“盖挖逆作法”开发城市地下空间降水施工技术

张志敏，王 湫

（中国二十冶集团有限公司，上海 201900）

随着我国城市建设的不断发展，土地资源的逐渐稀缺，综合考虑战时与平时的人防需要，越来越多的城市在成熟繁华的商业街道路下修建地下人防工程[1]。因所处地理位置的特殊性，为了减少新建工程对周围环境的影响，此类地下工程多采用逆作法施工，基坑需要提前进行降水施工，为基坑开挖和后续工序创造无水作业条件。

1 工程概况

1.1 工程简介

本人防工程位于某城市闹市区，是繁华的商业地带，该区域居民密集，人车流量大。本次地下人防工程全长1023m，人防结构宽度为33.4m，地下二层，人防建筑面积约7 万m2，顶板厚500~600mm，覆土2.0m 左右，结构埋深约13~15m，负一层层高5.25~5.75m，负二层层高为5.7~7.0m，结构为钢筋混凝土无梁楼盖体系。为尽量减少对周围交通影响，本工程采用“盖挖逆作法”进行施工，即先做顶板，等顶板结构施工完毕，回填后先恢复路面通车，之后采用“盖挖逆作法”施工顶板以下的工程。

结构侧墙外采用双轮铣支护墙兼止水帷幕作为外围护，其中止水帷幕穿透透水层进入透水系数较小的粉质黏土层。人防工程地下室基底深度为设计路面（±0.00）以下约13.5~17m 之间，根据图纸设计及降水规范要求，地下水位应降至基底以下0.5~1.0m 左右。

1.2 地质概况

场地处于海相沉积一级阶地，经城市建设平整后，地面较平坦，为现状行车道路及人行道，自然地面标高4.00～4.86m，相对高差0.86m。场地两侧均为1～16 层已有建筑。道路及两侧分布地下管（线）网较复杂。

勘察孔最大深度为20.70m，场地的地基土层为第四系海相沉积物，根据岩性组合和工程性质的差异，划分为6 个工程地质层，自上而下分述如下：

①杂填土（Q4ml）：全场地分布，厚度0.4～1.0m，松散～稍密状，成分以粉细砂为主，夹有少量建筑垃圾，顶部混凝土基路面约0.1m，为筑路人工回填土。

②粉砂（Q4m）：全场地分布，厚度2.5～9.3m。顶板埋深0.4～1.0m，松散～稍密状，稍湿～饱和，土黄、浅灰色，土质不均匀，局部渐变为粉土或细砂，部分含砾砂（石英质）较多，夹贝壳碎屑较多，压缩模量 Es＝7.9，天然重度 γo＝20.45kN/m3。松散～稍密状，渗透系数（K）约为 8.0×10－4cm/s。

②1层含珊瑚碎块粉砂（Q4m）：场地南段（ZK21～ZK34 及ZK55～ZK68）有分布，路段北面未揭露该层。厚度0.90～5.40m，平均厚度2.93m，层顶埋深0.70～4.80m。上部灰白色、底部青灰色，松散～稍密状，湿，石英质，分选性一般，次磨圆状，以粉砂和珊瑚碎块居多，珊瑚块呈细长条状，直径0.2～3cm，质硬。含少量黏粒及少量有机质等，渗透系数（K）约为 5.0×10－3cm/s。

③粉质黏土（Q4m）：场地南段有分布，北侧（ZK1～ZK15 及ZK35～ZK49）缺失该层，厚度1.5～8.9m，可塑状、局部地段硬塑状，切面光泽，干强度中等，韧性中等，无摇震反应。层顶深度3.0～8.2m。浅灰黄色，土质不均匀，部分渐变为粉土，夹少量中粗砂及贝壳碎屑，为中压缩性土。

④粗砂（Q4m）：全场地分布，厚度 0.9～10.6m，层顶深度 6.5～12.5m，灰黄、灰白色，稍密～中密，湿～饱和，石英质，分选性一般，次磨圆状，黏粒含量约15%～20%，局部夹含少量石英质卵石，块径 2～5cm 不等，渗透系数（K）约为 3.4×10－2cm/s。

⑤层粉质黏土（Q4m）：全场地均有分布，未揭穿。揭露厚度1.50～8.70m，平均厚度 4.59m，层顶埋深 11.20～18.50m，平均埋深15.25m，层顶高程-14.25～-6.68m。灰黄、黄褐色，可塑状～硬塑状、硬塑为主，土质较均匀，切面具光泽，干强度高，韧性较好，无摇震反应，局部含少量粉细砂透镜体，属中等压缩性土。

1.3 地下水情况

场地地下水类型为上部孔隙潜水及下部承压水，未见地表水系，场地西侧200～300m 为大海，场地东侧约200～300m 为河流。

地下水量异常丰富，渗透系数非常大，基坑开挖施工应充分考虑地下水对工程的影响，根据地下水和地质情况本工程采用管井降水，降水井有效深度必须进入第④层粗砂。

2 降水方案选择

2.1 降水设计要求

（1）根据基坑开挖深度及施工要求，本工程降水目的和任务为：①采取分层降水法，层层递进，在相对时间内尽量减少基坑侧翼压力，增加基坑的稳定性；②把基坑内地下水位降至基底下50cm 以下，便于土方开挖和基础施工。

（2）降水工程是为配合土方开挖及基础施工的前期辅助工程，降水施工严格按照现场工作安排进行施工和降水运行，与土方开挖、主体施工等施工密切协作，保证各方施工进展顺利。

（3）降水工程要衔接好每一步工作流程和安排，特别是电源保障、土方开挖、基础施工和降水运行期间，需各方大力支持与配合，电源线要根据现场实际情况结合场地布置进行安排。

2.2 降水运行安排（采取分层降水）

本工程降水采取分层降水法，层层递进，在相对的时间内尽量减少基坑侧翼压力，增加基坑的稳定性，其中成井后可根据单井的出水量，确定水泵的规格、数量及扬程。本基坑内降水按土方开挖次序相应的分为三个阶段。

第一阶段为顶板施工前降水：计划提前降水至顶板底以下2m 左右，即降至路面以下4.5m。

第二阶段为负一层施工前降水（顶板结构已完成）：计划提前降至负一层中板底以下1.5m 左右，即降至路面路面以下8.5m。

第三阶段为负二层施工前降水（负一层结构已完成）：计划提前降至负二层底板底以下1.0m 左右，即降至路面以下17m。

2.3 降水方法及降水井点的布设

2.3.1 降水方法的选择

目前基坑开挖降水方法很多，有深井点降水，集中明排降水和轻型井点降水等。根据本场地地层岩性及降水深度的要求，为了保证降水效果，本降水工程采用管井降水来满足开挖基坑与主体工事正常施工的要求[2]。

2.3.2 基坑水量计算

（基坑长度1023m，宽度33.4m）水量采用下式计算：

（1）Q1=V1×E1+V2×E2+V3×E3+V4×E4（基坑内现有含水量）

式中：V-各土层的体积；E-各土层中孔隙水的百分比含量。

查勘察报告知孔隙比 e1=0.52，e2=0.54，e3=0.43，e4=0.55。

计算可得：E1=34.2%，E2=35.06%，E3=30%，E4=35.48%。

由此计算可得基坑内水量Q1=175301m。

（2）Q2（基坑内渗透水、外部水包含降雨等）

综合考虑取Q2=120000m。

综上所述：Q总=Q1+Q2=295301m

2.3.3 井点计算

按场地的水文地质条件，结合降水工程条件分析，深井点降水单井出水量、单井内水位降、基坑水量以及各层的渗透系数。应满足如下条件：

（1）考虑地下水渗流对基坑地基土的影响，单井出水量不宜过大。

（2）基坑降水运行时总排水量应大于计算基坑排水量，Q总=Nq＞Q基，单井出水量选 q=3.5m3/h[3]。

考虑到各土层的单井出水量、渗透系数、单个降水井的影响半径以及同类工程的降水经验，井间距取值为15m。

按此计算得：降水井总数为n=148，如此可满足上述①、②条件。选用额定出水量3.5m3/h，扬程大于20m 的配套潜水泵。

2.3.4 降水井埋藏深度的确定

降水井深度的确定按公式：

式中：Hw-降水井深度，m；Hw1-基坑深度，m；Hw2-降水水位距离基坑底要求的深度，m；Hw3-ir0（i-水力坡度1/10~1/15；r0降水井排间距的或大井概化半径的1/2），m；Hw4-降水期间地下水位变幅，m；Hw5-降水井过滤器工作长度，m；Hw6-沉砂管长度，m。

Hw=13.5+0.5+20×1/15+4+1=20.3（m）

2.3.5 降水井点综述

本次基坑基坑降水采用管井（深井）降水法，共设置148 口降水井，井间距约15m，降水井深度21m，钻孔井径￠500mm。采用￠325×3.5mm 的桥式钢管滤管，外包两层密目网（80 目）滤布，外填￠2~4mm 细砾石。

2.3.6 降水井位的布置

由于地下水位埋藏较浅，需先降低地下水位后才能进行主体工事顶板刹肩等部位的施工，降水井应在止水帷幕施工完毕或与止水帷幕同时进行施工。根据原施工现场情况确定降水工程方案中将降水井设置在绿化带中，井管高出绿化带，电箱电缆、排水管、沉淀箱直接放置在绿化带内。实际在施工路面结构时，由于设计变更，绿化带位置变动，使降水井处于机动车道上，对来往交通造成很大影响。

逆作法施工路面恢复后，后期顶板下部主体结构施工前的降水作业必须连续进行，在如此繁华的商业街道对交通影响很大，尤其是位于路面机动车道内的大型井点在道路两侧需布设降水井，施工作业且先于主体施工，于主体结构施工完毕后方可拆除，并恢复井点位置处的道路路面，周期较长[1]。为了解决这个问题，研究出一种隐蔽式降水井施工方法，取得了较好的效果。

3 隐蔽式降水井施工要点

3.1 管井井点设备的制作

管井采用桥式过滤钢管，外包两层密目网滤布，过滤部分采用直径为200mm 以上的钢筋焊接骨架，外缠锌铁丝，再外包孔为1～2mm 的滤网，长约 2～3m，其管身直径为 200～500mm，排水管宜为50～100mm 的胶管或钢管，抽水时其下端应沉入管井最低水位以下，必要时应装设逆止阀[4]。抽水机械采用全自动小型潜水泵（浮球式潜水泵）。

3.2 管井井点的布置

井点设置在基坑内，井点布置根据单口井的降水辐射范围及井数量来综合计算确定。井点布置时亦要考虑到提前避开结构桩柱、梁、集水坑等重要结构部位。

3.3 管井的施工与使用

管井井管施工采用商品泥浆粉再造泥浆护壁钻孔法。即在钻机钻孔的同时向孔内投放泥浆，护住井壁，以免地下水渗出时造成塌孔。钻进成孔时，尽量采取快速钻进，避免钻进时间过长，钻具对井壁机械扰动和冲洗浸泡而造成坍孔、缩颈、泥皮过厚等不良现象，以免影响成井降水质量和效果。同时，应根据地层合理选择技术参数，调整泥浆黏度和密度，在保证孔壁稳定的前提下，尽量降低泥浆的黏度和密度，防止因泥浆过浓和失水量过大而影响渗透能力；钻孔直径应比管井外径大150～250mm，井管下沉前应清孔并保持滤网通畅。井管与土壁之间用小砾石填充作为滤层。

下井管时，严禁摆动，造成井壁的损坏和坍垮。井管下到设计孔深位置后，稍微向上拉伸提直，固定在孔口中心，使井孔与孔壁之间环状间隙均匀合理，便于填滤料[4]。

3.4 井口处理

出水管位于非通行道路上时，其出水管线可直接留出连至沉砂池。位于道路路面上的降水井排水管可采用暗接处理，即提前将套管（硬质排水管）暗埋至道路结构层中，然后连接水泵的软管穿过此管，降水最终即可汇入市政管网。井口可采用铸铁井盖（井盖类型以路面设计荷载为准）封闭，以方便检修、监控及道路通行，具体做法如下：

（1）降水井管外排水选用￠50mm（视地质情况而定）透明钢丝胶管，道路基层施工时提前布局预埋，排水管连接至相近雨水口（雨箅子井）。

（2）选取DN500 球墨铸铁重型井盖以及配套支座。（井盖大小视井管直径而定，井盖类型视道路设计荷载而定）。

（3）摊铺道路沥青前将井盖及井圈位置预留出来，沥青层完成之后开始安装井盖并施工混凝土井圈固定，以此起到保护降水井口、过程检修、道路正常通行的作用，如图1 所示。

图1 降水井剖面

在出水管暗接的同时，水泵的电线电缆均同样采用穿套管暗埋的方式连接至周边的三级箱。

3.5 管井洗井及抽水

下完滤料后进行洗井，水源采用自来水，连续不断的往井里注水，下放潜水泵于井管内水位以下3m～5m，迅速启动电源抽水，随水位不断下降，水泵也同时下放，直至距井底0.5m 左右为止。如此反复进行，直至抽出的水质洁净、不含泥砂为止[4]。

潜水泵用绳索吊在井内，先置水泵深度在降水井下部1m处。然后根据出水量及降深调至适当位置，直至达到降水要求。为更准确地控制降水深度，在每口井的水泵上安装水位控制器；在每个水泵出水管上安装止回阀，防止在停泵的间隙回水倒灌。

平时应定期检查潜水泵的机械及电箱电缆部分，如电动机、传动轴、电流、电压等，并观测和记录管井内水位降深和流量[4]。

3.6 管井的保护

在基坑开挖过程中，由于井壁逐渐外露，需要密切关注挖机等机械在施工过程中损坏到井管及线路等，在开挖等后续工序中要做好交底并准确放线，土方开挖时在接近井管位置做好标记，井身周边采用人工开挖。

3.7 井身与顶板及底板的连接处理

与顶板连接时，在穿越顶板位置，管井井身焊接钢板止水翼环，柔性防水材料施工时需要将井管包裹至1m 高以上，保证此位置防水效果。与底板连接时，在底板施工时，将管井位置预留出约500~1000mm 正方形大小，待主体结构（包括抗浮层）施工完毕，撤掉井身及水泵，将焊好的约2m 长钢筋笼下放至井孔中，采用微膨胀细石混凝土灌实，顶板部位采用同原底板强度的混凝土浇筑完成，如图2 所示。

图2 顶板施工期间布置（标注为降水井管）

3.8 降水过程中的日常监控

（1）降水井要保证昼夜连续运转，防止因停泵使水位上升，造成“涌槽”事故，现场要配备备用电源，保证连续供电。

（2）降水运行期间，值班人员不得擅自离开现场，应定期检查井的出水量大小、出砂量情况、电气设备和泵的情况。

（3）制定值班制度，设专人巡查，发现问题及时处理。

4 降水施工对周边环境影响及对策

4.1 地下水流速过快对周边地基土扰动而产生破坏

采取对策：降水井抽水含砂量须符合国家有关规范要求，合理选择抽水井单井水量、最大允许进水流速、滤水管长度。本工程单泵出水量限定在3.5m3/h 以内，防止因出水量过大，地下水流速过急，带动粉砂涌入井内，造成地基土破坏。

4.2 降水引起地面不均匀沉降对周边建筑物的破坏

采取对策：聘请有资质的监测测量单位，支护桩施工或降水开始起对周边建筑物进行沉降观测，观测数据出现异常，分析原因加以解决。

在基坑外与建筑物之间根据现场情况施工回灌井，其施工方法及结构均同程降水井做法，回灌井可作为观测孔，对地下水位进行观测，若地下水位变化较大，根据第三方监测报告要求，有必要时进行地下水的回灌以保证周边构建筑物的安全。

5 结语

从本工程的实际降水情况来看，在整个的降水过程中，出水情况均非常良好，经取样测定井点出水含砂量，其标准都在规范规定的范围以内，在降水过程中也未出现涌沙现象，基坑稳定，开挖过程中基底均较为干燥，基坑开挖施工顺利完成。

由于降水井井口采用井盖封闭处理，井口隐蔽后没有露出路面的部分，完全不影响道路交通，降水井排水管采用暗接包裹处理，降水最终汇入市政管网。相应减少了多次维修的人工以及材料的投入，大大降低了施工成本，同样由于降水井口的隐蔽对道路交通的影响减至最小，极大地提高了行人及车辆通行的便利性和安全性，非常适用于位于城市繁华道路，交通通行压力大的工程。