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工程管理前沿【2019年第24期】

  • ID:271572
  • 浏览:4003
  • 学科:工程地质学
  • 更新时间:2020-02-18 09:33:36
  • 期刊: 工程管理前沿
内容简介
《工程管理前沿》杂志是由中国工程院主管,中国工程院、清华大学、高等教育出版社主办的建筑期刊。国际标准刊号:2095-7513,国内统一刊号:CN10-1205/N。《工程管理前沿》的办刊宗旨:依托建设领域高层权威信息背景,旨在做好政府领导决策的重要参谋;成为政策理论探讨的前沿阵地,积极探索和引导建设事业发展方向和改革实践;提供重大事件权威报道,深度阐释焦点话题,纵深调查热点事件,努力追求权威性、建设性、实用性和可读性风格;努力做大媒介传播平台,真诚为建设企事业单位服务,为中国建设事业和城市化发展服务,为广大读者开启一个探求知识的窗口。

轻型井点降水在沙漠地区施工中的应用

2019/8/9 15:17:00 工程地质学 王光法,杨永臻,卢志
资料简介

摘要:本文结合沙漠地区不同的地质情况及地下水的特点介绍了在沙漠地区桥涵等结构物施工时遇到基坑有水情况的处理方法,井点降水方案的确定,井点降水施工的计算,井点降水注意事项,并通过对施工参数、不同地质条件等影响降水效果因素的分析,提出了改进降水效果、降低降水成本的有效途径和措施。

轻型井点降水在沙漠地区施工中的应用

王光法 杨永臻 卢志洋

中交一航局第二工程有限公司 山东青岛 266071

摘要:本文结合沙漠地区不同的地质情况及地下水的特点介绍了在沙漠地区桥涵等结构物施工时遇到基坑有水情况的处理方法,井点降水方案的确定,井点降水施工的计算,井点降水注意事项,并通过对施工参数、不同地质条件等影响降水效果因素的分析,提出了改进降水效果、降低降水成本的有效途径和措施。

关键词:沙漠地区、基坑降水、井点降水

引言:本工程桥涵开挖主要地层为第四系全新统湖积层(Q4I)之中,地下水水位在地表以下0~1.0米,砂类土为主要含水层,水位埋深较浅,经现场土工取样检测,含水层平均渗透系数10~18m/d,属较强透水性,总体富水性较强,局部存有地表水。桥涵施工受地质及地下水情况影响较大,采用正确合理的排水降水方式对于保证基坑边坡的安全稳定性、基底承载能力,加快桥涵施工进度,降低桥涵基础防护成本具有比较现实的意义。

1 工程概况

我公司承建的某新建铁路TJ-1标段二工区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗境内,地处毛乌素沙漠腹地,正线长度53.9km,设计涵洞160座,桥梁3座(37个承台)。涵洞长度范围10~46m,宽度范围6~15.3m,开挖深度范围1.5~4.5m。桥梁为简支T型梁结构,承台截面积范围33.6㎡~101.92㎡。需要降水的涵洞132座,承台36个,占桥涵设计总量的85.3%。

2 降水方案选择

通过现场基坑探挖自然渗水试验,排除了明排降水方式。根据本标段桥涵基坑降水深度、地质等情况,结合本地区常用的“井点降水”的原理及适用范围,决定采取轻型井点降水方案。

2.1 现场明挖探坑渗水试验

工程沿线地下水位高,水量充沛,采用机械开挖3*3*2m深的探坑后,随着砂体内渗水压力和水流的裹携作用,边坡砂体呈现流动状态,快速向基坑底汇集,随着砂体流入坑底,坑壁不断向外坍塌,基坑边坡无法成型,人员、抽水机具等无法进入坑内作业,30min左右自然渗水溢满基坑,稳定水位在地面线下0.3m。无法采取明挖基坑后自然渗水明排结合钢管或板桩防护等常规降水开挖方法。

2.2井点降水的原理及适用范围

(1)井点降水原理:

井点降水的原理是在基坑开挖前,沿基坑四周埋设一定的井点管至蓄水层内,利用抽水设备将地下水从井点管内不断抽出,将地下水位降至基坑底以下(见图2-2)。

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图2-2 井点降水的原理

井点降水类型及适用范围如下(表2-1)

表2-1 井点降水分类及适用范围

井点类型

土的渗透系数m/d

降水深度m

轻型井点

一级轻型井点

0.1~50

3~6

多级轻型井点

0.1~50

视井点级数而定

喷射井点

0.1~50

8~20

电渗井点

<0.1

视选用的井点

管井井点

管井井点

20~200

3~5

深井井点

10~250

>15

3 施工准备

3.1技术准备:

为达到预期的降水效果,需根据桥涵降水深度、桥涵基坑长宽、土层性质等计算井点管参数,配置相应数量的设备、材料。

本文以DK69+800 1-4m盖板涵为例介绍井点降水的计算及施工方法。

(1)确定井点管的埋设深度Ha

井点管的滤管应在透水层内,埋深Ha = h1 + h2 +Δh + l + r/ m。本涵洞水泵轴至井点滤管底的深度Ha为0.3m ,水泵轴至正常地下水位的高度h1为0.4 m,正常地下水位至基坑底的高度h2为2.1m; 基坑底中心至井点管中心的距离r为 9.75m;采用环形井点群,井点抽水后的水力坡降线的坡比m取12;降水后的地下水位距基坑底面的安全距离Δh取0.5 m;滤管长度l取1.0 m。以上合计Ha 为5.12 m。

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图3-1 井点管埋设示意图

(2)确定渗透系数K

不同的地质情况下,渗透系数K不同,准确的确定渗透系数,对于指导现场施工具有重要的意义,通过常水头注水实验法和现场抽水试验(见图3-2),可以较为准确的测定土壤渗透系数。

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图3-2 注水试验示意图

根据裘布依公式[1]

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实验结果表3-1,表3-2所示

表3-1 注水试验成果表

孔号

含水层厚度H(m)

滤管长L(m)

R(m)

r(m)

水头高度s(m)

稳定注水流量Q (L/s)

渗透系数K (m/d)

1#

3.9

1

35

0.05

0.3

0.509

16.0294

2#

3.9

1

40

0.05

0.6

0.512

16.1587

表3-2 抽水试验成果表

孔号

含水层厚度H(m)

滤管长L(m)

R(m)

r(m)

稳定涌水量Q (L/s)

水位降低值s(m)

渗透系数K(cm/s)

1#

3.9

1

36

0.05

0.506

0

16.0987

2#

3.9

1

39

0.05

0.51

0.5

16.1534

(3)基坑总涌水量计算

根据本涵洞地质资料显示粉细砂地层厚度为4.3m,Ha=5.12m>4.3+0.3=4.6m,井点管达到不透水层,属无压完整井(见图3-3)。

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(a)无压完整井;(b)无压非完整井(c)承压完整井(d)承压非完整井

图3-3 轻型井点降水类型

基坑总涌水量按无压完整井群涌水量公式计算:

Q=1.366K(2H-S)S/(lgR-lgx0)

式中,K 为渗透系数,根据现场测试K=16m/d;

H为含水层厚度(m),本涵洞为3.9m;

S 为水位降低值,本涵洞为2.6m;

R 为影响半径,5e1d67f966ddd_html_3f209aa174599820.gif =40.05m。x0为基坑的假想半径,当基坑为圆形时,基坑等效半径取圆半径,当基坑为非圆时,对矩形基坑的等效半径计算如下式:当长宽比A/B不大于5时,5e1d67f966ddd_html_40e3f2a7993e7c62.gif ,(F为井点系统所包围的面积)。

将以上数据代入公式得Q=944m3 /d 。

(4)计算单根井点管出水量

单井出水量5e1d67f966ddd_html_5d4fb6ac7547dd44.gif 。式中d 为滤管外径(m),现场采用的管材为0.05m。将数据代入公式得q=25.715 m3/d。

(5)确定井点管数量n 与间距a

井点管数量n=1.1Q/q =41根, 基坑四个角分别加密2根,总计49根。

井点间距a =L/n。式中,L为集水总管长度(m)。

DK69+800涵洞基底长*宽=52.9*11.3m,长边集水管长度=52.9m+(0.5+2.6+1.5)m×2 =61.1m,短边基坑宽度=11.3m+(0.5+2.6+1)m×2=19.5m,则集水管总长L=(52.9+11.3+(0.5+2.6+1.5)×4)×2 =165.2m,考虑预留施工机械设备、材料等进入基坑的通道缺口6m,则集水管长为159.2m。则间距a=159.2/49=3.25m。

3.2人员及设备

(1)人员配置

井点管安装:4~6人,用时1~2 d。集水管及设备安设:3~4人,用时1 d。抽水作业:1~2人,持续至涵洞基础施工完成。

(2)设备配置

抽水水泵采用NS100 型自吸式离心泵,功率11kW(2600r/min)。每台水泵可负责12~15 根左右井点管,离心泵需4 台。滤管1.0m×49 =49m,井管5.12×49 =250.88m,集水管159.2m,适当考虑引到水泵处增加的管路长度。其他管线连接、密封相关设备。

(3)现场准备

根据基础长宽、基坑坡比(1:1)绘制基坑开挖边线及井点管布置图(见图3-4)。根据图纸对涵洞基坑进行找平并对开挖边线进行放样(见图3-5),开挖线外1.5m按设计间距标出井点管位置。

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图3-4 绘制基坑开挖边线及井点管布置图 图3-5 涵洞开挖边线放样

4 轻型井点降水工艺流程及施工方法

4.1轻型井点降水流程

轻型井点降水工艺流为:施工准备→降水设备安装→井点降水运行→基础施工→设备拆除。

4.2 降水设备安装2】

采用简易射水管法(见图4-2)。射水管头部采用1.0~1.5 m 长的钢管(5e1d67f966ddd_html_600263d39aa6cea1.gif 50 mm),后部接有一定弹性的塑料管,管尾部接水泵,在指定位置进行钻眼,随人工不断向孔内反复压捣,对孔壁起到一定的挤密作用,同时由水泵压入管内的高压水流不断将孔内的泥沙带出到孔外,如此反复直至插到设计深度,射水管拔出后及时将已加工好的井点管安放至孔内,以免孔壁坍塌。

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图4-2 简易射水管法下管施工

井点管由滤管和井管两部分组成,都采用§50mm 的硬橡胶管。滤管壁四周按梅型钻孔,孔眼间距2.0~2.5cm ,孔眼直径5~8 mm ,然后用专用滤水纱布缠裹两层,最后用细尼龙绳捆绑结实。安设好的井点管顶部应挂线控制其高程符合要求。安设好井点管后安装集水总管,先在井点管顶部安设三通管,通过三通管将井点管、按井点管间距裁剪好的各段集水管连成整体。三通管的各接头处应缠裹密实不漏气,以保证抽水效果,集水管材质同井点管。由于每台水泵带动集水管较多,如全部从一根管路排出,受管路截面积限制,将大大降低设备效率。一般采用4~8 根一组将其并联接到一根§100 mm 的集水钢管上(长60cm) ,再将所有集水引至离心泵(具体布置见图4-3)。离心泵外接§100~150mm 的塑料软管,将水流排至预设地点。

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图4-3 井点管及集水管路连接效果图

4.3 井点降水运行

管路全部安设完毕,检查设备状况良好后,启动抽水设备开始抽水。抽水开始后设专人进行24h值班,检查设备情况、管路有无破损,保证油、水供应等,确保不间断连续抽水。抽水期间,每日检查水位变化情况和检验抽水效果。如发现水位停滞不下降或下降过慢,及时查找原因调整施工方案,直至地下水降至设计水位。

4.4 设备拆除

基础施工至地下水位以上,基坑回填完成后方可停止降水,并对井点管、离心水泵等设备进行拆除。

5 影响降水效果因素分析

5.1 施工参数影响

在地质条件一定的情况下,施工参数的选用对降水起到了重要作用。通过以上计算过程分析,影响参数主要有l、r、d, 其影响程度分析如下:

(l)分0.8、1.0、1.2 三种情况进行取值,Q 相应为904.4m3/d、943.99m3/d、982.51m3/d,q 为20.57m3/d、25.71m3/d、30.86m3/d,对应n为49根、41 根、35根(见表5-1)。

表5-1 对降水效果的影响

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调整基础工作宽度、基坑坡比、开挖线外安全距离等参数,r分16.5m、19.5m、22.5m 三种情况取值,Q相应为820.28m3 /d、943.99 m3/d 、1088.19m3/d,q 均为25.71m/d,对应n为36根、41根、47根(见表5-2)。

表5-2 r对降水效果的影响

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⑶ d取38 mm、45 mm、50 mm 三种管径, Q 值均为943.99m3/d,则q 分别为19.54 m3/d、23.14m3/d、25.71m3/d ,则对应n 为54根、45根、41根(见表5-3)。

表5-3 d对降水效果的影响

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从以上计算可以看出:

滤管长度l 增加导致总涌水量Q 、单根井点管出水量q 都在增加,但单根井点管出水量增大幅度明显大于总涌水量,井点管数量大幅减少;井点管安设距离r 影响比较直观,随着其减少总涌水量和井点管数量都在下降;井点管管径d,在总涌水量保持不变的情况下,增大管径直接增大了单根管的工作能力,井点管数量相应减少。

因此,在条件允许的情况下减小r 值,使基坑总涌水量及井点管数量都减少, 为最经济的施工措施;加大管径d,总涌水量不变,减少了井点管数量,减少了初期工作量,为次选施工措施;增大滤管l 长度,增大了总涌水量,但单根井点管工作能力也加大,井点管数量减少,减小了初期劳动工作量和材料成本,为再次选施工措施。

5.2 地质情况影响

降水开始后,发现与前期其他涵洞降水效果相比,水位下降缓慢,降水效果不理想,经分析主要原因为完整井含水层厚度H小于Ha,导致滤管顶至水位降低值S底的高差减小,仅为0.3m,水头高度不足,影响了水力坡度及渗流速度,现场通过调整井点管间距,增加井点管数量的方法有效解决了此问题,经过统计在地质条件相近、降水材料一定的情况下,井点管间距与降水时间的关系,井点管间距取4m、2m、1.5m三种情况,对应降水时间t分别为3.5d、1.5d、1d,(见图5-4)。

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图5-4 井点管间距与降水时间的关系

由以上测试可以看出,通过调整井点管间距,可以对降水所需时间产生比较直观的影响,但是增加了前期人工及材料成本,在工期较紧的情况下,可对材料价格、人工成本进行一定的经济比选择优选择。

5.3 组织施工中的影响因素

在施工过程中,组织工作、操作等因素都可能影响到降水效果,如排出的水回流、管路密封不严、机械故障或牧民阻工造成降水中途停顿、临时防排水设施不到位、井点管安装不标准等,因此在施工组织过程中应给予重视,将人为因素影响降到最低。

(1)各井点滤管顶端应处于同一高程,最大相差不大于10cm,以免影响降水效果。为充分利用泵的抽吸能力,集水总管标高宜尽量接近地下水位线,水泵轴心与总管齐平。

(2)降水要保持连续不间断,否则井点滤管易被堵塞。因此机械、电源设备等应经常检查,保持其状态良好,并有备用。对排水出处,与当地村民提前协商好,避免中途村民阻工造成施工中断。设备原因和村民阻工影响是造成降水时间加长的主要因素,所以应给予格外重视,以保证施工顺利进行。

(3)排水应选择地势相对较低的排水出处,做好临时防排水工作。出水处应远离涵洞作业点,以80~120 m 开外为宜。避免水流重又渗入基坑影响降水效果。

(4)抽水前,各接头处要详细检查,保证严密不漏气。

(5)抽水泵应设在每一组集水管路的中间,使各井点进水比较均匀。

(6)排水处尽量远离抽水区域,避免水流渗入地层回流至涵洞基坑,影响降水效果。

(7)由于不同段落地层土质及透水性、含水量、颗粒级配的差异,井点管数量、滤管长度等应根据实际情况及时调整,保证经济、快速达到降水效果。

6 结束语

井点降水所需管材、配件等采购容易、需要作业人员少,成本低廉,设备初期投入少、搬移方便,适应涵洞分散施工的特点。井点降水能疏干砂土中的水分、消除流砂,促使土体固结,提高基底承载力,降低因边坡失稳、塌方等因素发生安全生产事故。为施工提供比较干燥有利的条件,既促进了工期,又提高了施工施工安全与质量,对沙漠地区降水深度不大的桥涵基坑施工都十分适用,效果良好,对其他类似地质条件的工程也有较强的参考借鉴意义,值得推广。

参考文献:

[1] 江正荣,朱国梁.简明施工计算手册(第四版).中国建筑工业出版社,2016,317-323.

[2] 赵立军.沙漠地区涵洞轻型井点降水施工技术.国防交通工程与技术,2011(9卷,1期),63-67.