粉性土層中降水效果不佳分析及處理方法

王朝陽， 殷立鋒， 晏姝， 王彭宇， 羅軍濤

（上海長凱巖土工程有限公司，上海 200093）

0 引言

隨著深基坑工程規(guī)模不斷擴大、深度加深，地下水對深基坑施工的安全威脅越來越大［1］。不管是在低溫還是炎熱地區(qū)，都存在地下水的處理問題，由于基坑開挖過程中存在很多不可預(yù)知的情況，特別是在富水性強，透水性差的粉性土層中，往往會因為某些原因從而導(dǎo)致出現(xiàn)降水效果不佳現(xiàn)象。引起降水效果不佳的因素有很多，主要原因之一就是降水井點密度較小，不足以在坑內(nèi)形成降水漏斗，從而無法很好的降低坑內(nèi)地下水水位，有效的疏干土體，解決此類問題，可考慮在基坑內(nèi)施工小口徑應(yīng)急降水井，增加降水井點密度，加大抽水力度，解決降水效果不佳的問題。由于此類井點成孔直徑小，成井施工方便，井點造價低，既有效解決了問題，又節(jié)省了人力物力財力。常規(guī)的地下水處理問題已經(jīng)有了很多的研究，下文主要從兩個案例闡述粉性土層中降水效果不佳分析及處理的新方法。

1 工程概況及水文地質(zhì)概況

1.1 案例一

蘇州某項目為擬建軌道交通樞紐項目，其主要功能包括城市公交、軌道、公路、出租等?；訛榈叵?層，開挖深度約14～15m，總開挖面積約47900m2?；釉O(shè)置3道混凝土支撐，圍護采用3850@1200/1800三軸攪拌樁槽壁加固+800mm/1000mm地下連續(xù)墻。基坑圍護剖面見圖1。

圖1 基坑圍護剖面（單位：mm）

項目周邊以道路為主，其中基坑?xùn)|南角處為蘇州軌道交通4號線某車站，保護環(huán)境等級為一級。

擬建項目淺部地下水按其埋藏條件分為潛水、微承壓水和承壓水。潛水主要埋藏于①層素填土中，該層主要以粘性土為主，富水性差，透水性差?？辈炱陂g，測得潛水初見水位標(biāo)高在1.32～1.52m之間，穩(wěn)定水位標(biāo)高在1.45～1.68m之間。其補給來源為大氣降水及地表水入滲補給，以大氣蒸發(fā)為主要排泄方式。蘇州地區(qū)降雨主要集中在6～9月份，在此期間，地下水位一般最高；旱季為12月份～翌年3月份，在此期間地下水位一般最低，年變幅1～2m。微承壓水主要賦存于③3層粉土夾粉質(zhì)粘土層中，富水性強，透水性一般。承壓水主要賦存在⑦2-1粉土夾粉質(zhì)粘土、⑦2-2粉土、⑦4粉砂夾粉土、⑦5粉砂層中，該含水層組厚度巨大，厚度達40m以上，富水性較好，透水性較好。基坑典型地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 典型地質(zhì)剖面

1.2 案例二

蘇州某項目由一幢103層塔樓及8層裙房組成，基坑開挖面積約2.6萬m2，開挖深度塔樓區(qū)域為32.4m，裙房為27.7m，裙樓落深坑處1.5～3.7m，塔樓落深坑處2.7m。基坑周邊采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為基坑圍護體，地下連續(xù)墻既作為基坑開挖階段的擋土止水圍護體，同時也作為地下室結(jié)構(gòu)外墻。基坑圍護剖面見圖3。

圖3 基坑圍護剖面（單位：mm）

擬建項目周邊環(huán)境重要，北側(cè)臨近運營中軌道交通，其他側(cè)均存在保護建筑以及各類管線，環(huán)境保護等級較高。

擬建項目地下水按形成時代、成因和水理特征可劃分為潛水、微承壓水和承壓水。潛水主要埋藏于①～④層素填土中，該層主要以粘性土為主，局部夾粉砂；微承壓水主要埋藏于第⑤層砂質(zhì)粉土層中，主要補給來源為淺部地下水的垂直入滲及地下水的側(cè)向逕流，以民井抽取及地下水側(cè)向逕流為主要排泄方式。近年最高水位為1.6m（以上均為1985國家高程基準(zhǔn)）。埋深較淺，土層在5～20m，開挖過程中將逐步被挖除，對該項目有影響的承壓水主要埋藏于第⑨層粉砂、第⑩t層粉砂、第○11層粉砂夾粉質(zhì)黏土中，主要補給來源為淺部地下水的垂直入滲?；拥湫偷刭|(zhì)剖面見圖4。

圖4 典型地質(zhì)剖面圖

2 基坑降水目的及對策

2.1 降水目的

（1） 防止基坑開挖面滲水，保證開挖過程中的土體干燥，保證施工順利進行［2］。

（2） 增加基坑穩(wěn)定性，防止基坑邊坡水土流失。

（3） 降低基坑開挖土體含水量，防止發(fā)生縱向滑坡，方便基坑開挖及施工［3］。

（4） 加固坑底以下土體，提高土體抗力，從而減小圍護變形量。

（5） 觀測坑外水位，判斷止水帷幕的封閉性。

（6） 坑外布置潛水觀測井，在坑內(nèi)降水的同時觀測坑外水位變化情況［4］。

2.2 降水對策

以上兩個案例地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件類似，針對潛水的處理方法相同，均采用坑內(nèi)疏干降水及坑外觀測的方式，以下為降水具體對策：

（1） 對于淺層的潛水，采用真空疏干深井的降水措施，降低坑內(nèi)地下水水位至開挖面以下0.5～1.0m，對基坑內(nèi)的潛水進行疏干降水［5］。

（2） 降水井井深設(shè)置為開挖面以下5～6m。

（3） 降水井運行采用超級壓吸聯(lián)合抽水系統(tǒng)，真空降水。

（4） 坑外布置潛水觀測井，在坑內(nèi)降水的同時觀測坑外水位變化情況。

3 開挖過程中出現(xiàn)的問題及原因分析

文中列舉的兩個項目在基坑開挖至砂性土層時，發(fā)現(xiàn)開挖面上出現(xiàn)局部含水砂層，開挖面以下的土體的疏干效果不佳，導(dǎo)致土方難以外運，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因為開挖面位于粉性土內(nèi)，粉性土具有含水量豐富，滲透能力低的特性，大密度的降水井點不足以對土體進行有效疏干，以下為兩個案例出現(xiàn)該問題的原因分析：

案例一：土體疏干效果不佳的位置位于第③3層薄層狀粉質(zhì)粘土，局部粉質(zhì)粘土含量較高。層厚2.00～8.00m，場地內(nèi)基本均有分布。該層土體粉土層與粉質(zhì)粘土層交互分布，存在粉土層透鏡體；開挖第3層土方底面與③3層層底位置重合，③3層與⑤1層分界線有略微起伏，⑤1為透水性差的粉質(zhì)粘土，常規(guī)管井的井點密度難以有效疏干該界面，再加上開挖過程中對降水井的保護不佳，導(dǎo)致多數(shù)降水井被破壞，喪失抽水能力，因此在土方開挖至該界面時需增大井點密度進行降水。

案例二：土體疏干效果不佳的位置位于第⑤2層粉砂層位置，該層土在基坑內(nèi)分布不均勻，與第⑥層分界面明顯，界面儲存水較多，另外由于基坑開挖工期緊張，降水井施工完成抽水約一周后就開始土方開挖，抽水時間短，土體含水量難以在短時間內(nèi)被有效疏干；再加上部分降水井被破壞，部分位置缺少能有效抽水的降水井，從而導(dǎo)致出現(xiàn)降水效果不佳的現(xiàn)象見圖5。

圖5 開挖過程出現(xiàn)的降水效果不佳問題

4 處理方法

對于此類砂質(zhì)粉土層，夾層較多，為有效疏干土體，需要增加降水井?dāng)?shù)量，增大降水井井點密度；常規(guī)疏干深井井點密度較大，因此不易形成降水漏斗，很難有效疏干夾層內(nèi)地下水，需要加密降水井的數(shù)量來達到降水目的，一般增加至150m2/口，但是增加常規(guī)的大口徑鋼管井不僅耗費工期，也增加了額外的人力物力和財力，性價比不高，因此需要尋找一種性價比較高的方法來解決問題。

經(jīng)各方討論一致決定采取在目前基坑開挖面上施工井深約8m，孔徑為300mm，降水井材質(zhì)為PVC管，井徑為108mm的小口徑應(yīng)急降水井的方式，增大降水井點的密度，在應(yīng)急搶險時可以發(fā)揮極大作用，此種小口徑應(yīng)急降水井，成井速度快，抽水效率高，性價比高，可以很好的達到降水目的。

小口徑應(yīng)急降水井鉆井設(shè)備采用便攜式手動成井設(shè)備，在粘質(zhì)粉土及砂質(zhì)粉土層中施工應(yīng)急小口徑降水井降水疏干效果明顯。相對于傳統(tǒng)工藝，此設(shè)備的優(yōu)點：①機具設(shè)備簡單、易于操作、便于管理；②成孔受場地限制較小，可在基坑內(nèi)進行施工；③設(shè)備小巧靈活，單孔施工時占用面積小，不會產(chǎn)生現(xiàn)場交叉施工；④鉆進速率快，大大節(jié)約成孔的時間；⑤由于孔徑較小，產(chǎn)生泥漿少，更易滿足文明施工。

4.1 施工方法

準(zhǔn)備工作-材料到位-鉆機設(shè)備連接-鉆進成孔-下井管及濾管-抽水。

（1） 準(zhǔn)備工作。根據(jù)施工方案，落實材料和人員，合理安排人、財、物，與總包單位保持密切協(xié)作。

（2） 材料到位。專人負責(zé)進料，工程師核定，確保井管、過濾管、填砂、粘土等材料的質(zhì)量。材料不到位，質(zhì)量不符合要求不能鉆進。此施工點須嚴(yán)格把控材料質(zhì)量，特別是濾料的規(guī)格。

（3） 鉆井設(shè)備連接。在鉆桿上端接入進水管路，下端接入鉆頭，將轉(zhuǎn)盤固定于鉆桿外壁面上。

（4） 鉆進成孔。所有鉆進工作在待開挖面上進行施工。

將帶有鉆頭的鉆桿放置于待鉆井位置，使進水管開通進水，觀察鉆頭上的出水口是否出水，待出水口正常出水后，轉(zhuǎn)動手動式轉(zhuǎn)動件使鉆頭鉆進直至設(shè)計標(biāo)高后成孔。此施工點須嚴(yán)格控制成孔過程中的泥漿比重，防止泥漿過厚影響降水井出水量，也要防止泥漿比重過小，造成塌孔現(xiàn)象。

（5） 下井管及濾管。將井管和濾管固定好后放入鉆孔中，在鉆孔和濾管之間的縫隙填入濾料（中粗砂）。在鉆孔和井管之間填入粘土封孔。小口徑管材采用PVC管，不再回收。次施工點需要注意在PVC管外側(cè)需包裹一層濾網(wǎng)，濾網(wǎng)不能有破損，防止地層泥沙進入降水井內(nèi)。

（6） 抽水。將施工完成的降水井接入真空泵上，啟動真空泵進行抽水。此施工點需注意在成井結(jié)束后及時進行試抽水，防止降低降水井存活率。

4.2 處理后的效果分析

小口徑應(yīng)急降水井施工完成后便開始真空抽水，抽水24h持續(xù)運行，為更好的達到降水效果，可將抽水設(shè)備放置在土體開挖面，并按要求加載真空負壓。抽出的水集中排放在集水箱中后再統(tǒng)一排出基坑。原有降水井也同時抽水運行。

在小口徑應(yīng)急降水井抽水運行前，由于降水井點密度小，土體內(nèi)地下水來不及被抽出，便通過地層滲流出土體，導(dǎo)致開挖面上明水較多。

在小口徑應(yīng)急降水井抽水運行后，疏干降水1d后，開挖面上明水基本被抽干，抽水2d后，經(jīng)監(jiān)測坑內(nèi)觀測井水位，水位標(biāo)高均已到達開挖面以下1～2m，土體內(nèi)部疏干效果明顯變好，滿足基坑開挖需求見圖6。

圖6 小口徑應(yīng)急降水井運行后開挖狀況

5 結(jié)語

基坑開挖過程中，針對砂質(zhì)粉土層的地層特性，常規(guī)密度的降水管井密度難以有效疏干土體，可能會導(dǎo)致降水效果不佳的現(xiàn)象，為解決此類問題，需要一種簡單快捷有效的方法去解決問題。根據(jù)以上兩個項目的實踐，證明了應(yīng)急小口徑降水井的優(yōu)勢，它可以在短時間內(nèi)進行施工，并達到降水目的，而且性價比高，為今后類似地層的降水處理方法積累了寶貴的經(jīng)驗。