1、含承压水设隔水帷幕粘性土地层中深基坑管井加真空降水施工工法1.前言在我国长江三角洲地区，广泛沉积了巨厚的第四级松散地层，其中普遍发育有多层厚度稳定的承压含水层和含水量较高的软土层。同时长三角地区又是我国经济发展较快地区，目前地铁车站中深、大基坑施工已涉及这些层，基坑底板已进入到承压含水层。承压含水层对基坑开挖的威胁越来越大，施工降水的难度也日益加大，尤其在软土发育的长三角地区，基坑开挖与降水引起的土体变形对环境的影响成为人们关注的焦点。无锡地铁1号线大学城站，影响工程施工的地下水主要是浅层孔隙潜水和孔隙微承压水及埋深较深的第承压水。做好大学城站施工期间，尤其是开挖过程中降水工作，避免坑底突涌，2、防止坑壁土体坍塌，保证施工安全和减少基坑开挖对周围环境的影响，具有十分重要的意义。中铁一局集团在施工中采用承压水设隔水帷幕粘性土层中降水管井加真空的降水方式，对粘性土层中基坑开挖范围内潜水进行降低水位，承压水降低水头的办法，保证基坑施工安全，减小降水引起地面沉降方面效果明显，技术先进，故有明显的社会效益和经济效益。 2.工法特点2.1 在粘性土中采用降水管井加真空，降水效果显著。2.2将水位监测孔的数据处理和信息反馈技术应用于施工，利用监控量测指导施工，动态修正施工方法，确保施工安全、快速。2.3 降降压井布置在坑内，施工作业占地面积小、方便、经济合理。 3.适用范围粘性土地层，渗透系数6.13、010-8 cm/s,3.1810-5cm/s）车站基坑开挖施工降水需要。4.工艺原理采用“隔水帷幕”的方式，基坑采用地下连续墙钢支撑的围护结构方式。地下连续墙使潜水含水层坑内外失去水力联系，坑内降水对坑外影响较小，甚至无影响。而围护结构对坑内潜水层增加了一个封闭的不透水边界。在这种工况下，疏干井布置在坑内，成均匀分布，由于坑内外地下水失去了水力联系，坑内水位降低后，侧向补给为零（如果围护结构不漏水），坑底会有一部分水补给，坑底主要为粘土和粉质粘土层，补给量很小。疏干井一般超过开挖面35m,而不超过隔水帷幕深度。在承压含水层对基坑开挖造成影响地段，设置降压井降低承压水水头。5.施工工艺流程及操4、作要点5.1施工工艺流程施工准备降水井管井成孔清孔、下井管 围填砂砾、填泥封孔洗井、下泵试抽水加真空、预抽水降水运行封井5.2操作要点5.2.1 降水管井施工降水管井的数量、分部、深度根据基坑形状、大小和降水深度要求等因素确定。管井钻进采用第四系松散地层回转钻进。钻进过程中为防止井壁坍塌，掉块、漏水以及钻进高压含水、气层时可能产生的喷涌等井壁失稳事故，采用泥浆护壁，保持井内液体压力与地层侧压力（包括土体和水压力）平衡。回转钻进法施工（成井施工工艺流程参见图5.2.1-1，洗井示意参见图5.2.1-2），施工中的具体要求有如下几点：井管、过滤器制作钻机就位，对中整平井管、过滤器验收钻进成孔、泥浆5、护壁终孔验收，下井管围填砂砾、填泥封孔洗井、试抽水图5.2.1-1 管井施工工艺流程图图5.2.1-2 空压机洗井结构示意图1、井管应无缺损、裂缝，弯曲等缺陷，管端面与管轴线垂直，保证井管连接后垂直。2、井管应有足够的抗压、抗拉、抗弯强度，以保证井管能承受井壁地层和滤料的侧向压力。3、井管管井应满足抽水设备的要求；4、井壁应光滑、圆整，以保证抽水设备顺利安装和洗井施工；5、过滤器应有较大空隙率，以尽可能增加管井的出水量；6、井管材质应无毒，对地下水无污染；7、井管应安装在井正中，以保证滤料厚度均匀，井管安装应设置找中器；8、井管应坐落在原状土层上，不能悬空，避免井管下沉；9、井管连接应圆直、牢6、固，井管偏斜度小于1，安装位置偏差小于300mm；10、井管底部应封底。5.2.2围填砂砾将滤料投入到过滤管与井壁之间环状间隙中的工序。填砂砾直接影响管井质量，施工质量不好直接导致管井报废。滤料数量按下式计算：V0.785(D2-d2)L*式中V-滤料数量；D填砾段井径；d过滤管外径；L填砾段长度；超径系数由于井管较浅采用静水填砾法，填砾时从管口返出的泥浆应导流回井内，防止井内泥浆面下降过大造成井壁坍塌。填料时沿井管四周均匀连续填入，随填随测。5.2.3洗井施工洗井是成井工艺中一项非常重要的工序。洗井的目的主要有以下几个方面：1、清除井内泥浆和附着于井壁上的泥皮；2、抽出渗入到含水层中的泥浆和7、细小颗粒，使过滤器周围形成渗透性良好的圆环带，增大管井出水量 3、降低井水含砂量。 采用活塞和空压机联合洗井，以活塞洗井为主，空压机洗井为辅的洗井方法。为防止活塞被卡于井内，活塞的外径应小于井管内径0.51.0cm。活塞洗井使井内水位震荡，反复进行直至出水变清。洗井过程中活塞不得在孔内停留，以免水中砂子沉淀，将活塞卡主。洗井应反复进行直至水清。5.2.4试验抽水为检测管井的出水性能，必须对稳定流状态下的抽水能力进行试验。测量静止水位 检查抽水设备，测量水量 含砂量测定5.2.5加真空预降水降水井经验收完毕，在开挖前20天对疏干井进行加载真空负压开始运行，以保证开挖范围内土方的干开挖。加载负压真8、空抽水时，每4口井配备1台真空泵，每口井单用一台潜水泵，要求潜水泵的抽水能力应满足单井的最大出水量，预抽水期间真空管路的真空度大于-0.06MPa，潜水泵和真空泵同时开启，抽水安装示意图见图5.2.5-1。图5.2.5-1真空负压疏干井抽水示意图5.2.6降水运行由于基坑开挖是分段、分层由浅入深逐步进行的，对降水来说也不需要将地下水位一次降至基坑设计开挖深度。对由于降低基坑下部承压水含水层水位能较敏感的引起周围地面变形，引起周围重要建筑物沉降。为保护基坑开挖安全易为保护环境，施工时，应尽可能少的抽取地下水。对不同抽水量的情况下，精确计算降水目的含水层的水位降，使基坑开挖施工得到安全保证的基础上9、，尽可能把由于降水引起对环境的影响降到最低限度。5.2.6.1周边环境监测根据基坑周边环境复杂程度，如地下管线、重要标志性建筑等进行监测指导施工。降水过程中监测项目主要包含如下几种：周边地表沉降临近建、构筑物沉降和倾斜观测周边地下管线的垂直和水平位移监测坑外浅层地下水水位监测基坑坑底土体回弹坑外孔隙水压力及分层沉降监测5.3劳动力组织（见表5.3）。表5.3 劳 动 力 组 织 情 况 表 序号单项工程所需人数工作职责1项目负责人1统一指挥，负责协调，降水资料收集及数据分析，负责地下水位实时监控2技术人员2负责现场指导作业3管井施工12管井钻孔、下井管，围填砂砾，洗井4电工3负责施工现场降水电10、路布置，负责降水设备、电路系统检查工作承压降水期间24小时值班，确保供电系统正常电源切换时位于双向闸刀位置，接到发电机工的指令，迅速切换电源5发电机工2承压降水期间24小时值班，确保停电时能够立即以最快速度启动发电机组，及时供电平时做好发电机组的保养维修工作6降水人员4负责水位观测，原始数据采集24小时值班，保护抽水设备挖土期间保护降水井，防止降水井破坏降水期间负责现场巡逻，密切注意用电情况，一旦停电立即通知发电机工和电工电源切换时位于各降压启动箱和分电箱位置，根据启动箱指示灯状态或电表状态随时对各降水井进行开启合 计 24人6.材料与设备本工法无需特别说明的材料，采用的机具设备见表6。 表611、 机 具 设 备 表 序号设备名称设备型号单位数量用途1成井钻机GPS-10型台1钻井施工2泥浆泵3PNL台1提供循环泥浆3电焊机ZXF台1井管连接4空压机ZV台1洗井5潜水泵QDX3-25-0.75台9抽水6潜水泵QX3-35-1.1台7抽水7真空泵2S-185台4形成负压8测绳30m根2测井深7.质量控制7.1工程质量控制标准7.1.1管井施工质量执行建筑地基基础工程施工质量验收规范。管井施工允许偏差按表7.1.1执行。表7.1.1 降水施工质量检验标准 序号项 目允许偏差（mm）检验方法单位数值1排水沟坡度12目测：坑内不积水2井管垂直度1插管时目测3井管（点）间距（与设计比）150用钢12、尺量4井管（点）插入深度（与设计相比）200水准仪5过滤砂砾料填灌（与计算值比）5检查回填料用量井点真空度：轻型井点kPa60真空度表7.2质量保证措施7.2.1设备进场前应进行检修和维护保养，确保进场设备的完好，保障设备能正常运行。并经项目部验收合格后方可使用。7.2.2配备必要的机修器具、零配件和消耗性材料，做好运行阶段的日常保养，确保主机设备在施工期间的正常运行能力，保障施工顺利进行。并及时做好设备运转、保养、维修工作记录表。7.2.3施工前，项目部各类管理人员须做好向作业层全体人员的技术、质量、安全和文明施工交底工作，使参加施工的每一个人都知道应该做什麽，怎样去做好。尽量调动每一个人的13、积极性，争取实施施工中的全面、全员、全过程的质量控制。7.2.4规范施工记录：降水资料由技术人员和现场负责人统一收集、整理、存放，并按要求及时报总承包方和监理验收。各项记录应规范和完整，为竣工资料汇总准备好基础资料。7.2.5认真验收，确保材料质量：自购的井管、滤料和焊条等材料均应按规定实施进场质量验收，及时填写进场材料验收记录。对验收不合格的产品应予退货，撤离现场或隔离放置，并做好不合格标记。只有经验收合格的材料才能投入使用，并挂牌加以标识。 7.2.6应在保障降水施工计划用电量的基础上注意供电正常与否，若发生计划停电或线路临时修理停电情况时，应及时预先通知，预防降水中途突然停止作业，影响基14、坑开挖的后果。7.2.7对生产作业中发现的工程质量问题，质量员应及时组织有关当事人进行不合格评审，判定其性质，分析其原因，制订整改措施，及时加以落实，并对结果进行验证记录。同时针对不合格原因制订纠正、预防措施，防止同类质量问题再次发生。7.2.8定时巡视降排水运行情况，及时发现和处理系统运行的故障和隐患。7.2.9按要求观测水位和频次，及时了解开挖过程中的水量变化情况，并根据水位变化情况，调整水泵地段和开泵数量，尽量减少地下水的排放量。8.安全措施8.1认真贯彻“安全第一，预防为主”的方针，根据国家有关规定、条例，结合施工单位实际情况和工程的具体特点，组成专职安全员和班组兼职安全员以及工地安全15、用电负责人参加的安全生产管理网络，执行安全生产责任制，明确各级人员的职责，抓好工程的安全生产。8.2施工现场按符合防火、防风、防雷、防洪、防触电等安全规定及安全施工要求进行布置，并完善布置各种安全标识。8.3电力开关柜及动力配电箱要上锁，要做好防雨防砸等防护工作。其放置地点要安全、平稳，周围无杂物堆放。 8.4氧气瓶与乙炔瓶隔离存放，严格保证氧气瓶不沾染油脂、乙炔发生器有防止回火的安全装置。8.5施工现场的临时用电严格按照施工现场临时用电安全技术规范的有关规范规定执行。8.6 基坑管涌、流砂现象处理措施：当基坑内出现较严重的管涌或流砂时，立即停止基坑开挖及降水，必要时采取灌水反压或堆料反压。当16、管涌、流砂停止后，可通过注浆加固、堵漏处理。8.7施工现场使用的手持照明灯使用36V的安全电压。8.8建立完善的施工安全保证体系，加强施工作业中的安全检查，确保作业标准化、规范化。9.环保措施9.1成立对应的施工环境卫生管理机构，在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理，遵守有防火及废弃物处理的规章制度，做好交通环境疏导，充分满足便民要求，认真接受城市交通管理，随时接受相关单位的监督检查。9.2将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，17、施工场地整洁文明。9.3对施工中可能影响到的各种公共设施制定可靠的防止损坏和移位的实施措施，加强实施中的监测、应对和验证。同时，将相关方案和要求向全体施工人员详细交底。9.4设立专用排浆沟、集浆坑，对废浆、污水进行集中，认真做好无害化处理，从根本上防止施工废浆乱流。9.5定期清运沉淀泥砂，做好泥砂、弃渣及其它工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施，废水除按环境卫生指标进行处理达标外，并按当地环保要求的指定地点排放。弃渣及其它工程废弃物按工程建设指定的地点和方案进行合理堆放和处治。9.6优先选用先进的环保机械。采取设立隔音墙、隔音罩等消音措施降低施工噪音到允许值以下，同时尽可能避免夜间施工。918、.7对施工场地道路进行硬化，并在晴天经常对施工通行道路进行洒水，防止尘土飞扬，污染周围环境。10.效益分析10.1本工法充分应用地下连续墙隔水帷幕作用，将降压井设在基坑内，所需施工井的数量减少，降低施工成本 。同时根据开挖的工况分段、分层抽水，降低了地表沉降，保护了基坑周边管线和建筑物。11.应用实例无锡城铁1 号线土建工程17标段大学城站明挖车站基坑降水11.1工程概况大学城站主体结构外包尺寸为190.2m（长）20.3m（标准段宽），地下二层车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，内部结构为钢筋混凝土箱型结构。北端头井基坑开挖深度约18.3m，南端头井基坑开挖深度约17.9m，标准段基坑19、开挖深度约16.36m左右。车站顶板覆土厚约3.05m。车站采用地下连续墙为围护结构，墙厚度为800mm，标准段围护墙墙深29m。基坑开挖深度16.216.5m，基坑开挖底面位于第(6)1-1层粉质粘土中，地下墙墙趾插入(6)2层粉质粘土中；北端头井围护墙墙深为32m。基坑开挖深度为18.3m，基坑开挖底面位于第(6)1层粘土中，地下墙墙趾插入第(7)1层粉质粘土中；南端头井围护墙墙深为32m。基坑开挖深度为17.9m，基坑开挖底面位于第(6)1层粘土中，地下墙墙趾插入第(7)1层粉质粘土、第(7)2层粉砂（粉土）中。大学城站为地下二层10m宽岛式站台车站，车站有效站台中心线里程为右CK28+20、027.404，设计起终点分界里程分别为右CK27+944.404、右K28+133.004。车站外包长度188.6m、标准段外包宽18.7m。本次降水工程主要为地铁1号线大学城站主体结构基坑具体性质见表11.1：表11.1 基坑工程性质表工程部位开挖深度(m)开挖面标高(m)围护方式围护深度(m）主体结构北端头井18.418-12.968地下连续墙31标准段16.52816.147-11.078-10.6972930南端头井18.037-12.58732注： 本工程地面标高取平均地面标高+5.45m。根据本工程基坑开挖及基础底板结构施工要求，降水的目的为：1、疏干开挖范围内土体中的地下水，方21、便挖掘机和工人在坑内施工作业；2、降低坑内土体含水量，提高坑内土体强度；3、降低下部承压含水层及承压含水层的水位，减少坑底隆起和围护结构的变形量，防止基坑底部突涌的发生，确保施工时基坑底板的稳定性。为了方便基坑的开挖作业，并且保证基坑的安全开挖,对于主体结构我们需要期疏干开挖范围内潜水含水层和(3)3层中的含水量。同时，因(6)2-1层夹有粉砂层，属弱透水层，该层具有一定的承压性，故降水设计中应考虑该层对基坑的影响，需布置若干该层的减压降水井。1、(3)2层、(3)3-1层和(3)3层基坑上部的含水层主要为(3)2层粉质粘土夹粉土层、(3)3-1层粉质粘土层和(3)3层粉土夹粉质粘土层，根据土22、层特性，采用管井进行浅部土层的疏干降水，基坑内水位应控制在开挖面以下1m。2、(6)2-1层工程中主体结构基坑围护底部位于(6)2层或(7)1层中，基本将(6)2-1层隔断,且(6)2-1层水量较小，基坑内抽取承压水理论上不会对基坑外产生影响。故本次减压降水工程采用将基坑内部分疏干井加深至(6)2-1层来降低承压含水层的水位的降水方式，以满足基坑的安全开挖要求。(6)2-1层在本车站均有分布，根据静探曲线可以看出，南侧基坑(6)2-1层砂性较大，而北侧基坑(6)2-1层砂性相对较小，降水设计中可根据地层的分布特性合理布置降水井间距。降水井分布图见图11.1大学城站主体结构降水井分布图11.1大23、学城站主体结构降水井分布图11.2施工情况根据大学城站水文、地质条件主体结构共布置9口疏干井，7口降压井。疏干井号为J1J9，深度为22m，滤管埋深为6.0010.00m、12.0015.00m、17.0021.00m，4.0022.00m深度内回填滤料，04.00m深度内填粘土；布置降压井7口，井号为Y1Y7，深度为28m，其中Y1、Y2、Y6、Y7滤管埋深为6.0010.00m、1217m、2027m，4.0028.00m深度内回填滤料，04.00m深度内填粘土； H2-3H2-7滤管埋深为6.0010.00m、1215m、1720m、2327m，4.0028.00m深度内回填滤料，04.24、00m深度内填粘土降水井施工自2010年2月27日施工至2010年3月12日完工，后进行抽水试验，2010年3月20日至21日完成现场降水试验。1、第一组：单井抽水试验2010年3月20日9：00对大学城站进行单井抽水试验，抽水时间为9h。实测Y5初始水位埋深为4.51m，Y7初始水位埋深为4.17m。抽水井Y6单井出水量约为：13.8m3/d。单井抽水试验相关数据曲线见图11.2.1、图11.2.2.图11.2.1 单井抽水试验观测井埋深时间曲线图11.2.2 单井抽水试验观测井水位降深时间曲线从以上图表及数据可以看出，抽水试验初期，观测孔的水位下降速率较大，随着时间的延续，增长速率逐渐减小25、。因现场施工条件的限制，单井抽水试验抽水9h后被迫停止。抽水9h后，Y5的水位降至6.72m（降深：2.21m），Y7水位降至7.01m（降深：2.83m）。2、第二组：群井抽水试验2010年3月21日10：00进行群井抽水试验，抽水时间为20h。实测Y7单井抽水量为16.1 m3/d，Y5单井抽水量为12.0 m3/d。试验相关关系曲线见图11.2.3、图11.2.4。图11.2.3 群井抽水试验观测井水位埋深时间曲线图11.2.4 群井抽水试验观测井累计降深时间曲线从抽水试验数据可以看出，在单井试验的基础上开启降水井Y7进行群井抽水试验，抽水1d后，观测井Y5水位降至9.37m（累计降深426、.86m）。从上图可以看出，群井抽水试验初期水位下降速率大，之后速率逐渐减小，随着时间的延续，水位仍继续下降。本工程抽水试验采用降水井为混合型降水井，即同时涉及到（3）3层和（6）2-1层降水，因单井抽水试验停止后，由于工程降水的需求，开启了基坑内疏干井进行抽水，致使单井停抽后观测井的水位仍持续下降。基坑底板抗突涌稳定性验算本工程实测降压井初始水位埋深约为4.174.51m，即绝对标高为+1.28+0.94m，含水层的水位随季节呈周期性变化，本次实测水位与勘察报告所提供（3）3层水位-1.08m相比水位偏高。根据实测水位，选取不利标高+1.28m对基坑底板进行稳定性验算及基坑稳定性分析，分别见27、表3-2及表3-3。基坑底板稳定性验算基坑底板的稳定条件：基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力。即：hs FswH，其中：h 基坑底至承压含水层顶板间距离(m)；s 基坑底至承压含水层顶板间的土的重度(kN/m3)；H 承压水头高度至承压含水层顶板的距离；w 水的重度(kN/m3)，取10kN/m3；Fs 安全系数，一般为1.01.2，本工程取1.10；图11.2.5 基坑底板抗突涌稳定性验算示意图1、(3)3层抗突涌稳定性验算(3)3层为无锡地区松散岩类孔隙弱承压含水层，对于车站主体结构，基坑开挖面位于(6)1-1层，将(3)3层挖穿，降水过程中则考虑对本层的疏干28、作用。2、(6)2-1层/(6)3层抗突涌稳定性验算本工程中视(6)2-1层和(6)3层为同一承压含水层，初始水位标高取+1.28m，选取钻孔JC09-DX1作为计算参考孔，含水层层顶标高为-16.64m，本工程(6)2-1层/(6)3层降压情况见下表：表11.2.1 基坑底板抗突涌稳定性验算表（(6)2-1层/(6)3层）工程部位开挖面标高(m)承压水顶托力(Kpa)上覆土压力(Kpa)水位降深（m）控制水位标高（m）控制水位埋深（m）北端头井-12.968197.173.411.25-9.9715.42标准段-11.078-10.697111.6119.37.777.07-6.49-5.729、911.9411.24南端头井-12.58781.110.55-9.2714.72基坑稳定性分析针对上述计算结果，为了保证基坑稳定，根据公式hs FswH，计算基坑开挖时基坑稳定临界开挖深度。计算结果如表3-3：表11.2.2 基坑临界开挖深度工程名称地面标高(m)承压水顶托力(KPa)临界开挖标高(m)临界开挖深度(m)大学城站+5.45197.1-6.7212.17当基坑开挖至临界开挖面以上时，需要对承压含水层降压，以保证基坑开挖安全。3.3.2基坑安全性分析1、微承压含水层(3)3层位于基坑开挖范围内，其水位要求降至开挖面以下。因基坑围护完全将该层隔断，随着抽水时间的延续，该层将被疏干，30、可以满足基坑开挖要求。2、对于承压含水层(6)2-1层/(6)3层，从群井抽水试验结果可以看出，Y6抽水2天、Y7抽水1d，观测井Y5的水位降深为4.86m。从群井抽水水位数据曲线可以看出，观测井的水位未降至稳定状态，即随着抽水时间的延续，仍有继续下降的可能性，且围护基本将该层承压含水层隔断，随着群井抽水时间的延续，现有降压井抽水能够满足基坑开挖要求。11.3工程监测与结果评价采用“有隔水帷幕管井加真空降水”工法施工后，为保证施工大学城站基坑开挖过程施工安全，运用信息技术来指导施工，为施工提供可靠连续的监测资料。施工过程中，由南京南大岩土工程技术有限公司对车站施工进行全过程监测，通过监测分析如下：地表沉降监测结果显示，周边地表最大沉降量为DB12-112.03mm，发生在基坑南端头。地下水位最大累积量发生在SW7最大累计量-490mm，发生在南端头扩大端与标准段转角部位。墙顶水平位移最大累计变化量发生在QD15，最大累积量为12.25mm，发生在1314轴1/2跨处。墙体深层侧向位移CX10在12.0m深处最大累计量24.28mm。施工全过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态，整个开挖过程中未发生管涌，突涌等事故，开挖面土体稳定，地下水位在开挖面下1.02.0m范围。满足基坑土方开挖和主体结构施工进度需要，无安全生产事故发生，得到了各方的好评。