粉性土层中降水效果不佳分析及处理方法

王朝阳， 殷立锋， 晏姝， 王彭宇， 罗军涛

（上海长凯岩土工程有限公司，上海 200093）

0 引言

随着深基坑工程规模不断扩大、深度加深，地下水对深基坑施工的安全威胁越来越大［1］。不管是在低温还是炎热地区，都存在地下水的处理问题，由于基坑开挖过程中存在很多不可预知的情况，特别是在富水性强，透水性差的粉性土层中，往往会因为某些原因从而导致出现降水效果不佳现象。引起降水效果不佳的因素有很多，主要原因之一就是降水井点密度较小，不足以在坑内形成降水漏斗，从而无法很好的降低坑内地下水水位，有效的疏干土体，解决此类问题，可考虑在基坑内施工小口径应急降水井，增加降水井点密度，加大抽水力度，解决降水效果不佳的问题。由于此类井点成孔直径小，成井施工方便，井点造价低，既有效解决了问题，又节省了人力物力财力。常规的地下水处理问题已经有了很多的研究，下文主要从两个案例阐述粉性土层中降水效果不佳分析及处理的新方法。

1 工程概况及水文地质概况

1.1 案例一

苏州某项目为拟建轨道交通枢纽项目，其主要功能包括城市公交、轨道、公路、出租等。基坑为地下3层，开挖深度约14～15m，总开挖面积约47900m2。基坑设置3道混凝土支撑，围护采用3850@1200/1800三轴搅拌桩槽壁加固+800mm/1000mm地下连续墙。基坑围护剖面见图1。

图1 基坑围护剖面（单位：mm）

项目周边以道路为主，其中基坑东南角处为苏州轨道交通4号线某车站，保护环境等级为一级。

拟建项目浅部地下水按其埋藏条件分为潜水、微承压水和承压水。潜水主要埋藏于①层素填土中，该层主要以粘性土为主，富水性差，透水性差。勘察期间，测得潜水初见水位标高在1.32～1.52m之间，稳定水位标高在1.45～1.68m之间。其补给来源为大气降水及地表水入渗补给，以大气蒸发为主要排泄方式。苏州地区降雨主要集中在6～9月份，在此期间，地下水位一般最高；旱季为12月份～翌年3月份，在此期间地下水位一般最低，年变幅1～2m。微承压水主要赋存于③3层粉土夹粉质粘土层中，富水性强，透水性一般。承压水主要赋存在⑦2-1粉土夹粉质粘土、⑦2-2粉土、⑦4粉砂夹粉土、⑦5粉砂层中，该含水层组厚度巨大，厚度达40m以上，富水性较好，透水性较好。基坑典型地质剖面见图2。

图2 典型地质剖面

1.2 案例二

苏州某项目由一幢103层塔楼及8层裙房组成，基坑开挖面积约2.6万m2，开挖深度塔楼区域为32.4m，裙房为27.7m，裙楼落深坑处1.5～3.7m，塔楼落深坑处2.7m。基坑周边采用“两墙合一”地下连续墙作为基坑围护体，地下连续墙既作为基坑开挖阶段的挡土止水围护体，同时也作为地下室结构外墙。基坑围护剖面见图3。

图3 基坑围护剖面（单位：mm）

拟建项目周边环境重要，北侧临近运营中轨道交通，其他侧均存在保护建筑以及各类管线，环境保护等级较高。

拟建项目地下水按形成时代、成因和水理特征可划分为潜水、微承压水和承压水。潜水主要埋藏于①～④层素填土中，该层主要以粘性土为主，局部夹粉砂；微承压水主要埋藏于第⑤层砂质粉土层中，主要补给来源为浅部地下水的垂直入渗及地下水的侧向迳流，以民井抽取及地下水侧向迳流为主要排泄方式。近年最高水位为1.6m（以上均为1985国家高程基准）。埋深较浅，土层在5～20m，开挖过程中将逐步被挖除，对该项目有影响的承压水主要埋藏于第⑨层粉砂、第⑩t层粉砂、第○11层粉砂夹粉质黏土中，主要补给来源为浅部地下水的垂直入渗。基坑典型地质剖面见图4。

图4 典型地质剖面图

2 基坑降水目的及对策

2.1 降水目的

（1） 防止基坑开挖面渗水，保证开挖过程中的土体干燥，保证施工顺利进行［2］。

（2） 增加基坑稳定性，防止基坑边坡水土流失。

（3） 降低基坑开挖土体含水量，防止发生纵向滑坡，方便基坑开挖及施工［3］。

（4） 加固坑底以下土体，提高土体抗力，从而减小围护变形量。

（5） 观测坑外水位，判断止水帷幕的封闭性。

（6） 坑外布置潜水观测井，在坑内降水的同时观测坑外水位变化情况［4］。

2.2 降水对策

以上两个案例地质条件及水文地质条件类似，针对潜水的处理方法相同，均采用坑内疏干降水及坑外观测的方式，以下为降水具体对策：

（1） 对于浅层的潜水，采用真空疏干深井的降水措施，降低坑内地下水水位至开挖面以下0.5～1.0m，对基坑内的潜水进行疏干降水［5］。

（2） 降水井井深设置为开挖面以下5～6m。

（3） 降水井运行采用超级压吸联合抽水系统，真空降水。

（4） 坑外布置潜水观测井，在坑内降水的同时观测坑外水位变化情况。

3 开挖过程中出现的问题及原因分析

文中列举的两个项目在基坑开挖至砂性土层时，发现开挖面上出现局部含水砂层，开挖面以下的土体的疏干效果不佳，导致土方难以外运，出现该现象的主要原因为开挖面位于粉性土内，粉性土具有含水量丰富，渗透能力低的特性，大密度的降水井点不足以对土体进行有效疏干，以下为两个案例出现该问题的原因分析：

案例一：土体疏干效果不佳的位置位于第③3层薄层状粉质粘土，局部粉质粘土含量较高。层厚2.00～8.00m，场地内基本均有分布。该层土体粉土层与粉质粘土层交互分布，存在粉土层透镜体；开挖第3层土方底面与③3层层底位置重合，③3层与⑤1层分界线有略微起伏，⑤1为透水性差的粉质粘土，常规管井的井点密度难以有效疏干该界面，再加上开挖过程中对降水井的保护不佳，导致多数降水井被破坏，丧失抽水能力，因此在土方开挖至该界面时需增大井点密度进行降水。

案例二：土体疏干效果不佳的位置位于第⑤2层粉砂层位置，该层土在基坑内分布不均匀，与第⑥层分界面明显，界面储存水较多，另外由于基坑开挖工期紧张，降水井施工完成抽水约一周后就开始土方开挖，抽水时间短，土体含水量难以在短时间内被有效疏干；再加上部分降水井被破坏，部分位置缺少能有效抽水的降水井，从而导致出现降水效果不佳的现象见图5。

图5 开挖过程出现的降水效果不佳问题

4 处理方法

对于此类砂质粉土层，夹层较多，为有效疏干土体，需要增加降水井数量，增大降水井井点密度；常规疏干深井井点密度较大，因此不易形成降水漏斗，很难有效疏干夹层内地下水，需要加密降水井的数量来达到降水目的，一般增加至150m2/口，但是增加常规的大口径钢管井不仅耗费工期，也增加了额外的人力物力和财力，性价比不高，因此需要寻找一种性价比较高的方法来解决问题。

经各方讨论一致决定采取在目前基坑开挖面上施工井深约8m，孔径为300mm，降水井材质为PVC管，井径为108mm的小口径应急降水井的方式，增大降水井点的密度，在应急抢险时可以发挥极大作用，此种小口径应急降水井，成井速度快，抽水效率高，性价比高，可以很好的达到降水目的。

小口径应急降水井钻井设备采用便携式手动成井设备，在粘质粉土及砂质粉土层中施工应急小口径降水井降水疏干效果明显。相对于传统工艺，此设备的优点：①机具设备简单、易于操作、便于管理；②成孔受场地限制较小，可在基坑内进行施工；③设备小巧灵活，单孔施工时占用面积小，不会产生现场交叉施工；④钻进速率快，大大节约成孔的时间；⑤由于孔径较小，产生泥浆少，更易满足文明施工。

4.1 施工方法

准备工作-材料到位-钻机设备连接-钻进成孔-下井管及滤管-抽水。

（1） 准备工作。根据施工方案，落实材料和人员，合理安排人、财、物，与总包单位保持密切协作。

（2） 材料到位。专人负责进料，工程师核定，确保井管、过滤管、填砂、粘土等材料的质量。材料不到位，质量不符合要求不能钻进。此施工点须严格把控材料质量，特别是滤料的规格。

（3） 钻井设备连接。在钻杆上端接入进水管路，下端接入钻头，将转盘固定于钻杆外壁面上。

（4） 钻进成孔。所有钻进工作在待开挖面上进行施工。

将带有钻头的钻杆放置于待钻井位置，使进水管开通进水，观察钻头上的出水口是否出水，待出水口正常出水后，转动手动式转动件使钻头钻进直至设计标高后成孔。此施工点须严格控制成孔过程中的泥浆比重，防止泥浆过厚影响降水井出水量，也要防止泥浆比重过小，造成塌孔现象。

（5） 下井管及滤管。将井管和滤管固定好后放入钻孔中，在钻孔和滤管之间的缝隙填入滤料（中粗砂）。在钻孔和井管之间填入粘土封孔。小口径管材采用PVC管，不再回收。次施工点需要注意在PVC管外侧需包裹一层滤网，滤网不能有破损，防止地层泥沙进入降水井内。

（6） 抽水。将施工完成的降水井接入真空泵上，启动真空泵进行抽水。此施工点需注意在成井结束后及时进行试抽水，防止降低降水井存活率。

4.2 处理后的效果分析

小口径应急降水井施工完成后便开始真空抽水，抽水24h持续运行，为更好的达到降水效果，可将抽水设备放置在土体开挖面，并按要求加载真空负压。抽出的水集中排放在集水箱中后再统一排出基坑。原有降水井也同时抽水运行。

在小口径应急降水井抽水运行前，由于降水井点密度小，土体内地下水来不及被抽出，便通过地层渗流出土体，导致开挖面上明水较多。

在小口径应急降水井抽水运行后，疏干降水1d后，开挖面上明水基本被抽干，抽水2d后，经监测坑内观测井水位，水位标高均已到达开挖面以下1～2m，土体内部疏干效果明显变好，满足基坑开挖需求见图6。

图6 小口径应急降水井运行后开挖状况

5 结语

基坑开挖过程中，针对砂质粉土层的地层特性，常规密度的降水管井密度难以有效疏干土体，可能会导致降水效果不佳的现象，为解决此类问题，需要一种简单快捷有效的方法去解决问题。根据以上两个项目的实践，证明了应急小口径降水井的优势，它可以在短时间内进行施工，并达到降水目的，而且性价比高，为今后类似地层的降水处理方法积累了宝贵的经验。