轻型井点降水应用

参评论文

桥梁工程

客运专线桥涵基础轻型井点降水的应用与质量控制

摘要：根据哈齐客专桥涵深基坑、深路堑降水防护的实践，介绍了季节性地下水位浮动较大区砂性土地基轻型井点的布设方法和应用情况，对施工中影响基坑边坡、地表沉降和降水效果的相关因素进行分析，采用合理的措施，在地下水位季节性浮动较大，降水深度不大的砂性土地基，选用轻型井点降水，可以满足经济适用、安全可靠和工期进度的要求。

关键词：季节性水位砂性土轻型井点沉降观测安全质量措施

1 引言

在客运专线铁路建设中，一般结构物基础都采用深埋的方式，特别在严寒地区为防止基础产生冻害，埋深都处于冻深以下。对于地下水位较浅的砂性土地基，结构物基坑开挖前必须采用降低地下水位，降水的方法主要分为强制降水和重力降水，对于砂性土采用重力降水，即直接开挖在基坑底挖集水井和汇水明沟会产生流砂和管涌等危害，导致地基破坏和坑壁下陷和坍塌；采用强制降水的方法可抽排土体孔隙水使土体固结，对于降水深度不大的砂性土地基一般采用轻型井点降水，可以满足经济适用、安全可靠和工期进度的要求。哈齐客专建设中考虑到既有线运行稳定，设计没有考虑降水施工，经过严密的论证、详细的验算和采用合理的控制方法，在施工中采用轻型井点降水使土体固结、基坑干燥，基坑垂直开挖，压缩了工期，取得了较好的经济效益。

2 工程概况

哈齐铁路客运专线连接了黑龙江省哈尔滨、齐齐哈尔两个最大城市，经由中国的油都大庆。哈齐铁路客运专线与既有滨洲线平行，间距20-30m，线路全长280.893km。处于冲积平原（松嫩平原）区，为松花江阶地，地形平坦，海拔高程一般为130～160m。地下水埋深1.7～6.4m，水位季节变幅为2～3m，富水期低洼地段地表水丰富，最大度季节冻土深度1.9～2.7m。一般地下0～1m承载力为120Kpa松软粉质粘土（松软）；1～1.8m 为承载力为120Kpa的粉质黏土；1.8～12.4m为承载力160Kpa的沙土，渗透系数为0.8～1，间或加杂0.5m的粉质粘土，。降水工点临近既有滨州线，前期未考虑降水措施，但基坑开挖至地下水位便有流砂产生，特别有列车经过时，地基产生振动，流砂现象加剧。

3 轻型井点降水方案设计

井点降水方案设计一般先要了解场地的水文地质参数，基坑的形状、大小和地下水

的补给方式和降水深度，根据基坑的大小和形状因素选择井点的布置形式，然后根据基坑的大小计算、水文参数和降水深度确定降水系统总涌水量和单井涌水量，从而确定井点的数量。同时弄清临近建筑物或构筑物基础的技术资料，充分考虑由于井点降水引起土体产生不均匀沉降而影响临近建筑物或构筑物的结构安全，尽量减少土层沉降量，必要时可采用降水和回灌相结合的方法。本工程根据设计相关资料，拟定采用环形方式布置井点，在既有线侧加密布设，防止因振动造成土体挤密影响降水效果。

3.1、涌水量计算

根据井点系统的涌水量和单井的出水量确定井点的数量 ,再根据基坑周长确定井点间距。井点系统的降水问题比较复杂 ,一般把井点系统看成一个大口井代入单井公式计算。潜水单井降水分为完整井和非完整井两类。 分别采用以下计算公式:

完整井: 22

001.36lgR lgr H h Q K -=- (1)

注:Q —基坑涌水量（3m /d ）；K —透水层渗透系数（m/d ）；H —透水层水深(m)；0h —

降水后最低水深(m)；R —影响半径(m)；0r —井的半径(m)。

计算影响半径的公式较多 ,在离河湖补给边界较远的条件下 ,通常用库萨金公式

R=2S ??来估算。

式中:S —降深(m)；K —渗透系数（m/d ）；R —影响半径（m ）；H —透水层水深(m)。

非完整井: 221101.36(1lg lg H h Q K

R r -=?+- (2) 式中:

1H —原地下水位和井底高差（m ）；1h —井内水深（m ）；其他参数同公式（1）

中。 贯入度小的非完整井也可以用下式计算:

220001.36()/(lg lg )Q H h R r =-- (3)

式中: 0H —有效带深度(m)；0h —有效带深度减去降深。

用大口井代替井点系统的涌水量计算 ,尚需必须用等效半径的方法来解决，当满足一下两个条件时方可进行等效转换。

Q 大口井 =Q 井点系统 涌水量相同

Hi 大口井 =Hi 井点系统 (基坑外的地下水位相同)

等效半径用用e r 来表示。e r 一般可根据基坑的形状近似计算，

当基坑狭长时采用e r =L/2π； (4)

注：L —基坑长度

当环形布置时采用e r 注：A —基坑有效面积（井点布置包围的面积）

一般施工时根据基坑深度预留一定厚度后，降水深度S 可以确定，然后根据不同情况采用公式（1）、（2）和（3）计算出涌水量，计算时注意用等效半径e r 替代井的半径0r 。

本工程按照基坑为狭长基坑，等效半径采用公式(4)计算，按照公式(1)计算得基坑涌水量为979.63m /d ；

3.2、单井涌水量计算

单根井点出水量可在同井径的条件下进行抽水试验确定，当无条件进行抽水试验时可采用以下公式进行计算：

q i k r H α=???? (6)

注：q —单井涌水量（3m /d ）；α—经验系数，一般取1.0～1.5；i —水力梯度，开

始时取1；k —渗透系数（m/d ）；H —含水层厚度(m)。

取经验系数为1.5，带入地质水文参数计算得单井涌水量为22.33

m /d ；

3.3、单井数量计算

计算单井数量（n ）和间距(a)需按以下公式进行计算：

n=1.1*Q/q (7)

a=l/(n-1) (8)

注：l —基坑边布置井点的总长度；式中参数同以上公式。

根据公式(1) (6)的计算结果，计算单井数量为44个，单井的距离为1m 。

3.4、井点平面布置

井点平面布置形式一般按照基坑的的尺寸、地下水补给的临界条件和降水深度进行选择。布置井点时还应考虑基坑土的运输问题。平面布置的主要问题是确定井点的间距。井点的平面布置形式有单排布置、双排布置、环形布置和 U 形布置。井点布置原则是不能影响建筑物正常施工 ,不能距基础太远。

一般工程采用环形或U 形布置，在基坑四周每1-2m布置一排井点管，设置两台机组就能满足降水的要求。若基坑较大可以同时用若干台机组，各个机组的总管相连但用阀门隔开。正常运行时可以自成体系，若一台机组出现故障又可以打开阀门与其他机组形成整体，从而保证抽水的连续性。

3.4、井长度计算

井点管的埋深和长度L见“井点埋设深度计算图”。

L=h+h1+h2+h3+l

注：L—井点管的长度；h—井点管露地面的高度；h1—基坑深度；h2—降水预留厚度；h3=基坑半径

r*水力梯度i；l—滤水管长度。

井点埋设深度计算图

由于一般井点管长定型产品，而抽水设备的最大吸程为4-6m,根据计算井管顶高程与地面的高程存在下面三种情况:

(1) 井管顶高程高于地面 ,则井点直接在原地面直接设置；

(2) 井管顶高程低于地面但高于地下水位时，需先降低原地面高程，俗语中说先开槽，待满足井点要求的以下时再埋设井点。

(3) 井管顶高程低于地下水位时,一级井点就难以满足工程要求,需用多级井点。

一般情况下 ,用一级井点可以满足工程对降低地下水位的要求。滤管设置必须含水层内 ,否则井点布设完成后极有可能抽不出水。本工程采用定型4.5m的井管在原地面设置不能满足要求，经过计算先开1.5m 深的槽，然后在槽内设置井管，有效减小了真空泵的吸程，满足了施工需要。节约了施工成本。

3.5、滤水层的选择，

滤水层是在含水层与滤水管之间人工填充的砾料形成，这种成井技术也称之为“填砾”，其作用一方面阻止土颗粒在渗水填料中流失，另一方面起到增加有效孔隙率的作用，

从而达到减小地下水流阻力的作用。滤料的作用是保护井管周围的土体，增强透水性能。滤料一般根据被保护土的颗粒级配情况设计，通常用中粗砂。

根据相关资料经验介绍，D50=(4～10)d50时，滤水层效果最佳。

注： D50、d50—分别为砾料和土样中小于该粒径占总质量50%的粒径。

井点管放到设计的高程后，立即填筑，砾料填筑要求均匀密实具有一定的厚度且井点管居中。资料显示砾料填筑的质量影响降水效果，尤其在透水层中含有弱透水层时影响更大。

本工程临近既有铁路，为防止造成既有线沉降，必须选择适当的滤水材料以防止基础砂土和水一起流失，但又要保证良好的透水性。选用D50=4d50的砾料进行回填，实践中开机30分钟后，观察水质清澈、不含砂粒，24小时后经沉降观测资料证明基坑四周均无明显沉降。保证了既有线营运安全。

4检测井和沉降观测的设置

4.1、设置观测井的目的是观测降水过程中地下水位的变化，由于观测井靠重力渗水，埋设时必须注意填砾的质量，一般基坑中心设置一孔，基坑外侧不少于三孔。降水前应观测孔口的高程。降水过程中应定时、定人观测，对观测资料及时分析，特别是深基坑，及时掌握降水效果及趋势，以便确定开挖的时间。

4.2、设置沉降观测的目的是观测降水过程中地下水位下降，是否会对基坑周边既有设施产生影响，一般沉降观测选取基坑周边构筑物的特征点，设置高程观测点和位移观测点，本工程在基坑靠近既有线侧分别设置了3组高程观测点和位移观测点，通过每日观测，砂性土地基局部地下水位小范围浮动不会对周边构筑物和地表造成不利影响。

5安全质量控制

在施工中基坑工程事故常有发生，大部分基坑事故都与地下水有关，所以要选择合适的降水方法，固定专人全程监控降水全过程，以便发现问题及时处理。

5.1、掌握详细的地质水文资料

基坑工程中对场区地下水处理最大缺陷是会引起邻近建筑物的不均匀沉降。可以从以下几方面制定减少不均匀沉降的措施。选择的降水方法时应考虑建筑物设计施工资料、地质情况、场地地下水情况。

(1)不要提出过高的降水深度,必要时在建筑物之间设置回灌井、回灌沟；减缓降水速度，使建筑物沉降均匀

(2)严格控制出水的含砂土量,随时掌握水位降低和基坑周围建筑物变化动态。

5.2、做好详细的质量检查记录

施工前应检查相关水设备出厂合格证及各种技术参数与设计参数相匹配，降水过程中专人维护设备、检查井管密封性，做好降水运行记录和观测井点水位记录。

5.3、加强措施保证连续降水

基坑开挖准备开挖前应采取措施确保井点降水在基坑开挖和施工过程中连续进行。因此应备有满足工程需要的发电设备和备用电动机。根据经验在系统停电改用发电机或更换电动机，一般在 30min以内可以完成。可在开挖前停机30min检验地下水的回升情况来验证这一经验数据。

5.4、拆除井点的条件和孔口封堵

结构物基础施工到一定的高程后，停止降水已不影响施工安全，不危及建筑物安全时可以拆除井点。拆除井点应根据工程结构和土方回填进度陆续关闭并逐根拔除井点管。土中所留的孔应用砂土填实，距孔口2m范围应用粘土或砂浆回填。

5.5、合理布置井点系统集水总管的高程

集水总管的高程布设在接近地下水位的高程，或略高于天然地下水位以上20cm左右，井点泵(离心泵)轴心高度应尽可能与集水总管在同一高程上，要防止地面雨水径流、坑四周围堰阻水在同一井点系统中，无论为线状、环形布置中的各根井管长度须相同。尽量使各井管的滤管顶部能在同一高程上(最大相差一般不容许大于10cm)，以防高差过大，影响降水效果并点泵浦系统、集水总管都应设置在比较可靠的地点、平台上；一般井点泵装置地点要以垫木铺垫或夯实整。

6、结束语

通过工程实例，简单介绍了轻型井点降水的设计、应用和质量控制要点，根据施工现场应用情况，对于降水深度不大的砂性土地基采用轻型井点降水，只要设计合理，井点布置适当，滤料滤网选择正确，降水施工连续的措施得当，可以满足施工及地基安全的要求，周边地基沉降可以忽略，所以在客运专线在桥涵基础施工中可以广泛应用。

参考文献：

[1]李文英.土力学与地基基础.北京中国铁道出版社.2006年.北京；

[2]黄生根，张希浩.地基处理与基坑支护工程.中国地质大学出版社.2006年.武汉；

[3]客运专线铁路桥涵施工技术指南.铁道部经济规划研究院.2005年.北京；

[4]客运专线铁路桥涵施工质量验收标准.铁道部经济规划研究院.2005年.北京。