深基坑降水施工技术及应急处置

郝中州 苏茂荣 陈志军

(1.河南黄河河务局，河南 郑州 450002； 2.河南华北水利水电勘察设计有限公司，河南 郑州 450003)

1 概 述

对于大中型泵站工程，往往涉及深基坑开挖问题。在水源比较丰富的地区，地下水位较高，深基坑开挖会面临着管涌[1]、流沙、边坡失稳、建筑物沉降[2]等工程问题，这也是深基坑施工的难点。目前，针对深基坑开挖和地下水处理，已有较多的工程经验和科学研究。针对渗透性弱的地层，可采用悬挂式止水帷幕[3]来降低基坑地下水位；对于渗透性强的砂卵砾石层，可采用封闭式防渗墙[4]来保证基坑干地施工；更多的工程通常采用管井降水[5]、轻型井点降水配合截水沟[6]的方法来降低地下水位，该方法已在汉江取水泵站[7]、大垸子泵站[8]、引江济汉工程[9]等诸多水利工程中得到了成功的应用。因此，针对不同区域的地质、水文环境，应结合工程施工特点选择科学合理的施工方法。对于大型泵站工程施工，深基坑开挖尤为重要，本文结合黄冈市土司港泵站工程，针对深厚砂层地质条件，对深基坑开挖采用的管井降水施工技术进行了详细阐述，并结合工程现场遇到的问题提出应急处理方案，为同类工程施工提供经验。

2 工程概况

土司港泵站工程位于黄冈市高新区长河出口处，与巴水衔接，泵站设计排涝能力170m3/s，工程等别为II等，主要建筑物等级为2级。泵站自上游至下游分别为进水渠、拦污栅桥、进水前池、主泵房、出水压力箱涵、出口防洪闸、出口消力池和出水渠。主泵房基坑建基面开挖最低高程4.7m，前池开挖高程7.5m，进水池开挖高程10.1m，拦污栅桥开挖高程9.7m。主泵房、安装间、副厂房宽度106m，基坑开挖宽度120m。

地质资料显示，拟建主泵房工程区范围土层变化较大，在主泵房轴线横剖面处，地层由上至下依次为：淤泥质土层、黏土层(底部高程9.7m)、粉细砂层(底部高程-4m)、中粗砂层(底部高程-10.3m)、砂岩层。其中，粉细砂层局部夹壤土透镜体，高程0.0m以下为完整砂层。上部不透水层为黏土层，底部不透水层为砂岩，粉细砂层为承压水层。主泵房基坑地层以第四系砂性土为主，具有中等透水性，深厚砂层地下水为承压水，与外江水密切联系，主要以长江水补给为主。砂层具有中等透水性，渗透系数为3.12×10-3cm/s。

3 基坑降水设计及施工

主泵房基坑开挖最低高程为4.7m，进水池开挖高程7.7m，基坑穿透不透水层(黏土层底部高程9.7m)并深入砂层。下部砂层由外江补水，受长江水位影响较大，施工期地下水位约为16m，主泵房基坑受地下水影响较大，必须采取降水措施。由于基坑面积较大(126m×130m)，下部砂层为中等透水，降水措施主要采用深管井降水，需要将地下水位降至基坑最低点以下0.5m。基坑降水主要从基坑涌水量、单井出水能力以及降水井布置等方面进行设计。

3.1 基坑涌水量

主泵房基坑任一点地下水降深要求至少低于建基面0.5m。主泵房基坑开挖宽度126m，由于基坑面积较大，为保证基坑中心位置地下水位不高于4.2m，地下水水力坡降线按1 ∶10计算，管井水位至少降至-2.1m。管井布置在主泵房基坑两侧，深度到达地下岩层(-10.0m高程)，管井降水典型横断面见图1。基坑开挖时，穿过不透水层(黏土层)，并深入透水层(砂层)，根据《建筑基坑支护技术规范》(JGJ 120—2012)，基坑涌水量可采用承压水-潜水完整井公式进行计算：

图1 主泵房基坑管井降水典型断面

式中Q——基坑涌水量，m3/d；

k——渗透系数，m/d；

H——承压含水层初始水头，m；

M——承压含水层深度，m；

h——基坑中心水头高度，m；

R——抽水影响半径，m，对于细砂中砂，R经验取值范围为80～150m；

r0——基坑等效半径，m。

代入计算，基坑涌水量为Q=3806m3/d。

3.2 单井出水量

降水井采用深井管井，管井的单井出水能力按下式计算：

式中q0——单井出水量，m3/d；

rs——管井滤管半径，m；

l——管井滤管器实际工作长度，m。

经计算，单井出水能力为q0=285m3/d。

为保证管井正常抽水，单井出水能力q0要大于单井设计出水量q，取1.2的系数，则

q=q0/1.2

经计算，单井设计出水量q=237m3/d。

3.3 降水井布置

降水井数量根据基坑涌水量和单井设计出水能力计算：

n=λQ/q

式中，λ为调整系数，二级基坑取1.1。

经计算n=17.7，取18。对于承压水降水井，应设置备用井，数量为20%，取4～6口。故主泵房基坑降水井取22～24口，其中常用井18口，备用井4～6口。

根据工程经验，基坑开挖深度大于8m时，管井井点布置间距应为15～20m，间距过大，现场降水效果不理想。主泵房基坑开挖最低高程4.7m，开挖深度大于8m，间距取15m，对于拦污栅和进水渠，基坑开挖深度小于8m，间距可适当加大，取20～30m。主泵房基坑管井降水井位布置见图2。

图2 主泵房基坑管井降水布置

由于基坑下部砂层和壤土层互层结构，为保证抽水效果，降水井滤管段布置在完全砂层段。降水井采用完整井，开挖深度16.0m，底部高程-10m，滤管段6m，滤管高程-3～-9m。滤管直径28cm，降水井直径60cm。

3.4 基坑降水施工

本工程管井降水施工工序为：施工准备→测量放线→钻机就位钻孔、泥浆护壁→成孔→下管(滤管)→回填滤料→黏土封口→洗井→安装水泵→排水→降水井正常工作→降水完毕拔井管→封井。

a.准备工作。开挖泥浆池，制备泥浆；划定基坑开挖线，管井定位测量。

b.钻机造孔。钻机定位至井点，调整角度，就位钻孔；井身直径不得小于设计井径，顶角偏斜不得超过1°；钻进时使用泥浆护壁技术，泥浆比重1.3；钻井进尺到达设计深度后进行清孔，采用清水洗孔，直至清水排水。

c.井管安装。清孔后进行检查，下置滤管和井管，井管应直立于井口中心，上端口应保持水平，井管顶端应高出地面0.3m以上；管井周边的填砾滤料不应含土和杂质，选用硅质砾石；颗粒的磨圆度应较好，不使用棱角碎石。

d.洗井与清理。填充滤料后，及时洗井，将污泥泵放入井底，将井孔内泥浆排出，排空后将水泵停止，待井内水位自然恢复到井深的1/2时开启水泵排空，用泥浆泵如此反复2～3次，直到流出清水为止，确保滤管及滤料滤水畅通，采用潜水泵抽水。

4 基坑涌水应急处置

本工程设计降水管井22～24口，施工现场根据地形条件在基坑外围布置管井22口。基坑降水效果明显，管井水位和地下水位均持续下降。在施工过程中，基坑开挖至6～7m时，出现渗水涌水现象，周边管井在加大抽排能力后，管井水位长时间维持在2m左右，基坑地下水位难以继续降低，渗水涌水问题突出。根据工程经验，超过设计抽排能力后，管井水位长时间维持高位，可能是透水层渗透系数比设计值偏大，导致设计抽排能力不足。

现场开挖地层资料显示，基坑下部多为中粗砂层，少范围为壤土夹砂，基坑下部透水层渗透系数远远超过设计取值。在更换大功率水泵后，基坑仍然出现渗水涌水现象。为保证基坑顺利开挖至设计高程，在进水前池(开挖高程7.5m)增加一排共4口降水井，在主基坑中部抽水，从而将主泵房基坑地下水位顺利降至4.2m以下。基坑两侧设集水坑，底部高程2.0m，用以汇集基坑渗水，保证基坑干地施工环境。新增管井在封堵时，由于地下水位较高，停止抽水时有水从井口涌水，按照常规“以砂还砂，以土还土”的原则，难以用泥球进行封堵。对前池新增4口井，采用混凝土进行封堵，并与前池底板浇筑成一体，从而保证不出现底板渗透问题。

5 结 论

本文结合土司港泵站工程深基坑开挖，针对中等透水砂层地质条件地下水降水问题，采用深管井降水方案，抽水效果好，有效降低了地下水位。针对壤土夹砂互层结构，采用完整井并将滤管布置在下部完全砂层中，提高了管井出水能力。管井设计抽排能力与渗透系数有很大关系，并会影响最终降水水位。针对基坑出现的渗水涌水情况，采用在基坑中部补打降水井，有效解决了地下水位难以降至设计要求的问题，可为类似深基坑工程的应急处置提供参考。