1）在滲透系數較低的淤泥質沾土中采用SVD高效降水技術，不僅可以減少降水井的布設，而且降水效率高，降水效果良好，可以在類似工程中推廣應用。（2）通過降承壓水自動運行風險控制系統，在降低了勞動強度的同時，有效降低降了降水運行過程中風險。

參考文獻

[1]JGJ/T111-98.建筑與市政降水工程技術規范[S].

[2]GB50202-2002.建筑地基基礎工程施工質量驗收規范[S].

[3]JGJ120-99.建筑基坑支護技術規程[S].