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客運專(zhuān)線(xiàn)橋涵基礎輕型井點(diǎn)降水的應用與質(zhì)量控制(一)
客運專(zhuān)線(xiàn)橋涵基礎輕型井點(diǎn)降水的應用與質(zhì)量控制
哈齊項目部 朱顯良
摘 要：根據哈齊客專(zhuān)橋涵深基坑、深路塹降水防護的實(shí)踐，介紹了季節性地下水位浮動(dòng)較大區砂性土地基輕型井點(diǎn)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(guān)因素進(jìn)行分析，采用合理的措施，在地下水位季節性浮動(dòng)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(mǎn)足經(jīng)濟適用、安全可靠和工期進(jìn)度的要求。
關(guān)鍵詞：季節性水位 砂性土 輕型井點(diǎn) 沉降觀(guān)測 安全質(zhì)量措施
1 引言
在客運專(zhuān)線(xiàn)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(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，結構物基坑開(kāi)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(kāi)挖基坑，在坑底挖集水井和匯水明溝會(huì )產(chǎn)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(diǎn)降水，可以滿(mǎn)足經(jīng)濟適用、安全可靠和工期進(jìn)度的要求。哈齊客專(zhuān)建設中考慮到既有線(xiàn)運行穩定，設計沒(méi)有考慮降水施工，經(jīng)過(guò)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(diǎn)降水使土體固結、基坑干燥，基坑垂直開(kāi)挖，壓縮了工期，取得了較好的經(jīng)濟效益。
2 工程概況
哈齊鐵路客運專(zhuān)線(xiàn)連接了黑龍江省哈爾濱、齊齊哈爾兩個(gè)最大城市，經(jīng)由中國的油都大慶。哈齊鐵路客運專(zhuān)線(xiàn)與既有濱洲線(xiàn)平行，間距20-30m，線(xiàn)路全長(cháng)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(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(xiàn)，前期未考慮降水措施，但基坑開(kāi)挖至地下水位便有流砂產(chǎn)生，特別有列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，地基產(chǎn)生振動(dòng)，流砂現象加劇。
3 輕型井點(diǎn)降水方案設計
井點(diǎn)降水方案設計一般先要了解場(chǎng)地的水文地質(zhì)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(diǎn)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(diǎn)的數量。同時(shí)弄清臨近建筑物或構筑物基礎的技術(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筑物的結構安全，盡量減少土層沉降量，必要時(shí)可采用降水和回灌相結合的方法。本工程根據設計相關(guān)資料，擬定采用環(huán)形方式布置井點(diǎn)，在既有線(xiàn)側加密布設，防止因振動(dòng)造成土體擠密影響降水效果。
3.1、涌水量計算
根據井點(diǎn)系統的涌水量和單井的出水量確定井點(diǎn)的數量 ,再根據基坑周長(cháng)確定井點(diǎn)間距。井點(diǎn)系統的降水問(wèn)題比較復雜 ,一般把井點(diǎn)系統看成一個(gè)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(lèi)。 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(lái)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(diǎn)系統的涌水量計算 ,尚需必須用等效半徑的方法來(lái)解決，當滿(mǎn)足一下兩個(gè)條件時(shí)方可進(jìn)行等效轉換。
Q大口井 =Q井點(diǎn)系統 涌水量相同
Hi大口井 =Hi井點(diǎn)系統 (基坑外的地下水位相同)
等效半徑用用來(lái)表示。一般可根據基坑的形狀近似計算，
當基坑狹長(cháng)時(shí)采用=L/2； (4)
注：L—基坑長(cháng)度
當環(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(shí)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(diǎn)出水量可在同井徑的條件下進(jìn)行抽水試驗確定，當無(wú)條件進(jìn)行抽水試驗時(shí)可采用以下公式進(jìn)行計算：
(6)
注：q—單井涌水量（/d）；—經(jīng)驗系數，一般取1.0～1.5；i—水力梯度，開(kāi)始時(shí)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(jìn)行計算：
n=1.1*Q/q (7)
a=l/(n-1) (8)
注：l—基坑邊布置井點(diǎn)的總長(cháng)度；式中參數同以上公式。
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)還應考慮基坑土的運輸問(wèn)題。平面布置的主要問(wèn)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 ,不能距基礎太遠。
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，設置兩臺機組就能滿(mǎn)足降水的要求。若基坑較大可以同時(shí)用若干臺機組，各個(gè)機組的總管相連但用閥門(mén)隔開(kāi)。正常運行時(shí)可以自成體系，若一臺機組出現故障又可以打開(kāi)閥門(mén)與其他機組形成整體，從而保證抽水的連續性。
3.4、井長(cháng)度計算
井點(diǎn)管的埋深和長(cháng)度L見(jiàn)“井點(diǎn)埋設深度計算圖”。
L=h+h1+h2+h3+l
注：L—井點(diǎn)管的長(cháng)度；h—井點(diǎn)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(cháng)度。
井點(diǎn)埋設深度計算圖
由于一般井點(diǎn)管長(cháng)定型產(chǎn)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(diǎn)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(shí)，需先降低原地面高程，俗語(yǔ)中說(shuō)先開(kāi)槽，待滿(mǎn)足井點(diǎn)要求的以下時(shí)再埋設井點(diǎn)。
(3) 井管頂高程低于地下水位時(shí),一級井點(diǎn)就難以滿(mǎn)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(mǎn)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(diǎn)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(mǎn)足要求，經(jīng)過(guò)計算先開(kāi)1.5m 深的槽，然后在槽內設置井管，滿(mǎn)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(shù)也稱(chēng)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?chē)耐馏w，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(guān)資料經(jīng)驗介紹，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)管放到設計的高程后，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(xiàn)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(jìn)行回填，實(shí)踐中開(kāi)機30分鐘后，觀(guān)察水質(zhì)清澈、不含砂粒，經(jīng)沉降觀(guān)測資料證明基坑四周均無(wú)明顯沉降。保證了既有線(xiàn)營(yíng)運安全。
檢測井和沉降觀(guān)測的設置
4.1、設置觀(guān)測井的目的是觀(guān)測降水過(guò)程中地下水位的變化，由于觀(guān)測井靠重力滲水，埋設時(shí)必須注意填礫的質(zhì)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(guān)測孔口的高程。降水過(guò)程中應定時(shí)、定人觀(guān)測，對觀(guān)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(kāi)挖的時(shí)間。
4.2、設置沉降觀(guān)測的目的是觀(guān)測降水過(guò)程中地下水位下降，是否會(huì )對基坑周邊既有設施產(chǎn)生影響，一般沉降觀(guān)測選取基坑周邊構筑物的特征點(diǎn)，設置高程觀(guān)測點(diǎn)和位移觀(guān)測點(diǎn)，本工程在基坑靠近既有線(xiàn)側分別設置了3組高程觀(guān)測點(diǎn)和位移觀(guān)測點(diǎn)，通過(guò)每日觀(guān)測，砂性土地基局部地下水位小范圍浮動(dòng)不會(huì )對周邊構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(zhuān)人全程監控降水全過(guò)程，以便發(fā)現問(wèn)題及時(shí)處理。
5.1、掌握詳細的地質(zhì)水文資料
基坑工程中對場(chǎng)區地下水處理最大缺陷是會(huì )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)應考慮建筑物設計施工資料、地質(zhì)情況、場(chǎng)地地下水情況。
(1)不要提出過(guò)高的降水深度,必要時(shí)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(shí)掌握水位降低和基坑周?chē)ㄖ镒兓瘎?dòng)態(tài)。
5.2、做好詳細的質(zhì)量檢查記錄
施工前應檢查相關(guān)水設備出廠(chǎng)合格證及各種技術(shù)參數與設計參數相匹配，降水過(guò)程中專(zhuān)人維護設備、檢查井管密封性，做好降水運行記錄和觀(guān)測井點(diǎn)水位記錄。
5.3、加強措施保證連續降水
基坑開(kāi)挖準備開(kāi)挖前應采取措施確保井點(diǎn)降水在基坑開(kāi)挖和施工過(guò)程中連續進(jìn)行。因此應備有滿(mǎn)足工程需要的發(fā)電設備和備用電動(dòng)機。根據經(jīng)驗在系統停電改用發(fā)電機或更換電動(dòng)機，一般在 30min以?xún)瓤梢酝瓿��？稍陂_(kāi)挖前停機30min檢驗地下水的回升情況來(lái)驗證這一經(jīng)驗數據。
5.4、拆除井點(diǎn)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(shí)可以拆除井點(diǎn)。拆除井點(diǎn)應根據工程結構和土方回填進(jìn)度陸續關(guān)閉并逐根拔除井點(diǎn)管。土中所留的孔應用砂土填實(shí)，距孔口2m范圍應用粘土或砂漿回填。
5.5、合理布置井點(diǎn)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(diǎn)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?chē)咦杷谕痪c(diǎn)系統中，無(wú)論為線(xiàn)狀、環(huán)形布置中的各根井管長(cháng)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(guò)大，影響降水效果并點(diǎn)泵浦系統、集水總管都應設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、結束語(yǔ)
通過(guò)工程實(shí)例，簡(jiǎn)單介紹了輕型井點(diǎn)降水的設計、應用和質(zhì)量控制要點(diǎn)，根據施工現場(chǎng)應用情況，對于降水深度不大的砂性土地基采用輕型井點(diǎn)降水，只要設計合理，井點(diǎn)布置適當，濾料濾網(wǎng)選擇正確，降水施工連續的措施得當，可以滿(mǎn)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(zhuān)線(xiàn)在橋涵基礎施工中可以廣泛應用。
參考文獻：
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2.黃生根、張希浩 地基處理與基坑支護工程 中國地質(zhì)大學(xué)出版社 2006年 武漢；
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4.客運專(zhuān)線(xiàn)鐵路橋涵施工質(zhì)量驗收標準 鐵道部經(jīng)濟規劃研究院 2005年 北京；
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