超大型深基坑降水技术

超大型深基坑降水技术钟彦祥张俊峰淮安枢纽立交地涵是维系京杭运河与入海水道两水系立体交叉的枢纽建筑物，其基坑最大挖深为20.15m（EL12～EL－8.15），其中地下水位线以下开挖深度达16m（EL7.9～EL－8.2），基础开挖面积达7.1万m2。其降水深度之深、降水面积之大以及复杂的水文地质条件在国内超大型深基坑施工中并不多见。由于本工程地层为粘土、粉土和砂土地层，且地下水丰富，降水又深，因此采用深井井点降水方案。1工程水文地质条件根据前期的工程、水文地质勘察报告分析，地下含水层属第四系松散岩类空隙含水层,且均质各项同性无限边界，从上至下可分为三个含水层和三个隔水层。其具体情况分布如下:含水层：第一含水层：水力性质为潜水含水层，静止水位高程为EL7.7～EL7.9。土体蓄水性较差，主要接受大气降雨入渗及河水补给。土层为填土、粉土和粉质粘土，底板高层为EL4～6m。第二含水层：水力性质为承压含水层，承压水位高程为EL6.2～EL6.3，土体蓄水性差，主要以侧向补给为主。土层为粉土，顶板高层为EL0.75～EL0，底板高层为EL－2～EL－2.3，厚度为2～2.5m。第三含水层：水力性质为承压含水层，承压水位高程为EL6.3，主要以侧向径流补给为主。土层可分为上下两部分，上部为粉土，顶板高程在EL－4.5左右，底板高层为EL－17左右；下部为粉细砂及细砂层，底板高程运河东侧为EL－27，运河西侧为EL－36。隔水层：第一隔水层：位于第一、二含水层之间，岩性为粘土，厚度为5m左右，隔水效果好。第二隔水层：位于第二、三含水层之间，岩性为粘土、粉质粘土，厚度为1～2m，隔水效果不明显。第三隔水层：位于第三含水层下部，岩性为粘土夹少量粉质粘土，厚度大于15m，可有效阻隔下部承压水向第三含水层越流补给。根据以上水文地质条件可得知，基坑开挖将完全揭露第一、二两个含水层，并进入第三含水层3～4m左右。2抽水试验2.1抽水试验的目的1、对成井结构及单井出水量、含砂量进行检验。2、通过抽水试验查明水文地质结构及水文地质参数，且模拟生产，连通三个含水层进行抽水试验，以求三个含水层的综合渗透系数。3、确定单井最大出水量、干扰出水量，计算基坑总涌水量，最终确定基坑降水方案，合理地选择水泵泵型。4、确定最佳的井间距，尽可能达到完全截断第二含水层向基坑内的侧向补给。2.2抽水试验布置根据本工程水文地质条件结合本工程施工工期及降水的重要性，确定在运河东侧及西侧分别做两组单井和群井抽水试验，单井试验按非稳定流抽水试验规程进行，即作三次降深，群井试验按5口抽水井“一”字形排列，每组抽水试验布置3个观测井，且垂直于抽水井轴线方向。所有抽水井均为完整井，运东井底高程为EL－27，运西井底高程为EL－36，观测井井底高层与抽水井基本相同。2.3抽水试验要求（1）稳定延续时间与稳定标准：稳定延续时间为4小时；抽水试验稳定标准应符合下列要求：a.出水量、水位没有持续上升或下降的变化趋势；b.抽水井的动水位波动值不超过2cm；c.出水量波动值不超过正常出水量的5%；d.水位变化与区域水位变化趋势一致。(2)水位、水量观测要求：抽水试验前进行静止水位观测。抽水试验时，水位与水量同步观测。在抽水开始后的1、3、5、7、10、15、20、25、30分钟观测，以后每隔30分钟观测一次。其延续时间应能满足水位降深S与时间t的关系曲线(S一lgt)绘制。（3）现场资料整理初步绘制出水量Q、水位降深S与时间t的历时曲线，同时绘制Q=f（S）曲线，依据曲线类型（见下图）及时进行抽水试验效果判断分析，如有异常情况应及时处理。2.4抽水试验成果的整理要求抽水试验引用的计算公式：据本工程的特殊地质条件，现引用适用条件与本工程近似的计算公式：K=0.366QK=0.366QmSWlgRrwK=0.366Qm（SW-St）lgrwr1主孔一个观测孔K=0.366Qm（S1-S2）lgr2r1二个观测孔以上公式的适用条件：承压水完整井，抽水孔位于无限含水层。Q—抽水量（m3/d）；K—渗透系数，m/d；m—承压含水层厚度（m）；Sw—抽水井水位降深（m）；St—观测井水位降深（m）；S1，S2—第1、2个观测井水位降深（m）rw—抽水井半径（m）；r1、r2—第1、2个观测井距抽水井距离（m）。式中R可通过以下两种方法进行确定：LgRLgR=S1lgr2－S2lgr1S1—S2适用条件：承压水；两个观测孔。R—影响半径。S1,S2—观测孔水位降深。r2,r2—观测井至抽水井距离。1.公式法：2.作图法：通过绘制S＝f（R）关系曲线从图上直接量得R值，一般情况下作图法所得的R值比较准确通过绘制S＝f（R）关系曲线从图上直接量得R值，一般情况下作图法所得的R值比较准确。试验结束后，通过各种公式进行计算R和K值，并对结果进行全面分析，选择合理的参数。Q总=2．73KMSlgr0+Rr0承压水完整井；式中Q总—基坑总出水量；K－渗透系数；M—含水层厚度；R—影响半径；r0—基坑引用半径；S—设计降深。基坑涌水量计算公式公式适用条件：3基坑降水设计（1）通过运东、运西两次抽水试验，其所得的水文地质参数基本相同，运东：K＝11.5m/d，R＝150m，单井最大出水量在80m3/h左右，群井干扰单井出水量为25m3/h；运西：K＝9.5m/d，R＝230m3/d，单井最大出水量在150m3/d左右，群井干扰单井出水量45m3/h。根据经验数据分析K＝9.5m/d与本工程的地质条件即分细砂地层的渗透系数相吻合。按运西的试验结果进行布井为61口，按运东的试验结果进行布井为68口，最后考虑到各方面的实际情况以及本工程的重要性，按基坑外围一圈65口井进行布置，井间距为15m，基坑总涌水量为43300m3/d，单井出水量为30m3/h。（2）由于本工程主要透水层即分细砂及细砂层位于第三含水层下部，是降水井取水的关键地层，因此，所有的降水井按完整井进行施工，即深入第三含水层底部，运东降水井底部高层为EL－27，运西降水井底部高程为EL－36。（3）本工程降水运行时间为1年左右，时间较短，为了满足施工要求、节约成本，降水井采用无砂混凝土管井，外径50cm，内径为40cm，井外包扎一层80目尼龙滤网布。（4）由水文地质勘探资料得知从上至下有三个含水层，因此降水井全部采用滤管且连通三个含水层，以期疏干第一、二含水层。（5）为了解降水期间地下水位的变化情况以及降水效果是否满足施工要求，在基坑内布置5口观测井进行基坑内的水位观测。（6）由于降水漏斗的现象，第二含水层的水无法通过降水井完全截住，针对这种情况，采取打小直径越流潜井，把第二含水层的水通过越流井疏导入第三含水层再通过降水井抽排,以解决基坑侧向溢流的问题。4、降水井施工降水井施工是降水工程中关键的一个环节，如果降水井施工质量不好，将严重影响单井出水量，即使打再多的井也无法将地下水降低。反之，如果成井质量特别好，实际的单井出水量有可能大于设计选定的出水量，可以确保降水成功，使实际的抽水井数量减少，从而减少运行费用。因此，在成井过程中，一定要控制好成井质量。（1）测量定位、埋设井口护筒当开挖至井口高程时（井口高程一般高出地下水位2mm以上），进行测量定位，确定降水井的位置，经检查无误后，埋设井口钢护筒。护筒采用厚度为3mm的钢板加工而成，护筒直径1米，高1.5m～2.0m，埋入地下1～1.5m.护筒外用粘土填实，以防井口坍塌。（2）泥浆配制泥浆采用粘土层自造浆，在井孔钻进过程中，泥浆的性能会发生变化，直接影响泥浆的护壁作用和排渣能力，给井孔进带来不利影响，甚至造成塌井事故。因此必须加强泥浆比重的控制，及时检验调整。在粘性土层泥浆比重不受限制，砂层泥浆比重控制在1.2-1.3g/cm3，以保证钻进顺利进行。（3）钻机安装就位安装钻机前，应对钻机进行全面检查、维护保养，保持良好状态，如动力系统、升降系统、钻塔各部件及有关辅助设备、工具等。对电力系统、供水系统要合理规划布置，安装钻机塔身时，要采取安全措施，任何人不得在钻塔起落范围内通过和停留。整体起落钻机时，操作要平稳、准确。钻机卷扬机或绞车应低速运行，以保持钻机塔架平稳升降，防止钻机突然倾倒、碰坏和伤人。（4）钻井成孔拟定采用SPJ-300型钻机钻进，孔径800毫米。在钻井过程中，由操作人员根据地质特征及孔内实际情况，掌握好钻井速度、泥浆浓度。严格控制钻孔的重直度，以保证混凝土透水管顺利下入井内。按设计要求选用直径800mm三叶或四锥形钻头，正循环钻进，一次成孔。配套水泵为BWT450/12泥浆泵，最大工作压力不低于1.2Mpa，输浆量不低于5L/S，钻进速度控制在2.5-4m/h，严格控制泥浆比重，一般自钻孔流出的比重在1.2-1.3g/cm3。在钻井过程中做好原始记录。（5）混凝土透水管安装成井后先置换孔内浓泥浆，减小孔内泥浆比重，但一定要保证孔内不坍塌，泥浆比重控制在1.01-1.04之间。接着下直径为500mm（内径为400mm）无砂混凝土透水管。混凝土透水管外采用一层80目尼龙纱网作为过滤器。用12#镀锌铁丝箍紧。底端配置1m高混凝土盲管，用硬木托盘和钢丝绳揽吊，缓慢下落孔内，直至预定深度，盲管上接混凝土透水管，管口要对齐，管中心与成井中心要重合。为了防止井管安装偏移，沿管壁每隔8m设导向木一组；（6）滤料回填混凝土透水管下入孔内后，开始回填滤料，管壁与孔壁之间有15cm厚的滤料层，滤料采用1-5mm优质绿豆砂回填，作为过滤层。滤料填至井口附近后用清水冲洗，保证滤料下沉密度，达到良好的过滤效果。滤料层回填至孔口约1-2mm后采用粘土回填，孔口顶部应高出周边地面10～20cm，以防外部雨水流入滤料层和井内，回填料及回填工艺要认真做好原始记录。（7）洗井由于在钻井成孔过程中采用泥浆护壁钻进，孔内泥浆虽经置换，但浓度仍较大。为了使降水井达到良好的降水效果，滤料填充完成后，应立即洗井，采用潜水泵进行大降深抽水，使残留在滤料内的泥浆随着水流带出来，增加其透水性能。一般抽4～5个小时出现清水即可。4抽水运行降水井施工完成后，根据基坑开挖进度，运东的12口降水井首先投入运行，以后逐步运行其他的降水井，并根据地下水位的高低情况调整抽水井数量，最后使地下水位保持在EL－11左右。前期降水井的运行数量为37口，单井出水量为35m3/h，总涌水量为31000m3/d；最终的降水井运行数量为22口，单井出水量为35m3/h，总出水量为19000m3/d。5施工体会与经验总结（1）根据本工程的抽水试验结果所得的水文地质参数与经验数值比较接近，因此建议除重大的工程降水须做抽水试验外，在一般的工程降水中，完全可以根据本地区的实际情况和经验数值选取水文地质参数，一般来说，差别不会超过一个量级。（2）由于工程所在地在整个降水期间遇到了百年一遇旱情，在抽水前，地下水位已由原来的EL7.9降到EL3.1，整个区域的地下水自然下降了4m多，并在抽水期间，整个区域的地下水继续自然下降，使基坑实际的抽水量比原来预计的小。（3）在基坑开挖期间，第二含水层的水除在基坑南侧向基坑侧向渗流外，其余的全部截住。后来通过打越流潜井，把这一部分水疏导入第三含水层，最终实现了基坑无侧向水溢出的目的，彻底解决了这一公认的难题。（4）本工程利用随着时间的延长出水量逐渐减少的规律，采取分批分期抽水，既满足了基坑开挖的要求，又降低了基坑总涌水量，减少运行费用。（5）通过抽水试验测定无砂混凝土管井的水跃值很小，在外包80目滤网布一层的情况下，其井内水位与井外水位是一样的，并不影响井的出水量。因此，所有的降水井全部采用造价低、施工简便的无砂混凝土管井。（6）本工程降水井采用正循环施工工艺，这种工艺关键在于成井速度要快，泥浆比重在满足循环带渣的情况下要尽可能的小，以防止地层内渗入过多的泥浆而影响出水量。目前降水井施工最好采用反循环施工工艺，这种方法可以达到清水钻进，大大减小了泥浆对井出水量的影响，在同样的条件下，采用反循环施工要比采用正循环施工的降水井出水量大。（7）降水井施工下管填砾后应立即进行大降深的抽水洗井，如果时间耽搁太长，可能造成泥浆固结，在滤料中形成泥皮而不能通过水流带出来，将严重影响井的出水量。（8）在降水井整体抽水运行时，通过观测，井圈内的地下水位基本上降到一个平面上，高差不超过1m。（9）本工程原设计为两圈井，外围58口，内围20口，后通过进行大量细致的研究工作