大基坑深井降水系统施工技术研究

李棉巧

摘要： 本研究主要针对泵站-节制闸基坑特殊的地理位置及特殊的地质构造，对基坑降水施工工艺进行优化，对降水井的设计施工和运行进行优化，使之达到缩短工期，减小成本投入的目的。

Abstract： This study mainly aims at the special geographical location and special geological structure of the foundation pit of pumping station-regulator， optimizes the construction technology of foundation pit dewatering and the design construction and running of the foundation pit to shorten the construction period and reduce the cost.

关键词： 水利工程；大基坑；深井降水；施工技术研究

Key words： water conservancy project；large excavation；deep-well dewatering；construction technology research

中图分类号：TV5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）08-0097-04

0 引言

在水利工程上，基坑降水的应用多以明排或者防渗帷幕为主，近几年由于沿江沿河地段开发及施工，采用井点降水案例也逐步增多，其施工工艺也日趋成熟。但在长江边上、且紧邻荆江大堤进行如此大规模基坑降水及土方开挖施工还不多见，基本上没有成熟的经验可以借鉴，其施工难度相对较大，且因靠近荆江大堤更应注重施工中的安全防护，而基坑降水后续项目施工的关键，基坑降水的施工进度和施工成效是关系整个工程能否顺利进行的重要因素。因此，为了保质、保量、高效地按照计划工期完成施工目标，将大基坑深井降水作为一项研究课题，在施工中加以实施，使之达到缩短工期、减小成本投入、总结经验，为类似工程提供技术参考。

1 项目概述

引江济汉进口段位于荆州市荆州区李埠镇龙洲垸的长江河段左岸，全长4.0km。进口段一标段里程桩号为K2+350～K2+950。本标段由渠道、节制闸、泵站组成，全长600m，上游渠道顶宽328.4m，上游底宽200m，下游渠道顶宽250.8m，底宽180m。

本标段工程距长江2.3km，地下水丰富，地下水位枯水期顶部为33.00m高程，汛期为35.00m高程。工程区地下水分为孔隙潜水、孔隙承压水及基岩裂隙水。地层结构主要有四层自上而下分别为：粘土（壤土）、粉细砂、砂卵石层以及下伏下第三系泥质粉砂岩。因砂层中富含承压水，天然地下水较基础底板高出较多，承压水头较高，直接开挖会出现基坑涌水、涌砂及渗透变形等问题。本标段为工程地质条件差的（D）类。依据招标文件所示的地质资料，本标段地层可分为3个渗透性分区，即：粘壤土层、粉细砂层和砂卵石层。粘壤土层厚4～6m，粉细砂层厚11～15m，砂卵石层（顶高程8～21m，底高程-39.03～-37.01m）厚47～60m。由于工程所处的特殊地理位置、地质构造及泵站-节制闸结构特点，决定了基坑开挖将是本工程的一个施工难点。为保证基坑开挖施工的顺利进行及基坑边坡稳定安全，在进行基坑开挖时如何降低地下水位，保证开挖基坑安全将是本工程的又一个技术难点。

2 技术研究难点

大基坑深井降水，由于涉及的基坑土方开挖量较大，传统的降水井施工一般在设计及施工上考虑一次设计到位，一次施工到位。这样的施工方法往往会造成土方开挖施工时间等待较长，易造成前期降水运行成本升高，开挖工期延迟等弊端。该项技术研究立足于解决施工成本与进度的矛盾，其技术难点主要有以下几个方面：

①基坑开挖与降水井分期分批施工的协调性。降水井的设计、施工、运行应保证地下水水位始终在开挖面以下0.5m左右，由于基坑为动态开挖面，这样降水井的设计、施工、运行时间、数量如何与开挖进度统一，如何在最小降水成本状况下满足基坑开挖进度将是本项目的一个难点。

②由于基坑所处长江边，距离长江较近，地层下部粉细砂和砂卵石层皆为强透水层，基坑地下水水位与长江水位关系也是技术研究的难点。

③在深井施工过程中，由于地下水位较高，强透水层在降水井施工过程中特别是洗孔过程中极易造成垮塌，形成塌孔。如何保证降水井施工的顺利进行也是一个难点。

3 技术方案研究试验

技术研究试验流程：抽（降）水试验→确定、复核相关参数→一期基坑降水井设计→基坑降水井施工→降水系统运行、基坑开挖→观测、分析数据（通过观测井观测及降水井流量）→基坑开挖→验证降水效果、优化降水井设计、优化降水井施工工艺→二期降水井设计、施工及运行→基坑开挖→观测、分析数据（通过观测井观测及降水井流量）→验证降水效果、优化降水井设计、优化降水井施工工艺→局部加设降水井设计、施工、运行→基坑开挖→观测、分析数据（通过观测井观测及降水井流量）优化降水井设计、优化降水井施工工艺→指导本项目及其他标段类似项目渠道、基坑降水施工。

4 技术方案研究及实施

4.1 进行降水试验，获得地层渗透系数

为保证基坑降水的顺利实施，在进行降水井施工前，为获得地层实际渗透系数进行了降水试验。降水试验共布置4口降水井及4口观测井，其中两口降水井深入砂卵石层，两口降水井位于粉细砂层，观测井主要为进行抽降水试验时观测地下水位变化配置。如图1。

试验目的：①利用单井降水试验确定各地层水文地质参数和单井出水能力，为降水井设计施工提供基础数据。②根据不同组合条件下的群井抽水试验结果，分别评价深层群井降水、浅层群井降水以及4口井同时抽水的降水效果，为降水井设计施工提供基础数据。

4.2 基坑降水井设计

根据降水试验获得的各地层渗透系数及在进行试验井施工时的钻井经验，结合泵站及节制闸基坑开挖深度要求，对基坑开挖部位降水井施工方案进行了优化设计。

①降水井设计指导思想。因项目工期紧张，为保证工程能够按时完工，在降水井设计上，考虑土方开挖施工进度，采用分期分批进行降水井施工。

②优化降水井施工工艺。根据试验井施工时的钻井经验，在试验井钻井时因地质条件较差，钻井过程中塌孔严重，试验井成井困难，为防止钻井过程中塌孔现象的发生也采取过很多技术措施，但塌孔现象并未能有效解决。在查阅相关降水井技术资料后，采用护壁碱代替泥浆护壁进行降水井钻井施工，在钻井设备的选择上采用反循环钻机进行钻井，以提高降水井成井效率，增加降水井成井后的单井出水量，提高降水井降水能力。

4.3 基坑降水井布置实施方案

根据基坑降水井设计指导思想，基坑降水井（如图2）主要布置在泵站及节制闸开挖边坡的马道上，降水井施工分三批进行，即：

①一期降水井布置26口，间距40m，降水井深入砂卵石层，以增大降水井出水量，降水井沿泵站及节制闸开挖基坑四周均匀布置，主要满足上层粘壤土层开挖施工要求。

②在一期降水井施工完成并逐步投入运行后，进行二期降水井施工，二期降水井布置26口，间距40m，二期降水井施工完成后，基坑四周降水井数量达到52口，降水井间距缩小至20m，基坑降水井降水能力基本能够满足泵站及节制闸开挖的干地施工要求，同时也能保证开挖深度加深后边坡稳定、安全。

③在泵站基坑局部开挖较深部位，进行局部加密降水井施工，加大局部降水井降水能力，加密降水井布置5口，间距为20m。

④在进行降水井施工及土方开挖施工的同时，为保证开挖基坑安全稳定，实时监控地下水位变化情况，在基坑轴线方向上布置5口观测井，观测井在轴线方向上均匀布置，用以观测开挖基坑地下水位，指导土方开挖施工及降水井运行。

通过上述降水井施工方案优化设计，加大了降水井成井率，同时采用分期分批施工降水井，使得土方开挖施工得以提前进行，一则减少了降水井整体运行时的费用支出，土方开挖提前进行也缩短了土方开挖施工工期，做到了效益和工期双赢。

5 成果分析

通过该项技术研究在降水井施工工艺及基坑降水设计施工运行等方面进行了诸多的革新，研究出了一整套符合南水北调引江济汉工程类似项目的施工工艺和方法，具体涉及如下几个方面：

5.1 深井施工方面

传统的降水井施工一般采用反循环钻或者冲击钻泥浆护壁进行钻井施工，但由于我部基坑地处长江边，距离长江边较近，地下水位较高，而且地质构造为强透水层的砂卵石层，在此条件下，钻井不易成孔。为此，项目组根据现场施工实际情况，采用了护壁碱替代泥浆护壁，保证了钻孔的成孔率。同时为保证降水井完成后的单井出水量，在钻孔机械方面的选择了反循环钻，摈弃了冲击钻，试验证明，采用护壁碱及反循环钻施工，既能增加降水井的成孔率又能加大单井的出水量。

5.2 降水井的设计方面

在降水井的设计方面，由于征地拆迁原因，导致基坑开挖强度大幅增加，为满足整个工程合同工期要求，在基坑降水井施工方面采取了分段分次设计施工运行方式，具体如下：

①第一阶段针对泵站-节制闸基坑具有的大跨度大深度特点，沿基坑开挖开口边线大间距布设降水井，快速完成一期降水井施工运行，使基坑地下水迅速降至开挖面以下。

②第二阶段在第一阶段基础之上采取加密降水井设计、施工、运行，使基坑地下水位始终保持在动态开挖面以下，满足基坑开挖要求。

③针对泵站机组段局部小范围范围内，开挖高程低的现象，采取局部布设降水井，在相对较短的时间内进行降水，在完成该部位混凝土封底后，立即拆除降水井。（如：泵站3-5#机组段集水井部位施工）

④在结构施工上遵循先低高程部位优先施工的原则，保证在相对较短的时间内完成相对较低的部位的结构施工，然后以基坑最低结构面为准，确定所需最低基坑降水水位高程。其优先是，使降水井运行的数量始终保持最少，从而降低基坑运行成本。

综上所述，通过对降水井施工工艺及施工方案的优化上采取一些列措施，最终达到既满足施工进度要求，又最大限度的降低了施工成本，保证了基坑土方开挖的正常进行，从而保证了泵站-节制闸混凝土的施工，在施工征地拆迁严重滞后不利条件下，最终使工程满足总工期进度要求。

6 本项目的创新性分析

针对本工程基坑开挖部位位于长江边上且紧邻荆江大堤的特殊的地理位置，地质构造为强透水层的砂卵石层的特性，对本项目降水井施工根据实际施工条件进行分析，考虑降水井施工深入砂卵石层，为防止降水井钻井过程中塌孔及成孔困难，改变传统降水井施工工艺，使得在施工过程中降水井成孔率及出水量显著提供，保障了基坑降水的顺利进行，为项目的顺利实施奠定了基础。

①进行降水井施工时，改变传统降水井施工工艺，用护壁碱替代了传统的泥浆护壁，大幅增加了降水井钻井的成孔率，减少了降水井采用泥浆护壁时出水量小的现象及反复进行洗井的操作。同时采用护壁碱替代泥浆护壁的另一个优点是增加了降水井的单井出水量，在基坑内来水量不变的情况下减小降水井数量，节约工程投资。

②针对本项目施工工期短，基坑开挖强度大的特点，降水井施工采用分期分批进行施工、逐步投入降水运行。即先较大间距的布设降水井，然后进行加密井施工，逐步增加降水井降水能力及降水有效深度，最后针对降水深度要求较深的局部区域采取局部增加加密降水井的施工方法，进行基坑开挖降水施工及运行。采取上述方法进行基坑降水井施工及运行的主要优点是：既缩短了降水井施工及土方开挖施工工期，又降低了降水进行基坑降水的运行成本，做到了工期和效益的双赢。

③本标段工程距长江2.3km，地下水丰富，地下水位枯水期顶部为33.00m高程，汛期为35.00m高程。工程区地下水分为孔隙潜水、孔隙承压水及基岩裂隙水。地层结构主要有四层自上而下分别为：粘土（壤土）、粉细砂、砂卵石层以及下伏下第三系泥质粉砂岩。因砂层中富含承压水，天然地下水较基础底板高出较多，承压水头较高，直接开挖会出现基坑涌水、涌砂及渗透变形等问题，本标段由渠道、节制闸、泵站组成，全长600m，上游渠道顶宽328.4m，上游底宽200m，下游渠道顶宽250.8m，底宽180m，大基坑地下水丰富排水强度大。

7 经济效益和社会效益评价

7.1 掌握了在复杂的地理地质提条件下的降水井施工技术

针对基坑开挖部位特殊的地质构造，在常规的采用冲击钻配合泥浆护壁的条件下，由于极易塌孔。根据现场实际情况采用了反循环钻及护壁碱进行护壁，降水井成孔率显著提高、降水井出水量也明显增加，因单口井的出水量增加，在相同抽水量的情况下减小了降水井施工数量，既节约了施工成本，又满足了基坑土方开挖对降水井的要求。基坑开挖部位共计完成62口降水井，成功将基坑地下水位降至13.0m高程以下，满足了基坑土方开挖要求，基坑降水的成功为今后类似工程项目取得了珍贵的可以借鉴的资料。

7.2 优化基坑降水井设计施工运行方法

由于征地拆迁因素影响，造成基坑开挖区征地推迟移交，从而开工时间推迟约7个月。项目永久征地于2010年10月份移交，而次年5月就进入长江主汛期，基坑土方开挖工程量约120万方，开挖量大，工期紧，是项目面临的重大难题。

为保证在2011年3月底完成基坑土方开挖，转入基坑混凝土封底施工，以确保基坑汛期安全。项目组根据现场实际情况及紧迫的工期要求，采用了与基坑降水施工与土方开挖施工同步进行的施工方案，即降水井分期分批进行钻井施工，每口降水井完成后即投入降水运行，逐步加大降水井降水能力。完成一期降水井后，再进行加密井施工，全部降水井投入运行后，地下水位基本位于建基面以下，能够保证大范围的土方开挖施工，最后在局部开挖较深部位进行加密井施工，完成土方开挖施工任务。通过采取分期分批进行基坑降水，有效解决了土方开挖施工期间的降水问题，保障了土方开挖施工期的边坡安全及稳定，采用降水工程与土方开挖工程同步施工也最大限度的缩短了工期，保证了基坑开挖施工进度，为基坑进行混凝土封底施工赢得了时间，从而最终保证了基坑的汛期安全。

7.3 因地制宜降低施工成本

通过改进降水井施工工艺，增加了单口降水井的出水量，在基坑排水量相同的情况下，减小了降水井施工数量，以较少的降水井完成了基坑降水任务，也直接降低了施工成本。

①通过在钻井施工工艺上采用了护壁碱替代传统的泥浆，增加了降水井的一次成孔率。通过对比，在采用护壁时，成孔率一般只在40%左右，而采用了护壁碱后一次成孔率达到了80%左右，整个基坑钻井62口，减小塌孔数为：62×40%=24.8（口），直接节省费用为24.8×13=322.4（万元）。节省工期月24.8×7=173.6（天）。

②在降水井设计施工运行上由于采用了分次降水，分次开挖的施工方法，直接减小了降水费用，大幅缩短了工期。其具体如下：1）一期基坑开挖从2010年6月-2010年9月底，约120天，一期施工降水井26口，减少降水费用为：26×120×15×24×0.98=110（万元）；2）二期基坑开挖约为从2010年10月-2011年3月底，开挖时间约为：180天，二期施工降水井26口，减小降水费用为：26×180×15×24×0.98=165.1（万元）；3）三期降水井施工10口，其施工时间为2011年4月-2011年6月底，施工时间约90天，减小降水费用为：10×90×15×24×0.98=31.75（万元）。

综上所述，采用以上施工方法进行优化，直接节约成本共计：629.25（万元），同时缩短工期约293.6天。

8 存在的主要问题及改进措施

8.1 存在问题

在深基坑降水作业运行的同时进行基坑土方开挖，做到干地施工，保障工程施工正常进行，降水深度在开挖作业面以下0.5m左右即可，太多降深投入资源较多，抽水运行费用较高，此项在实际降水过程中较难控制，应当在降水运行及水位控制上，根据施工时积累的数据资料进行分析，得出一套完整的水位控制方法。

8.2 改进措施

降水井施工投入运行后，为解决地下水位观测问题，在基坑中间施工5口观测井，实施对地下水位的不间断观测，在保障干地施工的要求下，根据运行降水井数量及地下水位关系，实施调节措施，以节约降水运行成本，做到安全与效益双赢。

9 结语

基坑降水是基坑开挖施工中采取的工程措施之一，虽然应用较为广泛，但在地质条件复杂，地层渗透系数较大，且紧邻长江主河道这样的区域内实施深井降水还存在一系列的问题需要解决。

本次研究通过实施深井降水，改变降水井施工工艺，施工中解决了在砂卵石层进行深井施工的成井及降水井出水量问题，同时降水井施工与土方开挖同步进行，对开挖各阶段需投入降水井数量及降水能力得出了一套完整的施工经验，保障了工程施工安全及工期，同时也为今后类似工程提供了可以参考的案例。

参考文献：

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