富水砂礫地層基坑降水方案設(shè)計(jì)及施工

吳電強(qiáng)

中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司

1 工程概況

1.1 地下通道概況

地下通道由東向南呈直線型，橫穿既有道路下部，全長(zhǎng)1242m，設(shè)計(jì)里程K0+208～K0+480 長(zhǎng)度272m，K1+212～K1+450長(zhǎng)度238m段，采用U型槽結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度3.5m～9.45m，結(jié)構(gòu)寬度11.5m～13.5m，結(jié)構(gòu)底板埋深 2.5m～8.45m。設(shè)計(jì)里程K0+480～K1+212段采用直墻拱頂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度7.9m～8.6m，結(jié)構(gòu)寬度9.8m～13.45m，結(jié)構(gòu)底板埋深10.6m～108m，覆土厚度約2.6m。

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)區(qū)屬于松嫩平原，由于白堊紀(jì)以來(lái)緩慢的沉積作用，在巨厚的白堊系與第三系之上，經(jīng)嫩江及其支流的長(zhǎng)期泥沙沖擊堆積了很厚的第四紀(jì)松散物質(zhì)，第四系砂與砂礫石為主的松散堆積物，厚達(dá)148m。其表層多砂，砂礫石及局部砂土，透水性較強(qiáng)，又有嫩江及其支流發(fā)育其上，并與地下水聯(lián)通，因此承受降水、河水及外區(qū)潛水徑流補(bǔ)給，形成大面積水量相當(dāng)豐富的厚砂礫石孔隙潛水，富水亞區(qū)。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水屬于第四系孔隙潛水。含水層主要為細(xì)砂、圓礫層，②1、③1 粉質(zhì)黏土層起到相對(duì)隔水作用。

2 降水方案設(shè)計(jì)

本次方案含水層厚度按50m考慮，水位按降至基底以下1m控制。基坑涌水量計(jì)算采用解析法和數(shù)值法進(jìn)行分段計(jì)算，并對(duì)不同止水深度條件下的基坑涌水量進(jìn)行對(duì)比，確定最優(yōu)方案。

2.1 數(shù)值法計(jì)算基坑涌水量

（1）水文地質(zhì)概念模型。根據(jù)勘察資料，將場(chǎng)區(qū)在垂向上概化為4個(gè)模擬層，自上而下分別為：第1層為填土、雜填土、耕土；第2層為細(xì)砂層組成的潛水含水層；第3層為圓礫層組成的潛水含水層；第4層為砂層、中粗砂組成的潛水含水層。

（2）模型參數(shù)。地下水流數(shù)學(xué)模型涉及的模型參數(shù)主要為滲透系數(shù)（Kxx、Kyy、Kzz），其值的大小直接決定概念模型與實(shí)際水文地質(zhì)模型的擬合程度以及基坑涌水量預(yù)測(cè)的大小。本次結(jié)合地勘資料、地層經(jīng)驗(yàn)參數(shù)等，充分考慮地層的各向異性，模型參數(shù)取值如下。

（3）計(jì)算模型結(jié)果。根據(jù)模型分別計(jì)算一期里程（K0+208～K0+480）、（K1+212～K1+450），二期里程（K1+212～K1+450）分別在無(wú)鋼板樁條件下，分別圍護(hù)12m、18m和24m鋼板條件下，水位降深及基坑涌水量的數(shù)值，匯總結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)值法基坑涌水量計(jì)算結(jié)果匯總表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，有無(wú)鋼板樁圍護(hù)止水對(duì)比，采用鋼板樁圍護(hù)止水對(duì)水量減少效果不大。12m鋼板樁止水僅減小7000m3∕d，18m鋼板樁止水減小17000m3∕d～20000m3∕d，24m 鋼板樁止水減少效果好，可減少水量為 45000m3∕d～50000m3∕d。 綜合鋼板樁圍護(hù)下“坑內(nèi)降水”和“放坡開(kāi)挖”條件下“坑外降水”，兩種方式進(jìn)行對(duì)比分析，“放坡開(kāi)挖方式”，更適用于本項(xiàng)目。

2.2 解析法計(jì)算基坑涌水量

若隧道整體采用“放坡開(kāi)挖”形式，隧道中間局部采用樁支護(hù)，利用“大井法”求解。

（1）水位降深。勘察期間靜止水位埋深0.90m～2.50m，靜止水位標(biāo)高為141.43m～142.27m，最大變幅1m～2m。地面高程為144m，計(jì)算水位標(biāo)高取值地面埋深以下1m（水位標(biāo)高為143m）。

（2）基坑等效半徑。不同規(guī)范對(duì)于長(zhǎng)條形基坑等效半徑的規(guī)定略有不同，本次選擇不同規(guī)范對(duì)基坑等效半徑進(jìn)行分別計(jì)算，進(jìn)而求對(duì)應(yīng)的基坑涌水量，將計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 基坑總涌水量計(jì)算結(jié)果（單位：m3∕d）

2.3 數(shù)值法和解析法對(duì)比

根據(jù)以上章節(jié)數(shù)值法計(jì)算和解析法計(jì)算結(jié)果對(duì)比，解析法大于數(shù)值法，考慮解析法，概化含水層為一層，未考慮垂下滲透系數(shù)，并采用“大井法”簡(jiǎn)化計(jì)算，與實(shí)際存在一定差別。數(shù)值法計(jì)算考慮不同含水層滲透性，地層水平及垂直向滲透性，計(jì)算更加符合實(shí)際情況。本次降水設(shè)計(jì)采用更加符合實(shí)際的數(shù)值法計(jì)算結(jié)果。

3 降水井設(shè)計(jì)

3.1 單井涌水量

單井涌水量應(yīng)選擇群井抽水中水位干擾影響最大的井進(jìn)行計(jì)算。

場(chǎng)地圓礫層滲透系數(shù)達(dá)到180m∕d，中粗砂滲透系數(shù)達(dá)到80m∕d，整體含水層厚度50m，表中無(wú)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)外插法推算，α推測(cè)為9.02，過(guò)濾器長(zhǎng)度12m，外徑325mm。管井出水量計(jì)算得10400m3∕d。

現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，采用直徑325mm，18m 管井抽水，24h 主井1號(hào)、4 號(hào)單井抽水量達(dá)到 4583m3∕d、4123m3∕d，初始水位埋深1.56m、1.36m，主井水位降深6..02m、3.76m。依據(jù)地下水Q-S 曲線變化規(guī)律推測(cè)，最大單井出水量將達(dá)到至少8000 m3∕d。

綜合計(jì)算，及實(shí)際抽水情況，考慮群井抽水時(shí)，單井出水能力會(huì)大大減小，計(jì)算時(shí)取單井出水能力為5000m3∕d。

3.2 降水井?dāng)?shù)量

降水井的數(shù)量可根據(jù)基坑涌水量和設(shè)計(jì)單井出水量進(jìn)行計(jì)算。K0+208-K0+488 段設(shè) 34 口；K0+488～K1+210 段設(shè) 69 口；K1+210～K1+450段設(shè)27口，共計(jì)130口。

3.3 降水井結(jié)構(gòu)

（1）降水井深度。降水井的深度應(yīng)根據(jù)降水深度，含水層的埋藏分布、地下水類型，降水設(shè)備條件以及降水期間地下水位動(dòng)態(tài)等因素確定。降水井的深度可按下式確定：

式中：

HW——降水井深度（m）；

HW1——基坑深度（約12m，泵房約14m）；

HW2——降水水位距離基坑底部要求的深度（1m）；

HW3——ir0，i為水力坡度，在降水井分布范圍內(nèi)宜為1∕10～1∕15；

ir0——降水井分布范圍內(nèi)的等效半徑或降水井排間距的1∕2（取1m）；

HW4——降水期間的地下水位變幅（約1m）；

HW5——降水井過(guò)濾器工作長(zhǎng)度（取有效長(zhǎng)度9m）；

HW6——沉淀管長(zhǎng)度（1m）。

綜合基坑開(kāi)挖，單井設(shè)計(jì)出水量要求，降水井深度的設(shè)計(jì)為30m。

（2）降水井結(jié)構(gòu)。降水井結(jié)構(gòu)采用直徑325mm、壁厚4mm鋼管，下設(shè)1m沉淀管，濾料回填至初始地下水位。

4 降水施工

4.1 工藝流程

準(zhǔn)備工作→鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)→定位安裝→開(kāi)孔→下護(hù)筒→鉆進(jìn)成孔→沖孔換漿→下井管→稀釋泥漿→填砂→止水封孔→洗井→下泵抽水。

4.2 施工方法

施工機(jī)械設(shè)備選用GF-200 型工程鉆機(jī)及其配套設(shè)備。成孔時(shí)采用反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔工藝。

（1）鉆進(jìn)成孔：鉆進(jìn)過(guò)程中，泥漿比重宜控制在1.10～1.15，采用地層自然造漿。

（2）清孔、換漿：鉆孔到設(shè)計(jì)深度后，要清孔、換漿，把泥漿調(diào)整到1.05左右。

（3）下井管：對(duì)于鋼管井，宜采用懸吊下管法，井管底部焊接鋼板封堵牢靠，井管與井管之間焊接牢固，確保焊縫均勻、無(wú)砂眼

（4）投濾料、固井：井管下好后，立即按設(shè)計(jì)要求回填濾料，濾料沿井壁四周均勻填入，測(cè)濾料層的頂面高度。

（5）洗井試抽：濾料回填后，應(yīng)該在8h內(nèi)用潛水泵洗井，直至井水洗清達(dá)到規(guī)范要求為止。洗井時(shí)若出現(xiàn)井水中含有濾料，應(yīng)停止洗井，檢查原因，進(jìn)行處理，必要時(shí)要報(bào)廢掉，并按封井要求進(jìn)行封井。

5 結(jié)語(yǔ)

降水施工是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，降水質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)工程的安全和進(jìn)度，選擇合理的計(jì)算模擬方法確定降水量，并進(jìn)一步設(shè)計(jì)合理的降水方案是至關(guān)重要的。本文根據(jù)工程概況，水文地質(zhì)條件，對(duì)模擬降水量、基坑降水井的深度、降水井的數(shù)量、降水井的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，并提出施工要求，在實(shí)際的基坑降水工程中取得了良好的效果。為相似富水砂礫地層的基坑降水工作提供了可以參考的依據(jù)。