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        抗管涌防流砂強力控制超強承壓性地下水的降水施工案例(2)
        作者: 發布于:2016/10/12 19:02:52 點擊量:

          0前言

        在我國洞庭湖區平原上,制約地下空間開發的最大不利因素是強承壓地下水,在地下工程施工過程中強承壓性地下水以管涌并伴流砂的形式出現,給地下工程施工帶來極大的風險。因此,湖區特別需要能夠抗管涌、防流砂、固基土的主動降水止水技術。我公司專有的真空井點降水技術,可以針對上涌性地下水,利用群井負壓來抑制地下水的強承壓水頭,達到抗管涌、防流砂、固基土的優異工程效果,技術非常的安全可靠。該技術在地下綜合管廊的降水止水施工,高層或超高層商住樓基礎階段深大基坑降水止水施工,人防地下通道,跨河橋梁橋臺基礎以及過江隧道豎井基礎制作階段降水止水施工等等項目中都已成為成熟的安全、經濟、實用的優秀技術。

                    

                 

             中國湖南常德友阿國際商業廣場基坑真空井點降水止水工程施工

         降水設計施工單位:濟南魯鵬聯信水處理技術有限公司(www.codelator.com

         

        1、工程概況

        1.1工程簡介

        擬建場地位于常德市丹陽街兩側,地形較平坦,地貌屬洞庭湖沖積平原,為沅江左岸Ⅰ級階地范疇。本工程±0.00相當于絕對標高32.00m,地下室底板底面標高為23.00m;擬建場地現地面標高31.2633.06m,相對高差2.00m左右。基坑支護設計的坑頂標高按31.5.考慮,支護設計深度為8.50m;地下水控制深度以底板底面標高23.00m向下1.00m,即將地下水位線控制在標高22.00m的位置可以滿足土方和地下室施工要求。本基坑真空井點包圍的周邊長約550m,面積約17000㎡。

        1.2場地工程地質及水文地質條件

        依據本場地地質勘查報告,與降水有關的土層從上至下分述如下:

           1)雜填土(4ml):雜色,成分主要為粘土;上部含大量碎磚塊、混凝土等建筑垃圾、舊基礎及植物根莖。堆填時間5年以上,已完成自重固結,層厚2.77.8m。該層局部夾有淤泥質土。

        (2)粉質粘土(4ml:灰黃色;硬塑~堅硬狀。含微量鐵錳質結核,夾高嶺土小團塊或條紋,干強度高,稍有光澤,搖震無反應,該層層厚:0.55.3m

        (3)粉土(4ml)灰黃色~青灰色;濕~很濕,中密~密實狀。含石英粉砂,微量鐵質、云母,向下粉砂含量逐漸增多,無光澤,干強度及韌性低,搖震反應中等。該層層厚1.64.8m

        4)粉砂(4ml:灰黃~青灰色;含水飽和;松散狀。含微量鐵質、云母,,局部夾有粉土薄層,該層層厚0.72.5m

        5)圓礫(4ml:灰黃色、青灰色;含水飽和;中密~密實狀,局部稍密狀。充填物為砂、少量粘土質,大于2mm的顆粒含量約占70%左右,粒徑多為12cm,大者大于5cm,粒徑小于0.075mm的顆粒含量4%左右,呈次圓狀,母巖成分主要由石英砂巖,石英巖,燧石等組成。該層頂面埋深標高19.2824.96m

           6)水文地質條件:根據地下水的水理性質和埋藏條件, 建筑工程影響范圍內主要為賦存于雜填土中的上部滯水和賦予于粉砂、圓礫層中的孔隙承壓水。滯水賦存于上部雜填土中,由大氣降水及生活排水補給,水位受季節影響大,埋深1.53.8m。水位變化幅度1m左右。孔隙承壓水賦存于粉砂、圓礫層中,以粉質粘土為相對隔水頂板,與地表水(沅江河水)有水力聯系,水量豐富,具承壓性。豐水期承壓水位(水頭高)標高31m,年最低水位28.5m,最近35年最高水位為31.5m左右,水位年變化幅度大于2m。圓礫土層層位的滲透系數為78m/d

         

        2、基坑內施工過程滲水問題及應對措施

        2.1 基坑滲水類型和排水措施

              1)地表滲水。本項目是舊城改造項目,基坑周圍未拆老舊居民小區的污水對基坑補給,形成大量邊坡滲水;基坑邊界的朗州路路基之下,埋設著石砌的城市排污箱涵,該箱涵已經成為巨大滲水源,所滲污水賦大量日化洗滌劑泡沫,不僅向施工邊界的基坑補給大量污水(基坑開挖-4m后,隨著開挖,污水補給量隨之增加),還污染地下水源;基坑所臨的丹陽路30m處為濱湖,湖水水面高于基坑開挖的深度,很明顯湖水的滲漏也增加了基坑內的滲水量。

             2)承壓性滲水。基坑施工過程中,曾經被拆除的舊房屋的舊基礎多為預制管樁,舊管樁的樁端都被嵌入到圓礫層中,當舊管樁被拔出的時候,基坑底出現大量滲水;本項目工程樁采用螺旋鉆成孔后置鋼筋籠澆灌混凝土成樁,工程樁操作工作面在基底作業,該樁體形成后,開挖承臺的時候,樁身對地下水有引流作用,使承臺的開挖造成暫時困難。

        2.2 施工難點和排水措施中的重點

        (1)強承壓地下水的滲透破壞。該基坑邊界離水源地近,為近河工程,距沅江的距離約600m,濱湖30m,基坑挖深底板為地面下8.50米,承臺則為地面以下10.5m,該標高位于沅江河床、濱湖湖底之下,沅江和濱湖水體通過含水土層在其水頭梯度作用下向基坑運動,使其地下水表現為強承壓性,承壓形式呈現管涌伴流砂的狀態;本基坑面積超大,含水土層為強滲透土層,滲透性強,基坑涌水量很大;與降水有關的土層,主要是(Q4a)粉砂和⑥(Q4a)圓礫,深厚圓礫土層的地下水與沅江水體相聯,水源補給豐富,地下水承壓性強,組成基坑側壁土層主要有雜填土、粉質粘土、粉土、粉砂,基坑底的土層主要是1/3粉砂和2/3圓礫。基坑側壁垂直剖面上,基坑中下部的粉土、粉砂土體遇上行承壓水出現流土滲透破壞。

        (2)抗管涌、防流砂、固基土是本項目的施工難點,控制強承壓性地下水是所有排水措施的重點。本項目采用了真空井點降水技術,利用該技術在地下制造的群井真空負壓來抑制地下水的強承壓水頭和消化部分滲水,還有一部分滲水采用潛水泵外排的措施完成本項目降水施工。

         

        3、雙排真空井點攔截水頭壓的降水止水設計與施工

        本項目自然地坪標高為32m,因螺旋鉆支護樁對工作面的要求,基坑施工面標高普遍被平整31.5m地下水的埋深標高29.30m,基底平均標高23.00m,水位須降至標高22.00m的位置。考慮到本基坑面積超大,地下水承壓性較強的特點,若要求基坑中部的地下水位控制在22.00 m的位置,在實際施工過程中,布局在基坑周邊的真空井點,降水深度須增加1m,即井點管處的地下水控制深度為標高21.00 m。因此,降水深度是指地下水位標高29.30m被降至標高21.00m的位置,垂直深度為8.30m從井點管埋設的工作面起算,降水的垂直深度為9.5m,從自然地面起算,降水的垂直深度為11m

        現場在真空井點埋設階段就發現水頭壓極其不均衡,針對基坑靠近大潤發一側圓礫層出露淺的特點,判斷基坑的水頭壓來自基坑的北邊和東北方向,因此,大潤發一側的真空井點要密集布置,真空井點設備的使用量也要重點布置,預估一排真空井點可以完成基坑底板的開挖要求,擬在該斷面的基底還要設置第二排真空井點進一步對水頭壓進行攔截,從而使承臺開挖順利完成。

        3.1 埋設位置和真空井點埋設深度

        采用沿基坑形狀封閉式埋設方式埋設第一排真空井點也叫作一級井點或基坑周邊井點。基坑周邊的真空井點擬從標高31.50m的位置開始埋設,所有井點都埋設在基坑護壁樁鎖口梁外側0.3~0.5m處,井點管埋設深度10.50m,第一排真空井點主要為基坑工程形成基底進行降水服務。

        第二排真空井點也叫作二級井點或者叫作基底周邊井點,要等待基坑邊坡開挖至基底的位置,將井點埋設在主體外墻和邊坡坡底線之間的施工通道上,深度5.0m。第二排真空井點主要為承臺的開挖進行降水服務。

        3.2 井點計算

        基坑最大涌水量計算(按非完整井考慮)

            經計算,獲得基坑最大涌水量為12031m3/d)(計算過程本文略)

        3.3 單根井點管設計極限涌水量q

             q=65πdk1/3(m3/d)

             d-濾水管內徑;(m

            q=65πdLk1/3= 65×3.14×0.038×1×781/3 = 33m3/d

        3.4 求井點管的根數

              n=kQ/q=1.1×12031÷33=401(根)

        3.5 井點管的間距d和井點孔徑

              d=550m÷401=1.37m

        根據本工程地質勘察報告所揭露的強透水層圓礫層頂的埋深情況看,基坑東側的圓礫土層層頂高于西側約1~2m左右,結合北側大潤發商場基礎建設過程中,基坑土層揭露-5.00m可見強透水層圓礫的情況,說明基坑北側和東側是水頭壓力最大的地方。借鑒本地區施工經驗,一級真空井點擬從朗州路基坑沿線北半段,包含基坑北邊緣線和基坑東側邊緣線,基坑約300延米設真空井點間距1.20m,計250個;南側以及朗州路南側基坑邊緣線約250基坑延米真空井點間距設1.50m,計166個,全場設416個井點。二級真空井點布置如一級井點密度埋設在基底周邊。二級井點的埋設遵循和參考一級井點的埋設原則。 井點孔徑均為130mm

        3.6 真空井點主機設備及安裝

        本基坑擬埋設416個真空井點,根據真空井點降水止水主機系統單套日排水量600~800m3,擬使用20套真空井點主機設備,一級真空井點排出的地下水都采取自流方式排放;二級真空井點的20套抽水設備須采用二級提升的方式排放。

        一級真空井點管安裝緊隨護壁樁施工,井點設在護壁樁外30~50cm處,盡量布置在樁間位置的外側,真空井點降水系統水平管路和降水主機擺放在鎖口梁外側或者置于其上都可以;二級降水主機所提升上來的地下水都需要采用二級排水系統方式對外排放。

        無論一級井點還是二級井點,真空降水設備的數量集中擺放到基坑的北邊和東邊,施工過程中,北邊和東邊的降水主機數量達到3/4

         

        4、施工中的作用

         4.1真空井點控制上行承壓水的顯著作用

             當工程進度施工承臺開挖完畢階段,承臺底墊層都已被混凝土澆灌完成,等待驗槽的時候,遇區域電路檢修停電,現場二路電源啟動了集水井里的潛水泵排水,每個集水井的挖深標高都低于承臺底0.3m,每四個承臺通過PVC管與集水井相連,集水井也是為排滲水而做,此時承臺里的地下水迅速下降,緊接著承臺側壁磚縫呈現噴冒水的現象,持續6個小時左右,承臺水滿,現場25臺潛水泵開足馬力以10000m3/d的速度排水,地下水位還是不斷上漲,很快水位到達標高24m底板的位置;停電24小時后,恢復全面供電,啟動真空井點設備后,基坑內的上行承壓水被控制并同時消化了絕大部分滲水,一起和4臺潛水泵共同完成排水,1.7萬平米的地板順利澆灌完成。

         4.2降水止水雙重作用

        一級真空井點對基坑內承壓水水頭壓進行全面控制,起到降水的作用,同時截流基坑外不斷涌入的地下水,起到止水的作用,從而滿足基坑內降水和側壁止水要求;二級真空井點可將地下水位控制在基底以下2-3m的位置,從而滿足承臺開挖要求。

        4.3綠色環保施工技術

        通過真空井點設備的主動降水,土層中形成的小降水漏斗包圍的非飽和土區域提高了孔樁側壁的凝聚力C值和內摩擦角α值,提高了其支護效能。施工區的非飽和土區域可保障雨季施工安全,因施工作業區內的非飽和土體始終在含水量較低狀態下,改善了施工場地的環境,為文明施工和縮短工期創造了條件。真空井點降水施工,從井點鉆孔到設備抽出清水,全程無污染,設備和大部分材料可重復利用,體現綠色環保。

        4.4真空井點降水技術是安全可靠的技術

        真空井點抽水過程為緩慢地,降水速度可控的過程,其影響半徑小,可避免大口徑降水井、深井井點或管井井點急速陡降而產生的不均勻沉降造成的基坑作業區周圍建筑物、道路和地下管線的危險性,從而避免鄰近建筑物產生裂縫或下陷。真空井點因其主動抽吸孔隙水,在含水土層中能完全做到固液分離,從而避免了砂性土中細小顆粒物的流失;抽出的地下水為清水,對地下排水管網無污染;抽出清水可避免因“大口徑”式抽水過程固體物流失而造成的地表不均勻沉降的危險性。

         

        5、結合工程實際設計應急預案

        5.1重視攔截水頭壓

         本工程降水止水成功的重要要素也是應急預案結合施工實際設計很周全,做到萬無一失。通過對本基坑地質勘察報告的仔細研究以及對本項目北邊大潤發商場基礎建設時的實地調研,發現基坑北側和東側的強透水層圓礫土層層頂標高高于西側的圓礫層2~4m,說明本基坑強水頭壓分布在北側和東側,換言之,如果真空井點降水止水技術能夠將北側和東側的強水頭壓控制到位,那么本工程降水止水施工的難點則迎刃而解。在本工程降水止水設計方案中,除了增加北側和東側井點密度和使用較多真空井點主機數量以外,還應設計備用井點,采用雙排甚至三排井點攔截水頭壓的應急預案。

        三排井點攔截水頭壓使用條件。如果基坑開挖接近基底的時候,地下水仍然表現為涌水量大,以及承壓性強的特點,則在北側和東側施工通道上,按間距1.0m,再布設一排真空井點,為二級真空井點,井點長度根據出水面層位置設定,井點管的濾水管末端埋設在基坑底以下2.0m的位置,在基坑底安裝二級井點,使用20-25臺真空井點降水止水主機,形成雙排井點對基坑水頭壓進行控制。本降水方案雖然考慮了對承臺和電梯井開挖的地下水控制,但是,不可忽略地質條件的不均一性特點,如遇個別承臺和電梯井開挖過程中存在流砂跡象,應立即停止,等待真空井點進行處理后,消除流砂危害后再完成開挖施工。真空井點對基坑內局部處理可謂臨時井點或者說是第三排井點對水頭壓進行攔截保障降水的萬無一失。

        5.2重視滲水處理

        對工程樁樁身或者勘察孔引流地下水上行的處理。對基底和承臺開挖過程中,會遇到基坑內的個別工程樁或勘察孔引流承壓水上行的問題,大多數情況下引流上行的地下水呈清水狀態,水量豐富,針對該種狀況,要將該水源引入事先預設置的盲溝內,然后在匯入集水井提升外排。如遇上行地下水含泥砂,先采用濾網土工布進行濾砂處理,如無效,可設置臨時真空井點進行局部固砂處理。

        對邊坡“卵石層位”等不良土層條件的處理:若遇“卵石層位”可立刻將真空井改造為“垂直錨管式壓力注漿孔”,對“卵石層位”進行局部封堵,改善其土質條件,減小其滲透系數。在“注漿后的卵石層位”內側再補打真空井。

         

        6.降水成功的技術保障

        6.1超前預降水是真空井點技術成功的必要保障措施

        真空井點抽吸力直接作用的對象是土體的孔隙水,也包含空隙承壓水,土體孔隙分布的廣泛以及復雜性并且場地超大的特點,決定了超前預降水的必要性,即具體到本工程,在基坑施工階段,土方工程在開挖地下水位之前要進行7天左右的超前降水,使基坑內的粉土和粉砂孔隙內的飽和水有時間被排除,這樣粉性土層才能達到一定程度的固結,才能避免流砂的形成,從而才能夠保障基坑內土方、樁基、底板制作等施工的順利進行。

        6.2真空設備連續運行是安全保障措施

        真空井點運行后,地下水在連續真空負壓作用下,會形成良性流線性通路,此時,地下固體顆粒物運移量達到最小甚至接近零運移狀態,反過來,如果間歇性使用該技術,地下水的通路則呈紊亂狀態,本工程就很難保障對流砂的控制,甚至造成邊坡坡后的不均勻沉降。

         

        7、結語

        在本工程屬于非完整井條件下使用真空井點降水止水技術對粉土、粉砂、圓礫土層進行降水止水,特別對圓礫土層的承壓水頭須控制到基底下1.50m的位置,完全控制住強承壓水對基坑工程的影響,達到了抗管涌、防流砂、固基土的施工效果,達到了預期的施工目標,提供一個無滲透變形危害、有利于土方和地下室安全施工的空間環境;對地下水滲流進行安全、有序的控制,直至建筑物自重達到抗浮要求,降水全過程保障周邊環境安全的同時保障基礎工程項目整體順利運行。本降水工程施工周期2014.10.15.-2015.3.15,歷時150天。

         

         

        附件

        常德友阿國際廣場業主方:湖南友誼阿波羅商業股份有限公司

        施工總承包:  常德廣宇建設集團公司

        工程降水專項技術負責人:熊濟清15973199505

        濟南魯鵬聯信水處理技術有限公司負責人:戴教授15084789526

         

         

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