超深管井降水技術淺析

2020-03-18 03:23:16叱清俊

山西建筑 2020年3期

叱清俊

(中鐵隧道局集團有限公司中原指揮部，湖北武漢 430000)

1 降水工法的選擇及適用條件

基坑施工中，為避免產生流砂、管涌及坑底突涌，防止土體坍塌，保證施工安全，當基坑開挖深度內存在飽和軟土層及下部含水對基坑底板產生影響時，需要采用合適的降低地下水位的方法進行降水。具體工法適用條件如表1，圖1所示。

表1 降水工法選擇及適用條件

綜上，滲透系數小于1×10－9m/s的地層屬于不透水地層，除工程特殊需要外，通常不會選擇降排水措施;對于滲透系數介于1×10－9m/s和 2×10－6m/s之間的地層屬于弱透水地層，可選明排、輕型井點降水工法;滲透系數大于1×10－8m/s以上，選用管井或砂礫滲井法，必要時可輔助于真空進行降水;因此管井深井降水工法在實際工程應用中最為廣泛，也最為有效。

圖1 降水工法選擇及滲透系數范圍

2 管井降水常用的經驗計算

管井降水，管井井點由濾水井管、吸水管和抽水機械等組成。管井井點設備較簡單，排水量大，降水較深，較輕型井點具有更大的降水效果，可代替多組輕型井點作用，水泵設在地面，易維護。管井埋設的深度和距離根據需降水面積、深度及滲透系數確定，一般間距10 m～50 m，最大埋深可達100 m。適用于滲透系數較大，地下水豐富的土層、砂層，含水層厚度大于5 m。但管井屬于重力排水范疇，吸程高度受到一定限制，要求滲透系數較大(1 m/d～200 m/d)。

2.1 管井降水概述及方案形成過程

通過抽水試驗的抽水量、水位降深與抽水延續時間的關系，運用穩定流非完整孔(井)理論，綜合分析取得滲透系數及影響半徑。抽水試驗方案應根據現場的測定條件、影響降水的因素及降水面對的支護結構或者具體工程的特點進行。一般通過單井降水和多井降水(群井降水)穩定流抽水試驗來取得含水層的參數，作為降水方案設計的輸入條件，確定降水方案(見圖2)。

圖2 降水方案的形成

2.2 常用的經驗計算

2.2.1 單井抽水試驗確定水文地質參數

以潛水單井非完整井為例，如圖3所示。

1)影響半徑R的確定:

a.潛水，一個觀測孔:

其中，R為影響半徑，m;sw為抽水井孔內水位降深，m;H為至過濾器底部的含水層厚度，m，靜止水位至管底高差;rw為管井半徑，m;r1，r2均為抽水井至觀測井距離，m;s1，s2均為觀測井內水位降深，m。

圖3 潛水單井非完整井示意圖

c.s和lg(r)的曲線交會法(見圖4)。

圖4 曲線交會法

2)滲透系數k的確定(如圖5所示)。

其中，Q為單井抽水平均出水量，m3/d;R為影響半徑，m;r為管井半徑，m;H1為至過濾器底部的含水層厚度，m，靜止水位至管底高差;s為抽水井孔內水位降深，m。

2.2.2 多井抽水試驗確定水文地質參數

以潛水非完整井穩定流為例，如圖6所示。

滲透系數“k”的確定:

1)潛水，一個觀測孔:

圖5 滲透系數k的確定

2)潛水，兩個觀測孔:

其中，Q為抽水出水量，m3/d;rw為管井半徑，m;r1，r2均為抽水井至觀測井距離，m;H為抽水井孔內水位至潛水層底部的距離(m)或潛水層厚度—抽水井降深;h1，h2均為觀測井內動水位高度，m;ξ0，ξ1，ξ2均為補充阻力系數，可查表取得。

圖6 潛水非完整井穩定流示意圖

2.2.3 降水井數量確定

1)群井按大井簡化的均質含水層潛水非完整井的基坑降水總涌水量Q值計算(如圖7所示):

其中，H0為靜止水位厚度，m;R為影響半徑，m;k為含水層滲透系數，m/d;l為過濾器進水部分的長度，m;r0為雙排降水管井間距的一半，m;h為基坑動水位至含水層底面的深度，m。

圖7 群井均質含水層潛水非完整井示意圖

2)降水井單井流量q0計算:

其中，rs為過濾器半徑，m;l為過濾器進水部分的長度，m;k為含水層滲透系數，m/d。

3)降水井數量n計算:

2.2.4 降水井井深Hw計算

其中，H1為基坑深度，m;H2為降低水位距離基底要求，一般以1 m為宜;H3為水力坡度，m;H4為水位變化幅度，一般以1.5 m為宜;H5為過濾管長度，大于3 m;H6為沉淀管長度，一般以2 m為宜。

3 洛陽地鐵2號線九博區間風井基坑降水設計與施工

3.1 工程概況

九都西路站—博物館站區間風井，位于牡丹大橋(解放路)與濱河南路交叉口西南象限地塊內，沿牡丹橋西側南北向布置(區間風井平面示意圖如圖8所示)。區間風井西南側為規劃的文博體育公園，北側為牡丹橋立交及洛河，東北側為中國國花園。區間風井起點里程為右DK14+494.799，區間風井中心里程為右 DK14+505.000，區間風井終點里程為右DK14+515.201。風井主體采用單柱雙跨四層鋼筋混凝土箱型框架結構。區間風井主體結構長20.4 m，寬 23.9 m，基坑深 31.53 m。開挖范圍的土層主要為:雜填土、黃土狀黏質粉土、卵石等;基底處的土層主要為卵石。區間風井采用明挖法施工，主體圍護結構采用地連墻+內支撐的支護型式。

圖8 區間風井平面示意圖

3.2 工程地質條件

九都西路站—博物館站區間風井，位于九都西路站—博物館站區間，沿解放路路西敷設。風井處于解放路西側及附近地塊內。風井場地平坦，地面標高在141.90 m～142.13 m之間。區間風井場地地貌屬伊洛河一級階地地貌。

本區間風井層主要有第四系全新統人工堆積層(Q4ml)雜填土，第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)黃土狀黏質粉土、卵石，第四系上更新統沖洪積物(Q3al+pl)卵石。地層現從新到老詳細分述如下:

第①1層雜填土(Qm4l):褐黃色，稍密。堆填時間大于5年，物質成分以黏性土為主，含少量建筑垃圾及三七灰土墊層，偶見卵石及小礫石。回填經碾壓，稍密狀，均勻性一般。主要為路基填土，局部區域頂部為厚10 cm～40 cm(瀝青)混凝土地面。層底標高131.68 m～141.97 m，層底埋深0.60 m～10.2 m，層厚 0.60 m～10.2 m，平均厚度3.64 m。

第②3－1層黃土狀黏質粉土(Qa4l+pl):分布于卵石層上部，場地除洛河外，廣泛分布填土下部。黃褐色，稍濕，稍密，含銹黃色斑點及灰黑色錳質斑點，局部含植物根系，孔隙較發育。該層粉土搖震反應中等，干強度低，韌性低，無光澤。壓縮系數 a1－2=0.14 MPa－1～ 0.49 MPa－1，平均值為 0.29 MPa－1，屬中壓縮性土。層底標高為 131.37 m～137.06 m，層底埋深 1.40 m～7.9 m，層厚 1.0 m～6.5 m，平均厚度2.56 m。

第②6-3層卵石(Q4al+pl):分布于全場地，雜色，中密，局部稍密，稍濕～飽和，級配一般，粒徑以2 cm～10 cm為主，最大粒徑可達40 cm，多呈亞圓形，磨圓度中等，分選性差，卵石成分主要為砂巖、石英巖、安山巖、玄武巖等，一般為微風化，少量為強風化～中風化，卵石含量約為50%～60%，填隙物砂、礫砂為主，次為黏性土，局部夾有粉質黏土薄層。層底標高 99.00 m～112.68 m，層底埋深 26.40 m～36.50 m，層厚 21.00 m～35.80 m，平均厚度 26.81 m。超重型動力觸探試驗經桿長修正后平均值N/120=10.7擊。

勘察發現基坑內最大漂石長約43 cm。在基坑中采取②6-3層漂石和卵石樣分布進行巖石飽和抗壓強度試驗和卵石的點荷載試驗。現場基坑深度約11 m，經現場估算，坑內漂石(d≥20 cm)含量約為8%～10%。

第③9－4層卵石(Qal+pl3):分布于全場地，雜色，密實，飽和，級配一般，粒徑以2 cm～10 cm為主，最大粒徑可達40 cm，多呈亞圓形，磨圓度中等，分選性差，卵石成分主要為砂巖、石英巖、安山巖、玄武巖等，一般為微風化，少量為強風化～中風化，卵石含量約為50%～60%，填隙物砂、礫砂為主，次為黏性土，局部夾有粉質黏土薄層。揭露層底標高85.37 m～108.16 m，揭露層底埋深 32.00 m～53.00 m，揭露層厚 1.00 m～23.60 m，平均揭露厚度 10.11 m。超重型動力觸探試驗經桿長修正后平均值N/120=15.4擊。

3.3 水文地質條件

九都西路站(不含)—牡丹大道站、劉富村車輛段及出入線局部屬伊洛河一級階地(含河床及漫灘地貌)，為孔隙潛水分布區。孔隙潛水主要賦存于上更新統及全新統砂卵石地層中，屬潛水，該含水層厚度、巖性有所差異，其富水性差異也較大，富水程度也有所不同，主要為極強富水地層和極富水地層。本場地九都西路站～博物館站區間位于該區域，根據富水性分區圖，淺層地下水極豐富。

2017年10月～12月詳勘期間根據鉆探揭露，九都西路站—博物館站區間地下水埋深在0 m～11.91 m之間，相應高程為 128.54 m～133.91 m，年變幅1 m～3 m。場地地下水為孔隙潛水，主要賦存于②6-3和③9－4層的卵石層中，含水層的厚度大于50 m。洛河水面工程蓄水期間線路水面高程約133.9 m(2017年7月～8月)，河床標高約130 m～130.5 m。洛河水面工程于1999年開始興建，河底未做硬化處理，河底淤泥沉積時間短且較薄，不具有隔水性。洛河水面工程每年4月～6月蓄水，7月初～9月底放水。蓄水期間洛河水位高于地下水位，洛河水補給地下水，枯水期地下水將補給洛河水。

線路沿線地下水位的變化與地形變化相吻合，其主要補給方式有大氣降水入滲、河流水側滲、水渠滲漏、灌溉回滲等方式，主要排泄方式為開采排泄、蒸發排泄、側向徑流排泄。收集洛陽地區施工降水資料，結合《河南省主要城市環境地質調查評價報告(洛陽市)》(河南省地質調查院，2009.11)，提供各土層滲透系數見表2。

表2 各土層滲透系數表

3.4 基坑涌水量測算

中深井降水基坑出水量計算可根據地下水類型、補給條件，降水井的完整性以及基坑面積、形狀、降水深度、布井方式等因素，綜合選擇計算公式來進行計算。

區間風井主體基坑挖深31.53 m～32.38 m。降水設計采用疏干降水思路進行設計，初始水頭標高取131.0 m，設計目標動水位標取107.74 m，水位降取23.26 m。

基坑出水量計算采用“大井”法潛水非完整井方式進行計算。

基坑涌水量估算結果見表3。

表3 基坑涌水量估算結果

3.5 降水井數量計算

根據水文地質勘察結果，取干擾井群單井出水量根據公式計算:

其中，r=136.5 mm;k=130 m/d;l=11.5 m，計算得 q=2 996.3 m3/d。

根據前期博物館站基坑降水成果，單井實際出水量取1 920 m3/d是合理可靠的，則需降水井數量為:

其中，1.1為安全系數。計算時采用完全敞開式降水公式計算，計算得N=52.8口，因實際工況存在地下連續墻，對潛水有繞流作用，經天漢降水軟件模擬計算后，實際需要38口降水井就能將場地地下水水位降低至安全水位;基坑內14口，基坑外24口，故降水井共38口。

3.6 降水井結構設計

降水井井身結構系依據降水地段地質巖性構成、水文地質條件、鉆孔工藝、施工要求及有關規范規定設計。管井深度與過濾管安裝深度以開采含水層(段)的埋深、厚度、滲透性、富水性及其出水能力等因素來綜合確定，其孔徑和井管管徑則按反濾層厚度，排水含砂量要求及安泵深度，泵型決定，綜合考慮上述因素，降水井結構設計如下。

井深可根據以下公式確定: