富水砂礫地層基坑降水方案設計及施工

吳電強

中鐵十四局集團第四工程有限公司

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1242m，設計里程K0+208～K0+480 長度272m，K1+212～K1+450長度238m段，采用U型槽結構，結構高度3.5m～9.45m，結構寬度11.5m～13.5m，結構底板埋深 2.5m～8.45m。設計里程K0+480～K1+212段采用直墻拱頂結構，結構高度7.9m～8.6m，結構寬度9.8m～13.45m，結構底板埋深10.6m～108m，覆土厚度約2.6m。

1.2 工程及水文地質條件

擬建場區屬于松嫩平原，由于白堊紀以來緩慢的沉積作用，在巨厚的白堊系與第三系之上，經嫩江及其支流的長期泥沙沖擊堆積了很厚的第四紀松散物質，第四系砂與砂礫石為主的松散堆積物，厚達148m。其表層多砂，砂礫石及局部砂土，透水性較強，又有嫩江及其支流發育其上，并與地下水聯通，因此承受降水、河水及外區潛水徑流補給，形成大面積水量相當豐富的厚砂礫石孔隙潛水，富水亞區。場區內地下水屬于第四系孔隙潛水。含水層主要為細砂、圓礫層，②1、③1 粉質黏土層起到相對隔水作用。

2 降水方案設計

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?；佑克坑嬎悴捎媒馕龇ê蛿抵捣ㄟM行分段計算，并對不同止水深度條件下的基坑涌水量進行對比，確定最優方案。

2.1 數值法計算基坑涌水量

（1）水文地質概念模型。根據勘察資料，將場區在垂向上概化為4個模擬層，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。地下水流數學模型涉及的模型參數主要為滲透系數（Kxx、Kyy、Kzz），其值的大小直接決定概念模型與實際水文地質模型的擬合程度以及基坑涌水量預測的大小。本次結合地勘資料、地層經驗參數等，充分考慮地層的各向異性，模型參數取值如下。

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

表1 數值法基坑涌水量計算結果匯總表

根據計算結果顯示，有無鋼板樁圍護止水對比，采用鋼板樁圍護止水對水量減少效果不大。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。 綜合鋼板樁圍護下“坑內降水”和“放坡開挖”條件下“坑外降水”，兩種方式進行對比分析，“放坡開挖方式”，更適用于本項目。

2.2 解析法計算基坑涌水量

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

（1）水位降深?？辈炱陂g靜止水位埋深0.90m～2.50m，靜止水位標高為141.43m～142.27m，最大變幅1m～2m。地面高程為144m，計算水位標高取值地面埋深以下1m（水位標高為143m）。

（2）基坑等效半徑。不同規范對于長條形基坑等效半徑的規定略有不同，本次選擇不同規范對基坑等效半徑進行分別計算，進而求對應的基坑涌水量，將計算結果列于表2。

表2 基坑總涌水量計算結果（單位：m3∕d）

2.3 數值法和解析法對比

根據以上章節數值法計算和解析法計算結果對比，解析法大于數值法，考慮解析法，概化含水層為一層，未考慮垂下滲透系數，并采用“大井法”簡化計算，與實際存在一定差別。數值法計算考慮不同含水層滲透性，地層水平及垂直向滲透性，計算更加符合實際情況。本次降水設計采用更加符合實際的數值法計算結果。

3 降水井設計

3.1 單井涌水量

單井涌水量應選擇群井抽水中水位干擾影響最大的井進行計算。

場地圓礫層滲透系數達到180m∕d，中粗砂滲透系數達到80m∕d，整體含水層厚度50m，表中無經驗系數，根據外插法推算，α推測為9.02，過濾器長度12m，外徑325mm。管井出水量計算得10400m3∕d。

現場抽水試驗，采用直徑325mm，18m 管井抽水，24h 主井1號、4 號單井抽水量達到 4583m3∕d、4123m3∕d，初始水位埋深1.56m、1.36m，主井水位降深6..02m、3.76m。依據地下水Q-S 曲線變化規律推測，最大單井出水量將達到至少8000 m3∕d。

綜合計算，及實際抽水情況，考慮群井抽水時，單井出水能力會大大減小，計算時取單井出水能力為5000m3∕d。

3.2 降水井數量

降水井的數量可根據基坑涌水量和設計單井出水量進行計算。K0+208-K0+488 段設 34 口；K0+488～K1+210 段設 69 口；K1+210～K1+450段設27口，共計130口。

3.3 降水井結構

（1）降水井深度。降水井的深度應根據降水深度，含水層的埋藏分布、地下水類型，降水設備條件以及降水期間地下水位動態等因素確定。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宜為1∕10～1∕15；

ir0——降水井分布范圍內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——降水井過濾器工作長度（取有效長度9m）；

HW6——沉淀管長度（1m）。

綜合基坑開挖，單井設計出水量要求，降水井深度的設計為30m。

（2）降水井結構。降水井結構采用直徑325mm、壁厚4mm鋼管，下設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

準備工作→鉆機進場→定位安裝→開孔→下護筒→鉆進成孔→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

施工機械設備選用GF-200 型工程鉆機及其配套設備。成孔時采用反循環回轉鉆進成孔工藝。

（1）鉆進成孔：鉆進過程中，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：鉆孔到設計深度后，要清孔、換漿，把泥漿調整到1.05左右。

（3）下井管：對于鋼管井，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、無砂眼

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

（5）洗井試抽：濾料回填后，應該在8h內用潛水泵洗井，直至井水洗清達到規范要求為止。洗井時若出現井水中含有濾料，應停止洗井，檢查原因，進行處理，必要時要報廢掉，并按封井要求進行封井。

5 結語

降水施工是一項非常復雜的工程，降水質量直接關系到整個工程的安全和進度，選擇合理的計算模擬方法確定降水量，并進一步設計合理的降水方案是至關重要的。本文根據工程概況，水文地質條件，對模擬降水量、基坑降水井的深度、降水井的數量、降水井的結構等進行計算和設計，并提出施工要求，在實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。