复杂条件下河道软基超大深基坑潜水与地下承压水降水技术
0 引言
北支江上游水闸及船闸基坑工程位于富阳主城区下游,深基坑均位于复杂的河道软基之上。由于工程区域地下富含大量承压水,严重阻碍了工程施工,因此开展复杂河道软基超深基坑降水的研究尤为重要。
目前,国内许多专家学者对深基坑降水做了大量研究。例如,常旭东
1 工程概况
水闸基坑工程及船闸基坑工程位于北支江上游,原上堵坝下游约50m位置,其中水闸基坑垂直于北支江,基坑长约210m、宽约30m,基坑底板高程为-5.100m;船闸基坑平行于北支江,位于北支江右岸,基坑长约106m、宽约31m,基坑底板高程为-6.600m。水闸基坑位置现状地面高程为0.000~1.000m,基坑需开挖5.1~6.1m;船闸基坑现状地面高程约为2.000m,基坑需开挖约8.6m。
工程区承压水含水层主要分布于下部的(6)4层卵石中。相对隔水层为上部的(3)淤泥质黏土夹粉砂层及(5)1淤泥质黏土层、(5)2粉质黏土层。详勘区间对(6)4卵石承压水观测资料显示,其承压水稳定水位高程为4.260m。场区内承压水水量丰富,隔水层为上部的黏土层((3),(5),(6)1层),承压含水层顶板高程为-16.310~-8.280m,水闸位置基坑下伏隔水层厚度3.18~11.2m,其中在SZK09位置存在承压水天窗。
由于基坑工程实施过程中需长时间抽降深层孔隙承压水,特别是(6)粉砂+圆砾层,水量大,渗透性好,且工程要求地下水位降深大,因此在正式降水之前,需对承压水进行减压,根据设计要求,在基坑范围内设置减压井和观测井。
2 降水目的
根据设计要求,基坑开挖前需对承压水进行减压处理,并进行实地抽水试验,试验主要目的为:确定承压含水层的水位分布、水头及水文地质参数;研究承压水处理工序是否满足设计要求及施工工效;提供设计抽水试验数据;确定抽水设备参数及单井出水量;通过试验检验井管施工工艺是否满足设计要求;通过试验确定合理的机械、人员配置方案;检验降水效果,验证承压水处理方案可行性。
3 降水井管设计
3.1 降水井布置
水闸区域在闸室段布设2排减压井和1排观测井,上游铺盖和下游护坦分别设置1排减压井和1排观测井,共计58口减压井,15口观测井。根据开挖降水情况,可适当调整降水井数量及平面位置,降水井直径800mm,采用DN250降水井管,滤管入卵石层≥10m(不含沉淀管)。
3.2 井管构造
降水井管系统由潜水泵、无缝钢管、桥式滤管和沉淀管组成,井管构造如图1所示。井孔直径800mm,卵石层以上采用DN250无缝钢管及无缝钢管桥式滤管,外包60目滤网2层,并用6目铅丝网绑扎。
4 降水施工关键技术
4.1 试验井管施工工艺流程(见图2)
4.2 降水井管施工技术
本工程地下水及承压水丰富,为保证试验阶段施工作业面及高大设备作业安全,须采取合理明排方式。沿施工便道设置100cm×100cm(深×宽)明沟,将水集中排入排水管线中。
工程区域位于河道软基,地质条件特殊。承压水试验井管若采用常规泥浆护壁造孔,下滤管前进行清孔,清孔后泥浆密度降低,势必会造成塌孔,无法进行滤料回填或致使滤管出水量不足影响施工质量。因此,初步拟定方案需下套筒至井底完成清孔工作,再下滤管和进行回填料等工作。试验井管施工时,先施工基坑内、外观测井,再依次从左岸往右岸方向施工,施工完成后统一进行抽水,及时查看观测井水位及抽水量,将相关数据上报设计单位后,后续根据设计要求优化承压水处理措施。
1)测量放线依据设计所提供的井管位置,采用导线与三角测量相结合的方法进行放线。
2)钻机就位在平整后的地面上平稳安置钻机,钻头中心及桩位中心在同一铅垂线上,对中误差<10mm;正式开钻前应进行钻机试钻,稳定后再投入使用。
3)护筒埋设护筒埋设的位置应与桩位相吻合,桩位采用全站仪极坐标法定位,并用十字线确定护筒的埋设位置。采用450型桩机下护筒,护筒用14mm厚钢板制作,长11.5m,上端设排浆口。护筒结构如图3所示。当埋设护筒时,护筒要高出地面≥30cm;当钻孔内有承压水时,应高出稳定后的承压水位1.5~2.0m。
4)泥浆制备与使用本井管泥浆护壁以外购膨润土为主。造孔过程中应经常测定泥浆密度、黏度、含砂率,泥浆质量检查由现场试验人员负责做好原始记录,并将检查成果通知有关人员,以便及时调整。
5)取土成孔钻机水平就位,桩位复核无误后,进行钻孔施工,钻进时应先慢后快,开始进尺控制在0.4~0.5m/次。取土成孔时,应详细记录隔水层高程及卵石层高程,以便进行滤料、黏土球等回填高程控制。成孔达到设计标高后,对孔深、孔径、孔壁垂直度等进行检查。核验进入卵石层厚度是否满足设计要求,且进入的卵石层含泥量不能过大,否则影响出水量。
6)吊放套管取土完成后,采用75t履带式起重机下全套管,全套管采用610×14无缝钢管,壁厚14mm,套管长度与孔深相同,孔口采用预先制作的法兰盘进行套管拔设。套管结构如图3所示。
7)清孔井管下井前进行清孔作业,清孔采取注入清水置换,利用泥浆泵抽出沉渣,并测定孔深。
8)吊放井管用75t汽车式起重机缓慢下放井管,确保吊放井管时处于垂直状态且在孔中心,避免杂物落入井中,井管应高出地面至少20cm,井口加盖。
9)填滤料、黏土井管到达设计深度后,适当稀释井内泥浆,然后立即在井管周围灌填砾料,砾料为:中粗砂+10%瓜子片,砾料填筑为卵石层段,卵石层与隔水层相接区域1m采用黏土球回填,其余均采用黏土回填。滤料填筑完成后进行黏土球(外购)填筑,四周应均匀填入,填筑高度≥1m,填筑完成后进行黏土填筑。
10)洗井利用污泥泵对井底不断抽洗以确保渗水效果。
11)安装抽水设备抽水试验应在洗井质量达到要求后进行,作最大降深抽水,用稳定流原理计算出水量,测出静止水位和降深,每隔2h测量井管水位及围堰上下游水位高程,并详细记录。安装潜水泵及管路系统前,检查电机和泵体,水泵功率P=7.5k W,扬程H=50m,流量Q=50m3/h,设备检查无损后安装。
在上下游分别设置30m×8m×2m的三级沉淀池,如图4所示。为防止集水坑水渗流及浑水流入北支江,采用C25混凝土结构,因水流量较大,为加快沉淀,需向沉淀池中投入絮凝剂,上下游三级沉淀池各放置3个220k W水泵,2台工作,1台备用;水泵至主排水管考虑DN10cm镀锌钢管,主管至集水坑段、集水坑至出水管段采用DN30cm镀锌钢管。对井管进行单井试抽,若有异常情况发生,需要重新做抽水试验。
12)井管封堵对基坑进行安全盖重,浇筑混凝土须达到标高-2.000m,底板两侧回填料须达到标高-1.000m,且至少保证4个相邻区的减压井同时运行,减压井才能进行封堵。基坑封堵如图5所示。
5 质量控制措施
5.1 降水控制措施
当基坑开挖至-5.100m高程时,1~5区承压水头应降至-1.000m,6~9区承压水头应降至±0.000高程。降水方向同基坑开挖方向。在每段基坑开挖前应进行降水,水头降至设计要求时再进行开挖;降水施工过程中,做好各降水井的水位观察工作,水位降至设计高程后,控制水位高程,基坑降水时间从基坑第1层开挖到闸底板达到盖重标高后封闭结束,运行时间较长。在降水过程中,应注意降水管路及设备的保护,保证基坑降水正常运行。
5.2 井管降水施工质量问题及防治措施
1)滤管淤积的防治措施
由于卵石层具有较强的渗流能力,滤管一般可置于卵石层;井管孔直径应较匀称,且不应<80cm,桥式滤管出水量必须符合规定,井管孔的深度一般深于井管0.5m;井点下沉结束后,要及时检验井点的渗水能力;在砂滤料从井点管四周灌进井孔的过程中,有泥浆水沿井点管内流出,或者及时清水注入井点管内,水可以迅速渗透下去,即可认定井点管良好。若水无法向下渗透,应立刻妥善处理。
2)水质浑浊的防治措施
井管滤网要小心保护,下井管前,一定要仔细查验滤网,一旦出现问题,要尽早处理;井管滤管和砂滤料要视土壤条件而定,滤料选择中粗砂加10%瓜子片;灌砂量需由孔径大小和深度决定,实际灌砂量须至少为计算量的95%;如果从井管内排出的水一直处于浑浊状态,则不能再使用,应再次成孔。
3)井管出水量小的防治措施
滤清器、井管及总管等管路要做好清洁工作后才能投入使用;塑料连接短管一定要保证井管到集水总管之间的过水面积。
4)局部地段出现流砂和险情的防治措施
开挖基坑时,要注意临近边坡挖沟积水问题;基坑周围不允许堆放过多土料,同时禁止机械振动过于剧烈;确保排出的承压水不能于周围回流进入土中。在稳定性不足一侧,增加抽水机组,分担部分井管的排量,提高该段井管的抽水能力。
6 结语
以北支江上游水闸及船闸基坑工程为例,研究复杂条件下河道软基超大深基坑潜水与地下承压水降水方法,设计了本工程的基坑降水施工方案,从测量放线、钻机就位、护筒埋设、泥浆制备、成孔、吊放套管、清孔、吊放井管、填滤料及黏土、洗井、安装抽水设备及井管封堵等角度详细介绍深基坑降水施工工艺。此外,提出了井管降水施工质量问题及防治措施。
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