富水砂砾地层基坑降水方案设计及施工

吴电强

中铁十四局集团第四工程有限公司

1 工程概况

1.1 地下通道概况

地下通道由东向南呈直线型，横穿既有道路下部，全长1242m，设计里程K0+208～K0+480 长度272m，K1+212～K1+450长度238m段，采用U型槽结构，结构高度3.5m～9.45m，结构宽度11.5m～13.5m，结构底板埋深 2.5m～8.45m。设计里程K0+480～K1+212段采用直墙拱顶结构，结构高度7.9m～8.6m，结构宽度9.8m～13.45m，结构底板埋深10.6m～108m，覆土厚度约2.6m。

1.2 工程及水文地质条件

拟建场区属于松嫩平原，由于白垩纪以来缓慢的沉积作用，在巨厚的白垩系与第三系之上，经嫩江及其支流的长期泥沙冲击堆积了很厚的第四纪松散物质，第四系砂与砂砾石为主的松散堆积物，厚达148m。其表层多砂，砂砾石及局部砂土，透水性较强，又有嫩江及其支流发育其上，并与地下水联通，因此承受降水、河水及外区潜水径流补给，形成大面积水量相当丰富的厚砂砾石孔隙潜水，富水亚区。场区内地下水属于第四系孔隙潜水。含水层主要为细砂、圆砾层，②1、③1 粉质黏土层起到相对隔水作用。

2 降水方案设计

本次方案含水层厚度按50m考虑，水位按降至基底以下1m控制。基坑涌水量计算采用解析法和数值法进行分段计算，并对不同止水深度条件下的基坑涌水量进行对比，确定最优方案。

2.1 数值法计算基坑涌水量

（1）水文地质概念模型。根据勘察资料，将场区在垂向上概化为4个模拟层，自上而下分别为：第1层为填土、杂填土、耕土；第2层为细砂层组成的潜水含水层；第3层为圆砾层组成的潜水含水层；第4层为砂层、中粗砂组成的潜水含水层。

（2）模型参数。地下水流数学模型涉及的模型参数主要为渗透系数（Kxx、Kyy、Kzz），其值的大小直接决定概念模型与实际水文地质模型的拟合程度以及基坑涌水量预测的大小。本次结合地勘资料、地层经验参数等，充分考虑地层的各向异性，模型参数取值如下。

（3）计算模型结果。根据模型分别计算一期里程（K0+208～K0+480）、（K1+212～K1+450），二期里程（K1+212～K1+450）分别在无钢板桩条件下，分别围护12m、18m和24m钢板条件下，水位降深及基坑涌水量的数值，汇总结果如表1所示。

表1 数值法基坑涌水量计算结果汇总表

根据计算结果显示，有无钢板桩围护止水对比，采用钢板桩围护止水对水量减少效果不大。12m钢板桩止水仅减小7000m³∕d，18m钢板桩止水减小17000m³∕d～20000m³∕d，24m 钢板桩止水减少效果好，可减少水量为 45000m³∕d～50000m³∕d。 综合钢板桩围护下“坑内降水”和“放坡开挖”条件下“坑外降水”，两种方式进行对比分析，“放坡开挖方式”，更适用于本项目。

2.2 解析法计算基坑涌水量

若隧道整体采用“放坡开挖”形式，隧道中间局部采用桩支护，利用“大井法”求解。

（1）水位降深。勘察期间静止水位埋深0.90m～2.50m，静止水位标高为141.43m～142.27m，最大变幅1m～2m。地面高程为144m，计算水位标高取值地面埋深以下1m（水位标高为143m）。

（2）基坑等效半径。不同规范对于长条形基坑等效半径的规定略有不同，本次选择不同规范对基坑等效半径进行分别计算，进而求对应的基坑涌水量，将计算结果列于表2。

表2 基坑总涌水量计算结果（单位：m³∕d）

2.3 数值法和解析法对比

根据以上章节数值法计算和解析法计算结果对比，解析法大于数值法，考虑解析法，概化含水层为一层，未考虑垂下渗透系数，并采用“大井法”简化计算，与实际存在一定差别。数值法计算考虑不同含水层渗透性，地层水平及垂直向渗透性，计算更加符合实际情况。本次降水设计采用更加符合实际的数值法计算结果。

3 降水井设计

3.1 单井涌水量

单井涌水量应选择群井抽水中水位干扰影响最大的井进行计算。

场地圆砾层渗透系数达到180m∕d，中粗砂渗透系数达到80m∕d，整体含水层厚度50m，表中无经验系数，根据外插法推算，α推测为9.02，过滤器长度12m，外径325mm。管井出水量计算得10400m³∕d。

现场抽水试验，采用直径325mm，18m 管井抽水，24h 主井1号、4 号单井抽水量达到 4583m³∕d、4123m³∕d，初始水位埋深1.56m、1.36m，主井水位降深6..02m、3.76m。依据地下水Q-S 曲线变化规律推测，最大单井出水量将达到至少8000 m³∕d。

综合计算，及实际抽水情况，考虑群井抽水时，单井出水能力会大大减小，计算时取单井出水能力为5000m3∕d。

3.2 降水井数量

降水井的数量可根据基坑涌水量和设计单井出水量进行计算。K0+208-K0+488 段设 34 口；K0+488～K1+210 段设 69 口；K1+210～K1+450段设27口，共计130口。

3.3 降水井结构

（1）降水井深度。降水井的深度应根据降水深度，含水层的埋藏分布、地下水类型，降水设备条件以及降水期间地下水位动态等因素确定。降水井的深度可按下式确定：

式中：

HW——降水井深度（m）；

HW1——基坑深度（约12m，泵房约14m）；

HW2——降水水位距离基坑底部要求的深度（1m）；

HW3——ir0，i为水力坡度，在降水井分布范围内宜为1∕10～1∕15；

ir0——降水井分布范围内的等效半径或降水井排间距的1∕2（取1m）；

HW4——降水期间的地下水位变幅（约1m）；

HW5——降水井过滤器工作长度（取有效长度9m）；

HW6——沉淀管长度（1m）。

综合基坑开挖，单井设计出水量要求，降水井深度的设计为30m。

（2）降水井结构。降水井结构采用直径325mm、壁厚4mm钢管，下设1m沉淀管，滤料回填至初始地下水位。

4 降水施工

4.1 工艺流程

准备工作→钻机进场→定位安装→开孔→下护筒→钻进成孔→冲孔换浆→下井管→稀释泥浆→填砂→止水封孔→洗井→下泵抽水。

4.2 施工方法

施工机械设备选用GF-200 型工程钻机及其配套设备。成孔时采用反循环回转钻进成孔工艺。

（1）钻进成孔：钻进过程中，泥浆比重宜控制在1.10～1.15，采用地层自然造浆。

（2）清孔、换浆：钻孔到设计深度后，要清孔、换浆，把泥浆调整到1.05左右。

（3）下井管：对于钢管井，宜采用悬吊下管法，井管底部焊接钢板封堵牢靠，井管与井管之间焊接牢固，确保焊缝均匀、无砂眼

（4）投滤料、固井：井管下好后，立即按设计要求回填滤料，滤料沿井壁四周均匀填入，测滤料层的顶面高度。

（5）洗井试抽：滤料回填后，应该在8h内用潜水泵洗井，直至井水洗清达到规范要求为止。洗井时若出现井水中含有滤料，应停止洗井，检查原因，进行处理，必要时要报废掉，并按封井要求进行封井。

5 结语

降水施工是一项非常复杂的工程，降水质量直接关系到整个工程的安全和进度，选择合理的计算模拟方法确定降水量，并进一步设计合理的降水方案是至关重要的。本文根据工程概况，水文地质条件，对模拟降水量、基坑降水井的深度、降水井的数量、降水井的结构等进行计算和设计，并提出施工要求，在实际的基坑降水工程中取得了良好的效果。为相似富水砂砾地层的基坑降水工作提供了可以参考的依据。