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客運專線橋涵基礎輕型井點降水的應用與質量控制(一)
客運專線橋涵基礎輕型井點降水的應用與質量控制
哈齊項目部 朱顯良
摘 要：根據哈齊客專橋涵深基坑、深路塹降水防護的實踐，介紹了季節性地下水位浮動較大區砂性土地基輕型井點的布設方法和應用情況，對施工中影響基坑邊坡、地表沉降和降水效果的相關因素進行分析，采用合理的措施，在地下水位季節性浮動較大，降水深度不大的砂性土地基，選用輕型井點降水，可以滿足經濟適用、安全可靠和工期進度的要求。
關鍵詞：季節性水位 砂性土 輕型井點 沉降觀測 安全質量措施
1 引言
在客運專線鐵路建設中，一般結構物基礎都采用深埋的方式，特別在嚴寒地區為防止基礎產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，結構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生流砂和管涌等危害，導致地基破壞和坑壁下陷和坍塌；采用強制降水的方法可抽排土體孔隙水使土體固結，對于降水深度不大的砂性土地基一般采用輕型井點降水，可以滿足經濟適用、安全可靠和工期進度的要求。哈齊客專建設中考慮到既有線運行穩定，設計沒有考慮降水施工，經過嚴密的論證、詳細的驗算和采用合理的控制方法，在施工中采用輕型井點降水使土體固結、基坑干燥，基坑垂直開挖，壓縮了工期，取得了較好的經濟效益。
2 工程概況
哈齊鐵路客運專線連接了黑龍江省哈爾濱、齊齊哈爾兩個最大城市，經由中國的油都大慶。哈齊鐵路客運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，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，水位季節變幅為2～3m，富水期低洼地段地表水豐富，最大度季節凍土深度1.9～2.7m。一般地下0～1m承載力為120Kpa松軟粉質粘土（松軟）；1～1.8m為承載力為120Kpa的粉質黏土；1.8～12.4m為承載力160Kpa的沙土，間或加雜0.5m的粉質粘土。降水工點臨近既有濱州線，前期未考慮降水措施，但基坑開挖至地下水位便有流砂產生，特別有列車經過時，地基產生振動，流砂現象加劇。
3 輕型井點降水方案設計
井點降水方案設計一般先要了解場地的水文地質參數，基坑的形狀、大小和地下水的補給方式和降水深度，根據基坑的大小和形狀因素選擇井點的布置形式，然后根據基坑的大小計算、水文參數和降水深度確定降水系統總涌水量和單井涌水量，從而確定井點的數量。同時弄清臨近建筑物或構筑物基礎的技術資料，充分考慮由于井點降水引起土體產生不均勻沉降而影響臨近建筑物或構筑物的結構安全，盡量減少土層沉降量，必要時可采用降水和回灌相結合的方法。本工程根據設計相關資料，擬定采用環形方式布置井點，在既有線側加密布設，防止因振動造成土體擠密影響降水效果。
3.1、涌水量計算
根據井點系統的涌水量和單井的出水量確定井點的數量 ,再根據基坑周長確定井點間距。井點系統的降水問題比較復雜 ,一般把井點系統看成一個大口井代入單井公式計算。潛水單井降水分為完整井和非完整井兩類。 分別采用以下計算公式:
完整井: (1)
注:Q—基坑涌水量（/d）；K—透水層滲透系數（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)。
計算影響半徑的公式較多 ,在離河湖補給邊界較遠的條件下 ,通常用庫薩金公式來估算。
式中:S—降深(m)；K—滲透系數（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）；—井內水深（m）；其他參數同公式（1）中。
貫入度小的非完整井也可以用下式計算:
(3)
式中: —有效帶深度(m)；—有效帶深度減去降深。
用大口井代替井點系統的涌水量計算 ,尚需必須用等效半徑的方法來解決，當滿足一下兩個條件時方可進行等效轉換。
Q大口井 =Q井點系統 涌水量相同
Hi大口井 =Hi井點系統 (基坑外的地下水位相同)
等效半徑用用來表示。一般可根據基坑的形狀近似計算，
當基坑狹長時采用=L/2； (4)
注：L—基坑長度
當環形布置時采用= (5)
注：A—基坑有效面積（井點布置包圍的面積）
一般施工時根據基坑深度預留一定厚度后，降水深度S可以確定，然后根據不同情況采用公式（1）、（2）和（3）計算出涌水量，計算時注意用等效半徑替代井的半徑。
3.2、單井涌水量計算
單根井點出水量可在同井徑的條件下進行抽水試驗確定，當無條件進行抽水試驗時可采用以下公式進行計算：
(6)
注：q—單井涌水量（/d）；—經驗系數，一般取1.0～1.5；i—水力梯度，開始時取1；k—滲透系數（m/d）；H—含水層厚度(m)。
3.3、單井數量計算
計算單井數量（n）和間距(a)需按以下公式進行計算：
n=1.1*Q/q (7)
a=l/(n-1) (8)
注：l—基坑邊布置井點的總長度；式中參數同以上公式。
3.4、井點平面布置
井點平面布置形式一般按照按照基坑的的尺寸、地下水補給的臨界條件和降水深度進行選擇。布置井點時還應考慮基坑土的運輸問題。平面布置的主要問題是確定井點的間距。井點的平面布置形式有單排布置、雙排布置、環形布置和 U 形布置。井點布置原則是不能影響建筑物正常施工 ,不能距基礎太遠。
一般工程采用環形或U 形布置，在基坑四周每1-2m布置一排井點管，設置兩臺機組就能滿足降水的要求。若基坑較大可以同時用若干臺機組，各個機組的總管相連但用閥門隔開。正常運行時可以自成體系，若一臺機組出現故障又可以打開閥門與其他機組形成整體，從而保證抽水的連續性。
3.4、井長度計算
井點管的埋深和長度L見“井點埋設深度計算圖”。
L=h+h1+h2+h3+l
注：L—井點管的長度；h—井點管露地面的高度；h1—基坑深度；h2—降水預留厚度；h3=基坑半徑*水力梯度i；l—濾水管長度。
井點埋設深度計算圖
由于一般井點管長定型產品，而抽水設備的最大吸程為4-6m,根據計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 ,則井點直接在原地面直接設置；
(2) 井管頂高程低于地面但高于地下水位時，需先降低原地面高程，俗語中說先開槽，待滿足井點要求的以下時再埋設井點。
(3) 井管頂高程低于地下水位時,一級井點就難以滿足工程要求,需用多級井點。
一般情況下 ,用一級井點可以滿足工程對降低地下水位的要求。濾管設置必須含水層內 ,否則井點布設完成后極有可能抽不出水。本工程采用定型4.5m的井管在原地面設置不能滿足要求，經過計算先開1.5m 深的槽，然后在槽內設置井管，滿足了施工需要。節約了施工成本。
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，從而達到減小地下水流阻力的作用。濾料的作用是保護井管周圍的土體，增強透水性能。濾料一般根據被保護土的顆粒級配情況設計，通常用中粗砂。
根據相關資料經驗介紹，D50=(4～10)d50時，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量50%的粒徑。
井點管放到設計的高程后，立即填筑，礫料填筑要求均勻密實具有一定的厚度且井點管居中。資料顯示礫料填筑的質量影響降水效果，尤其在透水層中含有弱透水層時影響更大。
本工程臨近既有鐵路，為防止造成既有線沉降，必須選擇適當的濾水材料以防止基礎砂土和水一起流失，但又要保證良好的透水性。選用D50=4d50的礫料進行回填，實踐中開機30分鐘后，觀察水質清澈、不含砂粒，經沉降觀測資料證明基坑四周均無明顯沉降。保證了既有線營運安全。
檢測井和沉降觀測的設置
4.1、設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，埋設時必須注意填礫的質量，一般基坑中心設置一孔，基坑外側不少于三孔。降水前應觀測孔口的高程。降水過程中應定時、定人觀測，對觀測資料及時分析，特別是深基坑，及時掌握降水效果及趨勢，以便確定開挖的時間。
4.2、設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施產生影響，一般沉降觀測選取基坑周邊構筑物的特征點，設置高程觀測點和位移觀測點，本工程在基坑靠近既有線側分別設置了3組高程觀測點和位移觀測點，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筑物和地表造成不利影響。
安全質量控制
在施工中基坑工程事故常有發生，大部分基坑事故都與地下水有關，所以要選擇合適的降水方法，固定專人全程監控降水全過程，以便發現問題及時處理。
5.1、掌握詳細的地質水文資料
基坑工程中對場區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。選擇的降水方法時應考慮建筑物設計施工資料、地質情況、場地地下水情況。
(1)不要提出過高的降水深度,必要時在建筑物之間設置回灌井、回灌溝；減緩降水速度，使建筑物沉降均勻
(2)嚴格控制出水的含砂土量,隨時掌握水位降低和基坑周圍建筑物變化動態。
5.2、做好詳細的質量檢查記錄
施工前應檢查相關水設備出廠合格證及各種技術參數與設計參數相匹配，降水過程中專人維護設備、檢查井管密封性，做好降水運行記錄和觀測井點水位記錄。
5.3、加強措施保證連續降水
基坑開挖準備開挖前應采取措施確保井點降水在基坑開挖和施工過程中連續進行。因此應備有滿足工程需要的發電設備和備用電動機。根據經驗在系統停電改用發電機或更換電動機，一般在 30min以內可以完成�？稍陂_挖前停機30min檢驗地下水的回升情況來驗證這一經驗數據。
5.4、拆除井點的條件和孔口封堵
結構物基礎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可以拆除井點。拆除井點應根據工程結構和土方回填進度陸續關閉并逐根拔除井點管。土中所留的孔應用砂土填實，距孔口2m范圍應用粘土或砂漿回填。
5.5、合理布置井點系統集水總管的高程
集水總管的高程布設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，井點泵(離心泵)軸心高度應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系統中，無論為線狀、環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，影響降水效果并點泵浦系統、集水總管都應設置在比較可靠的地點、平臺上；一般井點泵裝置地點要以墊木鋪墊 或夯實整。
6、結束語
通過工程實例，簡單介紹了輕型井點降水的設計、應用和質量控制要點，根據施工現場應用情況，對于降水深度不大的砂性土地基采用輕型井點降水，只要設計合理，井點布置適當，濾料濾網選擇正確，降水施工連續的措施得當，可以滿足施工及地基安全的要求，周邊地基沉降可以忽略，所以在客運專線在橋涵基礎施工中可以廣泛應用。
參考文獻：
1.李文英 土力學與地基基礎 北京中國鐵道出版社 2006年 北京；
2.黃生根、張希浩 地基處理與基坑支護工程 中國地質大學出版社 2006年 武漢；
3.客運專線鐵路橋涵施工技術指南 鐵道部經濟規劃研究院 2005年 北京；
4.客運專線鐵路橋涵施工質量驗收標準 鐵道部經濟規劃研究院 2005年 北京；
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