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客運(yùn)專線橋涵基礎(chǔ)輕型井點(diǎn)降水的應(yīng)用與質(zhì)量控制(一)
客運(yùn)專線橋涵基礎(chǔ)輕型井點(diǎn)降水的應(yīng)用與質(zhì)量控制
哈齊項(xiàng)目部 朱顯良
摘 要：根據(jù)哈齊客專橋涵深基坑、深路塹降水防護(hù)的實(shí)踐，介紹了季節(jié)性地下水位浮動較大區(qū)砂性土地基輕型井點(diǎn)的布設(shè)方法和應(yīng)用情況，對施工中影響基坑邊坡、地表沉降和降水效果的相關(guān)因素進(jìn)行分析，采用合理的措施，在地下水位季節(jié)性浮動較大，降水深度不大的砂性土地基，選用輕型井點(diǎn)降水，可以滿足經(jīng)濟(jì)適用、安全可靠和工期進(jìn)度的要求。
關(guān)鍵詞：季節(jié)性水位 砂性土 輕型井點(diǎn) 沉降觀測 安全質(zhì)量措施
1 引言
在客運(yùn)專線鐵路建設(shè)中，一般結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)都采用深埋的方式，特別在嚴(yán)寒地區(qū)為防止基礎(chǔ)產(chǎn)生凍害埋深都處于凍深以下。對于地下水位較淺的砂性土地基，結(jié)構(gòu)物基坑開挖前必須采用降低地下水位，降水的方法主要分為強(qiáng)制降水和重力降水，對于砂性土采用重力降水即直接開挖基坑，在坑底挖集水井和匯水明溝會產(chǎn)生流砂和管涌等危害，導(dǎo)致地基破壞和坑壁下陷和坍塌；采用強(qiáng)制降水的方法可抽排土體孔隙水使土體固結(jié)，對于降水深度不大的砂性土地基一般采用輕型井點(diǎn)降水，可以滿足經(jīng)濟(jì)適用、安全可靠和工期進(jìn)度的要求。哈齊客專建設(shè)中考慮到既有線運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)計(jì)沒有考慮降水施工，經(jīng)過嚴(yán)密的論證、詳細(xì)的驗(yàn)算和采用合理的控制方法，在施工中采用輕型井點(diǎn)降水使土體固結(jié)、基坑干燥，基坑垂直開挖，壓縮了工期，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
2 工程概況
哈齊鐵路客運(yùn)專線連接了黑龍江省哈爾濱、齊齊哈爾兩個最大城市，經(jīng)由中國的油都大慶。哈齊鐵路客運(yùn)專線與既有濱洲線平行，間距20-30m，線路全長280.893km。處于沖積平原（松嫩平原）區(qū)，為松花江階地，地形平坦，海拔高程一般為130～160m。地下水埋深1.7～6.4m，水位季節(jié)變幅為2～3m，富水期低洼地段地表水豐富，最大度季節(jié)凍土深度1.9～2.7m。一般地下0～1m承載力為120Kpa松軟粉質(zhì)粘土（松軟）；1～1.8m為承載力為120Kpa的粉質(zhì)黏土；1.8～12.4m為承載力160Kpa的沙土，間或加雜0.5m的粉質(zhì)粘土。降水工點(diǎn)臨近既有濱州線，前期未考慮降水措施，但基坑開挖至地下水位便有流砂產(chǎn)生，特別有列車經(jīng)過時(shí)，地基產(chǎn)生振動，流砂現(xiàn)象加劇。
3 輕型井點(diǎn)降水方案設(shè)計(jì)
井點(diǎn)降水方案設(shè)計(jì)一般先要了解場地的水文地質(zhì)參數(shù)，基坑的形狀、大小和地下水的補(bǔ)給方式和降水深度，根據(jù)基坑的大小和形狀因素選擇井點(diǎn)的布置形式，然后根據(jù)基坑的大小計(jì)算、水文參數(shù)和降水深度確定降水系統(tǒng)總涌水量和單井涌水量，從而確定井點(diǎn)的數(shù)量。同時(shí)弄清臨近建筑物或構(gòu)筑物基礎(chǔ)的技術(shù)資料，充分考慮由于井點(diǎn)降水引起土體產(chǎn)生不均勻沉降而影響臨近建筑物或構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全，盡量減少土層沉降量，必要時(shí)可采用降水和回灌相結(jié)合的方法。本工程根據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)資料，擬定采用環(huán)形方式布置井點(diǎn)，在既有線側(cè)加密布設(shè)，防止因振動造成土體擠密影響降水效果。
3.1、涌水量計(jì)算
根據(jù)井點(diǎn)系統(tǒng)的涌水量和單井的出水量確定井點(diǎn)的數(shù)量 ,再根據(jù)基坑周長確定井點(diǎn)間距。井點(diǎn)系統(tǒng)的降水問題比較復(fù)雜 ,一般把井點(diǎn)系統(tǒng)看成一個大口井代入單井公式計(jì)算。潛水單井降水分為完整井和非完整井兩類。 分別采用以下計(jì)算公式:
完整井: (1)
注:Q—基坑涌水量（/d）；K—透水層滲透系數(shù)（m/d）；H—透水層水深(m)； —降水后最低水深(m)；R—影響半徑(m)； —井的半徑(m)。
計(jì)算影響半徑的公式較多 ,在離河湖補(bǔ)給邊界較遠(yuǎn)的條件下 ,通常用庫薩金公式來估算。
式中:S—降深(m)；K—滲透系數(shù)（m/d）；R—影響半徑（m）；H—透水層水深(m)。
非完整井: (2)
式中: —原地下水位和井底高差（m）；—井內(nèi)水深（m）；其他參數(shù)同公式（1）中。
貫入度小的非完整井也可以用下式計(jì)算:
(3)
式中: —有效帶深度(m)；—有效帶深度減去降深。
用大口井代替井點(diǎn)系統(tǒng)的涌水量計(jì)算 ,尚需必須用等效半徑的方法來解決，當(dāng)滿足一下兩個條件時(shí)方可進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換。
Q大口井 =Q井點(diǎn)系統(tǒng) 涌水量相同
Hi大口井 =Hi井點(diǎn)系統(tǒng) (基坑外的地下水位相同)
等效半徑用用來表示。一般可根據(jù)基坑的形狀近似計(jì)算，
當(dāng)基坑狹長時(shí)采用=L/2； (4)
注：L—基坑長度
當(dāng)環(huán)形布置時(shí)采用= (5)
注：A—基坑有效面積（井點(diǎn)布置包圍的面積）
一般施工時(shí)根據(jù)基坑深度預(yù)留一定厚度后，降水深度S可以確定，然后根據(jù)不同情況采用公式（1）、（2）和（3）計(jì)算出涌水量，計(jì)算時(shí)注意用等效半徑替代井的半徑。
3.2、單井涌水量計(jì)算
單根井點(diǎn)出水量可在同井徑的條件下進(jìn)行抽水試驗(yàn)確定，當(dāng)無條件進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)可采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：
(6)
注：q—單井涌水量（/d）；—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1.0～1.5；i—水力梯度，開始時(shí)取1；k—滲透系數(shù)（m/d）；H—含水層厚度(m)。
3.3、單井?dāng)?shù)量計(jì)算
計(jì)算單井?dāng)?shù)量（n）和間距(a)需按以下公式進(jìn)行計(jì)算：
n=1.1*Q/q (7)
a=l/(n-1) (8)
注：l—基坑邊布置井點(diǎn)的總長度；式中參數(shù)同以上公式。
3.4、井點(diǎn)平面布置
井點(diǎn)平面布置形式一般按照按照基坑的的尺寸、地下水補(bǔ)給的臨界條件和降水深度進(jìn)行選擇。布置井點(diǎn)時(shí)還應(yīng)考慮基坑土的運(yùn)輸問題。平面布置的主要問題是確定井點(diǎn)的間距。井點(diǎn)的平面布置形式有單排布置、雙排布置、環(huán)形布置和 U 形布置。井點(diǎn)布置原則是不能影響建筑物正常施工 ,不能距基礎(chǔ)太遠(yuǎn)。
一般工程采用環(huán)形或U 形布置，在基坑四周每1-2m布置一排井點(diǎn)管，設(shè)置兩臺機(jī)組就能滿足降水的要求。若基坑較大可以同時(shí)用若干臺機(jī)組，各個機(jī)組的總管相連但用閥門隔開。正常運(yùn)行時(shí)可以自成體系，若一臺機(jī)組出現(xiàn)故障又可以打開閥門與其他機(jī)組形成整體，從而保證抽水的連續(xù)性。
3.4、井長度計(jì)算
井點(diǎn)管的埋深和長度L見“井點(diǎn)埋設(shè)深度計(jì)算圖”。
L=h+h1+h2+h3+l
注：L—井點(diǎn)管的長度；h—井點(diǎn)管露地面的高度；h1—基坑深度；h2—降水預(yù)留厚度；h3=基坑半徑*水力梯度i；l—濾水管長度。
井點(diǎn)埋設(shè)深度計(jì)算圖
由于一般井點(diǎn)管長定型產(chǎn)品，而抽水設(shè)備的最大吸程為4-6m,根據(jù)計(jì)算井管頂高程與地面的高程存在下面三種情況:
(1) 井管頂高程高于地面 ,則井點(diǎn)直接在原地面直接設(shè)置；
(2) 井管頂高程低于地面但高于地下水位時(shí)，需先降低原地面高程，俗語中說先開槽，待滿足井點(diǎn)要求的以下時(shí)再埋設(shè)井點(diǎn)。
(3) 井管頂高程低于地下水位時(shí),一級井點(diǎn)就難以滿足工程要求,需用多級井點(diǎn)。
一般情況下 ,用一級井點(diǎn)可以滿足工程對降低地下水位的要求。濾管設(shè)置必須含水層內(nèi) ,否則井點(diǎn)布設(shè)完成后極有可能抽不出水。本工程采用定型4.5m的井管在原地面設(shè)置不能滿足要求，經(jīng)過計(jì)算先開1.5m 深的槽，然后在槽內(nèi)設(shè)置井管，滿足了施工需要。節(jié)約了施工成本。
3.5、濾水層的選擇，
濾水層是在含水層與濾水管之間人工填充的礫料形成，這種成井技術(shù)也稱之為“填礫”，其作用一方面阻止土顆粒在滲水填料中流失，另一方面起到增加有效孔隙率的作用，從而達(dá)到減小地下水流阻力的作用。濾料的作用是保護(hù)井管周圍的土體，增強(qiáng)透水性能。濾料一般根據(jù)被保護(hù)土的顆粒級配情況設(shè)計(jì)，通常用中粗砂。
根據(jù)相關(guān)資料經(jīng)驗(yàn)介紹，D50=(4～10)d50時(shí)，濾水層效果最佳。
注： D50、d50—分別為礫料和土樣中小于該粒徑占總質(zhì)量50%的粒徑。
井點(diǎn)管放到設(shè)計(jì)的高程后，立即填筑，礫料填筑要求均勻密實(shí)具有一定的厚度且井點(diǎn)管居中。資料顯示礫料填筑的質(zhì)量影響降水效果，尤其在透水層中含有弱透水層時(shí)影響更大。
本工程臨近既有鐵路，為防止造成既有線沉降，必須選擇適當(dāng)?shù)臑V水材料以防止基礎(chǔ)砂土和水一起流失，但又要保證良好的透水性。選用D50=4d50的礫料進(jìn)行回填，實(shí)踐中開機(jī)30分鐘后，觀察水質(zhì)清澈、不含砂粒，經(jīng)沉降觀測資料證明基坑四周均無明顯沉降。保證了既有線營運(yùn)安全。
檢測井和沉降觀測的設(shè)置
4.1、設(shè)置觀測井的目的是觀測降水過程中地下水位的變化，由于觀測井靠重力滲水，埋設(shè)時(shí)必須注意填礫的質(zhì)量，一般基坑中心設(shè)置一孔，基坑外側(cè)不少于三孔。降水前應(yīng)觀測孔口的高程。降水過程中應(yīng)定時(shí)、定人觀測，對觀測資料及時(shí)分析，特別是深基坑，及時(shí)掌握降水效果及趨勢，以便確定開挖的時(shí)間。
4.2、設(shè)置沉降觀測的目的是觀測降水過程中地下水位下降，是否會對基坑周邊既有設(shè)施產(chǎn)生影響，一般沉降觀測選取基坑周邊構(gòu)筑物的特征點(diǎn)，設(shè)置高程觀測點(diǎn)和位移觀測點(diǎn)，本工程在基坑靠近既有線側(cè)分別設(shè)置了3組高程觀測點(diǎn)和位移觀測點(diǎn)，通過每日觀測，砂性土地基局部地下水位小范圍浮動不會對周邊構(gòu)筑物和地表造成不利影響。
安全質(zhì)量控制
在施工中基坑工程事故常有發(fā)生，大部分基坑事故都與地下水有關(guān)，所以要選擇合適的降水方法，固定專人全程監(jiān)控降水全過程，以便發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。
5.1、掌握詳細(xì)的地質(zhì)水文資料
基坑工程中對場區(qū)地下水處理最大缺陷是會引起鄰近建筑物的不均勻沉降�？梢詮囊韵聨追矫嬷贫p少不均勻沉降的措施。選擇的降水方法時(shí)應(yīng)考慮建筑物設(shè)計(jì)施工資料、地質(zhì)情況、場地地下水情況。
(1)不要提出過高的降水深度,必要時(shí)在建筑物之間設(shè)置回灌井、回灌溝；減緩降水速度，使建筑物沉降均勻
(2)嚴(yán)格控制出水的含砂土量,隨時(shí)掌握水位降低和基坑周圍建筑物變化動態(tài)。
5.2、做好詳細(xì)的質(zhì)量檢查記錄
施工前應(yīng)檢查相關(guān)水設(shè)備出廠合格證及各種技術(shù)參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)相匹配，降水過程中專人維護(hù)設(shè)備、檢查井管密封性，做好降水運(yùn)行記錄和觀測井點(diǎn)水位記錄。
5.3、加強(qiáng)措施保證連續(xù)降水
基坑開挖準(zhǔn)備開挖前應(yīng)采取措施確保井點(diǎn)降水在基坑開挖和施工過程中連續(xù)進(jìn)行。因此應(yīng)備有滿足工程需要的發(fā)電設(shè)備和備用電動機(jī)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在系統(tǒng)停電改用發(fā)電機(jī)或更換電動機(jī)，一般在 30min以內(nèi)可以完成�？稍陂_挖前停機(jī)30min檢驗(yàn)地下水的回升情況來驗(yàn)證這一經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
5.4、拆除井點(diǎn)的條件和孔口封堵
結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)施工到一定的高程后，停止降水已不影響施工安全，不危及建筑物安全時(shí)可以拆除井點(diǎn)。拆除井點(diǎn)應(yīng)根據(jù)工程結(jié)構(gòu)和土方回填進(jìn)度陸續(xù)關(guān)閉并逐根拔除井點(diǎn)管。土中所留的孔應(yīng)用砂土填實(shí)，距孔口2m范圍應(yīng)用粘土或砂漿回填。
5.5、合理布置井點(diǎn)系統(tǒng)集水總管的高程
集水總管的高程布設(shè)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，井點(diǎn)泵(離心泵)軸心高度應(yīng)盡可能與集水總管在同一高程上，要防止地面雨水徑流、坑四周圍堰阻水在同一井點(diǎn)系統(tǒng)中，無論為線狀、環(huán)形布置中的各根井管長度須相同。盡量使各井管的濾管頂部能在同一高程上(最大相差一般不容許大于10cm)，以防高差過大，影響降水效果并點(diǎn)泵浦系統(tǒng)、集水總管都應(yīng)設(shè)置在比較可靠的地點(diǎn)、平臺上；一般井點(diǎn)泵裝置地點(diǎn)要以墊木鋪墊 或夯實(shí)整。
6、結(jié)束語
通過工程實(shí)例，簡單介紹了輕型井點(diǎn)降水的設(shè)計(jì)、應(yīng)用和質(zhì)量控制要點(diǎn)，根據(jù)施工現(xiàn)場應(yīng)用情況，對于降水深度不大的砂性土地基采用輕型井點(diǎn)降水，只要設(shè)計(jì)合理，井點(diǎn)布置適當(dāng)，濾料濾網(wǎng)選擇正確，降水施工連續(xù)的措施得當(dāng)，可以滿足施工及地基安全的要求，周邊地基沉降可以忽略，所以在客運(yùn)專線在橋涵基礎(chǔ)施工中可以廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
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2.黃生根、張希浩 地基處理與基坑支護(hù)工程 中國地質(zhì)大學(xué)出版社 2006年 武漢；
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4.客運(yùn)專線鐵路橋涵施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) 鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院 2005年 北京；
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