中铁九局集团第七工程有限公司 辽宁省 沈阳市 110000
摘要:伴随国内城市建设步伐的加速,城市内人口剧增,特别是重点城市,公共交通与城市排污压力随之增大。为保障城市地面交通顺畅,各大城市纷纷转移方向,投入到城市地下空间建设中,随之轨道交通建设与市政管廊工程冉冉兴起,深基坑工程越发彰显其重要性,尤其是深基坑降水技术,其自身直接影响到城市地下的开发与使用,近几年其地位在基坑施工管理中稳步上升。为此本文通过对以往工程进行经验总结,结合目前基坑降水技术,着力研究综合降水工艺,致力于解决复杂地质,单一降水方法无法满足施工要求的情况下,如何保障深基坑工程安全及工期要求。
关键字:深基坑;井点降水;夹层水处理
1前言
城市内降水施工是深基坑工程的重要组成部分,经常性由于地理位置及地质多变等原因,地下水、地表水相互影响较大,传统的降水工艺通常无法满足业主工期要求,因此急需对基坑降水方法进行改进,形成一套基坑综合降水施工技术,本文主要结合呼和浩特市地铁工程深基坑降水实例,对深基坑降水技术进行总结归纳。
2工程背景
2.1工程概况
呼和浩特东站作为呼和浩特市在建城市轨道交通工程的唯一换车站,分为1号线部分与3号线部分,其中1号线部分结构为地下两层双柱三跨结构,基坑采用钻孔灌注桩+混凝土土支撑+钢管内支撑形式,车站基坑长度222.5m,宽度24.7m,深度17m,大小里程盾构井端头宽度为29.3m,深度为17.44m。3号线部位结构为地下三层双柱三跨结构,基坑支护形式与1号线相同,车站基坑长度157m,宽度24.9m,深度25.16m,大里程盾构端头宽度为31.45m,深度为25.4m。
2.2地质情况
该站深基坑工程所涉及的地质情况主要有①1杂填土、①2素填土、①3填筑土、③1黏土、③3粉土、③43粉砂、③44粉砂、③63中砂、③64中砂、③83砾砂、③84砾砂、③93圆砾、③94圆砾、④2粉质黏土、④3粉土、④44粉砂、④64中砂、④94圆砾。
2.3水文地质
根据该站现场水文地质勘察报告显示,呼和浩特东站所在区域在地下18m位置存在一层地下水,厚度约为1.5m,为第四系孔隙潜水,具体详见下表:
地下水特征表 表2.3-1
地下水性质 | 水位埋深(m) | 水位标高 (m) | 观测时间 | 含水层及其特征 |
含水层 | ||||
潜水 | 17.7~19.2 | 1054.35~1054.47m | 2015.07~2016.02 | 粉砂③43层、中砂③63层、砾砂③84层、圆砾③94层、粉土④2层、粉砂④44层 |
3 基坑降水设计方案
3.1基坑外降水井设计及布置技术
3.1.1基坑降水参数选用
1.降水井直径:A=0.54m;(注:呼市当地降水井成井设备成井直径A=0.54m~0.6m,其他区域可根据地方情况进行优化)。
2.潜水含水层厚:H=19m;(注:潜水含水层厚度是指潜水面与坑底以下稳定隔水底板之间的距离)。
3.地下水位深度为18.25m;(注:详见施工图纸或勘测报告)。
4.取岩土工程勘察报告中综合抽水试验渗透系数K=44.2m/d;(勘察报告给出各土层渗透系数,室内试验无本站地层,水文试验是农长区间值,建议值基本依据《铁路工程地质手册》,呼市地区砾砂层抽水试验值为70~90m/d,圆砾层试验值为110~150m/d,结合详勘报告中各土层分布情况,及对应渗透系数经验值,还有呼和浩特地区多年的水文试验数值,综合以上各种因素,最终取渗透系数:K=44.2m/d)。
5.该基坑所需降水深度(设计降深:为基坑所在土层的地下水位到降水施工后的稳定水位的距离。根据引用规范中内容描述,基坑降水后的水位应最低应低于基坑底下0.5m。结合该站设计的基底深度和地铁工程施工的复杂性。综合考虑取基底最深处后在低于该处1.5m。该站基础底标高最深为1045.966,考虑防水保护层、防水层、砼垫层共0.3m,目前地下水位实测为1057.402,设计降深=1057.402-0.3-1045.966-1.5=9.636m)。
6.降水井分布范围内水力坡度取i=1/15(按降水稳定后基坑中心地下水位为最高点,按1/10的水力坡度估算井水位降深约为10.0m)。
7.滤管半径(注:所使用的的降水井管材的半径)。
3.1.2基坑降水计算
依托裘布依群井理论,可视基坑为一等代大井,结合该基坑地质、水位情况及降水要求,我们采用潜水非完整井稳定流模型进行设计计算,基坑四周环形布井(降水井排间距35.65m),计算如下:
(1)降水影响半径:
根据公式进行计算:
式中:—降水影响半径(m);
—井水位降深(m),
;
—渗透系数(m/d),取44.2m/d;
—潜水含水层厚度,取19m。
(2)基坑等效半径:
其中:— 基坑面积,(降水井距基坑边缘按1.5m考虑,则基坑面积按5512㎡计算。)
(3)基坑总涌水量:
可按公式来计算
式中:—基坑降水的总涌水量(m3/d);
—基坑地下水位的设计降深(m);
H—潜水含水层厚度,取19m;
h—降水后基坑内的水位高度,;
L—管井过滤器的进水段长度,取1.2m。
(4)管井的单井出水能力可按下式计算:
—单井出水能力(m3/d);
—过滤器半径(m);
—管井过滤器的进水段长度,取1.2m。
(5)降水井的数量:
根据公式来计算降水井的井数
(6)井距:
根据公式计算出井距,其中L为基坑周长,此处为388.9m。
综上所述,考虑基坑周边构筑物情况,将降水井井距定位7m,综合考虑,3号线设置54口降水井。
(7)降水井深度:
可按公式来计算井深
式中:— 降水井深度;
—基坑深度,取25.4m;
—降水水位距离基坑底要求的深度,取1.5m;
—ir0;i为水力坡度,取1/15;r0为降水井排距的1/2;
—降水其间地下水位变幅,取2;
—降水井过滤器工作长度,取1.2m;
—沉砂管长度,取2m;
综合考虑3号线基坑降水井井深为33m,间距7m,共计54口,沿基坑环向布置。
3.2基坑内明(盲)排水系统
3.2.1基坑内明(盲)排水设计
综合考虑基坑外降水情况及加强基坑内防水材料防水效果,在基坑内侧,设计一道排水盲沟,该盲沟位于距基坑内壁0.2m~0.4m的位置,深度为0.6m,宽度为0.4m,沿基坑长边(纵向)方向设3‰的坡度,短边(横向)设3‰的坡度,确保坑内水流统一临时流入集水井内,集水坑每施工段设置2处。盲沟构造主要为底部铺设0.8mm防水布,上部采用15cm卵石,然后回填级配碎石,具体位置在横向排水盲沟中间,积水坑内水通过10m³/d的潜水泵抽至地面上最近的雨污水井里面。
3.2.2基坑侧壁盲排水设计
在进行深基坑开挖过程中,时而会由于基坑局部地质勘测不准,夹层水遇不透水层土质时,基坑内壁常会发生渗水现象,特别是非全封闭基坑,桩间土体在采用网喷混凝土后,发生渗水现象,为此为保障防水材料的发水效果,采用PVC管引流形式进行基坑侧壁夹层水导流,主要方法为在渗水处侧壁切口,放置外包80目纱网的引流管,然后在外部采用防水砂浆抹平,引流管直至基坑底盲沟内,统一抽排到基坑外。
3.2.3主要技术指标
(1)竖向引流管采用Ф80PVC管,PVC管上梅花形钻孔作为渗水孔,间距1.5cm,全部迁入侧壁内,每节1m,采用搭接形式(上部管材在下部内),折角采用同材质不同角度弯头进行顺接,直至盲沟处。
(2)引流管外侧采用双层透水纱布进行包裹,以防土壤中砂砾填充渗水孔。
(3)Ф80渗水PVC管在基坑底折角处弯头宜为5°~15°,针对基坑内壁土壤流失较大处,采用注浆方式进行处理,浆液正常情况下为水泥水玻璃双液浆,注浆压力控制在为0.3Mpa~0.5Mpa,浆液水灰比=1:1。
3.3主要施工工艺及控制措施
3.3.1施工工艺流程
3.3.2施工操作要点
(1)埋设护筒
护筒采用钢板制成钢管,护筒底部需要进入原土层,护筒埋设采用机械开挖,然后放入土内。
(2)钻机成孔
在护筒安装完毕并进行定位复测,待复测合格后进行降水井钻孔,降水井深度必须达到设计深度。
(3)吊放井管滤管
本工程井管采用无砂水泥管,过滤器采用包裹两层纱网的竹笼过滤器。
(4)填滤料
滤料作为降水管井与侧壁土壤之间的隔离层,必须采用人工对称填筑,确保管井位于中心位置,同时填筑过程中要时刻关注填筑高度。
图3.3-1填滤料示意图
(5)洗井
洗井主要采用污水泵进行,在洗井过程中要时刻关注滤料是否下沉,及时补充,同时应反复进行清洗,直至水清砂净为止。
图3.3-2 洗井示意图
(6)水泵安装
潜水泵采用尼龙绳缓慢放入井中,同时铺设配套的电缆与电闸箱,安装漏电保护系统和自动水位控制系统。
图3.3-3 水泵安装示意图
(7)铺设排水管网
在管井中潜水泵安装的同时,在基坑外围挡下安装排水主管道,主管线为直径φ168mm的钢管,主管道与每个潜水泵之间采用独立连接,配有水表,并配有高压螺旋式阀门,同时在主管道端头设置两级净水沉降池,沉淀水中杂物,最终排入到市政雨水井中,考虑冬季降水需求,排水管道在安装时,外部采用自控温加热带+橡塑海绵保温板,沿管道全覆盖,可满足冬季排水管施工温度要求(零下15℃以上)。
(8)抽降
在所有降水设施安装完成后,进行试降水,待单井降水深度满足要求后,正式进行降水,降水过程中时刻观察水位,通过潜水泵水位自动控制系统,智能化启停潜水泵,以达到最优能耗。
(9)水位观测
基坑降水正式开始初期(一周左右),每天进行2次观测,间隔12h,之后待井内水位趋于稳定,降低观测频次,定位每天1次。
(10)降水
在基坑开挖前15天开始启动降水井抽水,降水降至基底以下1.5m,降水过程中注意对降水井的保护,在降水抽排过程中派专人进行值班,做好每日降水量记录,了解基坑降水状态,对存在问题的潜水泵及其线路进行维修。
(11)抽水运行
考虑基坑降水过程中,土壤的流失及基坑稳定性问题,在日常潜水泵使用期间,执行水样检测制度,每月2次,明确水中含砂量要求,即水中含沙量应控制在1/10000以内,以防止因水土流失造成基坑周边塌陷。
(12)降水维持期的施工要求
1)排水管网汇集处的沉淀池位置应合理选择,沉淀池大小尺寸应综合考虑场地清理用水需求,同时应高于所接入的市政排水管顶标高,避免发生导流现象。
2)基坑降水期间,应每日对降水井进行巡查,确保潜水泵运转正常。
3)现场应配备供配电系统,供电量根据水泵最大功率而定,并配有发电机组,以便在临时停电时使用,同时为确保水泵正常使用,对电机设备配有补偿器。
4)合理选择观测井,确保基坑外水位趋于平稳。
5)基坑降水任务完成后,采用集配砂对管井进行回填,同时地面下1m采用C20混凝土进行灌注封堵。
6)在基坑降水维持期,禁止私自开关水泵,同时水泵功率根据基坑内降水效果,实行实时控制,确保基坑降水满足施工要求。
4结论
通过本文对常规情况下深基坑降水方法进行研究、总结,主要采用基坑外强排、基坑内引流相结合的方式,形成一套系统的深基坑降水体系,结合考虑降水材料区域性、降水地质多样性因素,可通过合理增加相关有效的辅助降水措施,最终来达到满意的降水效果,同时本文中阐述的综合降水施工方法是在北方工程的基础上研究、总结出来的,针对南方区域工程,建议首先强化基坑封闭性,优化基坑开挖方式,然后结合本文降水方法,将会取得更佳的深基坑降水效果。
参考文献:
【1】刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M]
北京:中国建筑工业出版社,1997
【2】中国建筑科学研究院.JGJ120-2012建筑基坑支护技术规程[S]
北京:中国建筑工业出版社,1999
【3】《管井技术规范》GB50296-2014;
【4】《建筑与市政工程地下水控制技术规范》(JGJ 111-2016);
【5】《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)。