深基坑开挖冒砂管涌应急降水施工工法.docx
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深基坑开挖冒砂管涌应急降水施工工法
深基坑开挖冒砂、管涌应急降水施工工法
1前言
1.0.1随着城市建设的高速发展，建筑规模越来越大，超大、超深的地下室越来越多，更多的大型建筑开始树立在河岸边。
地下渗透性较好的土层往往与河水相贯通，地质资料不可能完全准确的反映地质状况，基坑外侧的止水帷幕很难完全切断此部分联系，勘探孔也可能成为地下水的通道，随着基坑的开挖底部砂水从基坑内冒出，甚至会出现管涌现象，这时就需要采取一定的应急降水措施。
土方工程中往往在基坑开挖前采用轻型井点降水预防冒砂、管涌现象的出现，但此类方法只能满足涌水量较小且降水深度较浅的工程，对近河岸边深基坑工程作用有限；而且当土方开挖较为顺利，不产生冒砂、管涌现象时，则此类措施变得有些多余。
我公司在多个近甬江边的工程中，出现基坑冒砂水问题，采用管井应急降水施工工法效果明显，为工程建设解决技术问题，费用低，影响工期少。
为此我们把这个技术形成工法来指导同类工程的施工。
1.0.2地下水引起冒砂、管涌应急降水施工工法在2008年～2009年分别应用于宁波书城Ⅱ标段工程、宁波和丰创意广场Ⅱ标段工程等多项工程。
2工法特点
2.0.1方便工程施工。
在土方开挖过程中发现有冒砂、管涌的迹象时可立即采取管井应急降水施工工法，管井降水单个井点有效降水半径大，所需布置的井点较少，并可在土方开挖的同时根据现场实际情况来布置降水井点，能最大程度的减小对挖土施工的影响。
2.0.2解决基坑冒砂水效果明显。
管井应急降水施工工法能实现较大降深，对基坑开挖深度较深，涌水量较大的工程有很好的效果。
2.0.3经济合理，降低工程造价。
深基坑冒砂水问题，很有可能是因为地质起伏原因，止水帷幕未完全切断地下土层与河水的联系，致使基坑开挖后水位一直得到周边河水的补充，并未随土方开挖而下降。
按照以往的工程经验，一般采用加长止水帷幕或基底注浆的方法，而采用管井应急降水的施工工法能大大的降低施工成本。
2.0.4管井应急降水采用旋挖桩机成孔，一台桩机一天能成孔5～6个，施工工期短，施工工艺简单。
3适用范围
3.0.1本工法适用于：
1基坑临近江河，部分土层含水量大、透水性较好，止水帷幕未完全切断地下土层与河水的联系，在基坑开挖过程中出现冒砂、管涌的迹象。
2基坑深度或局部坑中坑深度较深，地下土层中有承压水，基坑开挖过程中坑底冒砂水。
3本工法也可用于解决地下室上浮问题，在地下室周围采用管井应急降水降低地下水位。
4工艺原理
4.0.1坑内管井排水，管井深度可以根据工程需要确定，不受设备和平面位置的限制。
4.0.2坑内孔位少，在土方以及结构施工中可持续降水，埋在土体中部分为有效部分，管井随土方开挖，割除露出部分，影响少。
4.0.3管中原位观察水位，以估算水位下降情况。
图4.0.1管井应急降水示意图
5工艺流程及操作要点
5.1工艺流程
5.1.1地下水引起冒砂、管涌应急降水施工工法工艺流程：
5.2设计要点
5.2.1降水管井设计
1水文地质参数
根据地质勘探报告，并考虑近几年来本场区地下水变化、地下水位的季节变化以及临近江河每日、每季的潮水情况，结合试验抽水所得参数，综合确定本场区的水文地质参数。
2计算模型选择
承压水的降水要求需满足降压要求，水头须降低至承台垫层底0.5m以下，承压水采用完整井，因此承压水的基坑涌水量计算选用承压完整井模型。
如图5.2.1。
3均质含水层承压完整井基坑涌水量计算
本工法中考虑的基坑均临近河岸，因此基坑涌水量Q：
（5.2.1-1）
式中:
k为含水层的渗透系数
M为承压含水层厚度（m）
H为基坑水位降深（m）
b为河岸边至基坑中心的距离（m）
为基坑等效半径（m）
当基坑为圆形时，基坑等效半径取圆半径；当基坑非圆形时，对矩形基坑的等效半径按下式计算：
，
、
分别为基坑的长短边；对不规则形状的基坑，其等效半径按下式计算：
，A为基坑面积。
4降水井井点数量n
（5.2.1-2）
式中：
Q为基坑涌水量（m3/d）
q为设计单井出水量（m3/d），按经验公式确定
，
为过滤器半径，
为过滤器进水部分长度，k为含水层的渗透系数。
图5.2.1 均质含水层承压水完整井涌水量计算简图
5.3管井应急降水施工
5.3.1试验抽水
基坑开挖后，为检测基坑内的水位变化及测算透水层经过基坑开挖后的水文地质情况，为后续基坑开挖施工及井点降水方案初步确定提供水位地质资料，先在基坑中心钻孔进行试验抽水。
钻孔抽水试验是野外测定含水层渗透性的一种直接有效的方法，为较准确的了解下部微承压水层目前的渗透性，在透水层采用单孔、1-3个落程的抽水试验（根据稳定情况改变涌水量），试验方法采用稳定流，抽水试验的类型、下降次数及延续时间应按照《供水水文地质勘察规范》（TJ27-78）及《城市供水水文地质勘察规范》中有关规定执行。
1钻探：
1）钻孔结构：
孔斜应小于1°/1000m，孔径为250mm。
2）岩芯采取率：
成孔前先进行钻孔取芯，透水层岩芯采取率应大于80%。
3）岩芯放置：
全孔岩芯需从左到右，按先后顺序排列整齐，并粘上标签以备检查和拍照。
4）孔深：
预测孔深（从自然地坪起算），具体根据透水层顶标高和厚度确定，孔深在透水层下3m。
2成井：
井径为108mm左右，在含水层位置下入桥式滤水管，滤水管外包铜丝布，沉砂管长3-4m，沉砂管底部用木头封死。
井口高出地面40cm以上，滤水管外部填一层石英砂作为反率层，滤水管上部干黄泥进行止水。
井管下好后，井管周围用土回填压实。
3洗孔：
抽水试验前按原地质矿产部《水文地质手册》中洗孔要求进行洗孔，要求基本达到水清砂净，洗孔前后均需测量静止水位。
4试验抽水：
抽水试验采用单孔，需1-3个落程抽水试验（根据稳定情况改变涌水量）。
抽水前，静水位应每30min观测一次，2h内变幅不大于2cm视为稳定。
试验应进行3次降深，各次降深间的差值宜相等，并确定稳定流抽水的最大降深。
抽水开始后的第5，10，15，20，30，40，50，60min，各测一次动水位和出水量，以后每隔30min观测一次。
在抽水停止后第1，2，3，4，6，8，10，15，20，25，30，40，50，60，80，100，120分钟各观测一次水位，以后每半个小时观测一次，直至完全回复为止。
水位观测同时进行水温测量，每1小时测一次，并在稳定后取水样一组。
5.3.2布置抽水点
为了确保坑内水位能整体均匀下降，我们将根据计算所得降水井的数量，在基坑内均布抽水管井，用以疏干和降低潜水、承压水水位。
降水管井的布置需避开冒砂点，以防管井施工时发生管涌现象，并应在原冒砂部位覆土。
5.3.3旋挖成孔
旋挖钻进成孔工艺：
旋挖成孔首先是通过底部带有活门的桶式钻头回转破碎岩土，并直接将其装入钻斗内，然后再由钻机提升装置和伸缩钻杆将钻斗提出孔外卸土，这样循环往复，不断地取土卸土，直至钻至设计深度。
对粘结性好的岩土层，可采用干式或清水钻进工艺，无需泥浆护壁。
1桩位放样
按照施工方案的布置，采用全站仪准确放样各桩点的位置，使其误差在规范要求内。
2钻机就位
钻机就位时，要事先检查钻机的性能状态是否良好。
保证钻机工作正常。
3埋设钢护筒
钢护筒埋设工作是旋挖钻机施工的开端，钢护筒平面位置与垂直度应准确，钢护筒周围和护筒底脚应紧密、不透水。
在钢护筒周围对称均匀地回填最佳含水量的粘土，要分层夯实，达到最佳密实度，。
以保证其垂直度及防止泥浆流失及位移、掉落。
如果护筒底土层不是粘性土，应挖深或换土，在孔底回填夯实300-500mm厚度的粘土后，再安放护筒，以免护筒底口处渗漏塌方，夯填时要防止钢护筒偏斜。
4钻孔施工
开孔时，以钻斗自重并加压作为钻进动力，当钻斗被挤压充满钻渣后，将其提出地表，操作回转操作手柄使机器转到土方车的位置，将钻渣装入土方车，完毕后使其再次回到钻孔作业位置，同时观察并记录钻孔地质状况。
5地质情况记录
地质情况记录按相应地质相关表记录；旋挖钻机钻进施工时及时填写《钻孔记录表》，主要填写内容为：
工作项目、钻进深度、钻进速度及孔底标高；《钻孔记录表》由专人负责填写，交接班时应有交接记录；根据旋挖钻机钻进速度的变化和土层取样认真做好地质情况记录，每处孔井必须备有土层地质样品盒，在盒内标明各样品在孔井所处的位置和取样时间。
钻孔达到预定深度后，观察所取土层的样品，是否穿透透水层，孔深必须在透水层以下3m。
6成孔检查
成孔达到设计标高后，对孔深、孔径、孔壁、垂直度等进行检查，不合格时采取措施处理。
成孔检查方法根据孔径的情况来定，当钻孔为干孔时，可用重锤将孔内的虚土夯实，直接用测绳进行测量。
7清孔
通过清孔确保孔井的质量指标、孔底沉渣厚度、循环液中含钻渣量和孔壁泥垢等是否符合质量要求，采用正循环回转钻进技术的清孔方法为：
孔井终孔后，将钻具提高20-50cm，采用大泵灌入清水，并维持正循环30min以上，直到清除孔底沉渣且使孔壁泥质、泥浆含砂量小于4％为止。
5.3.4管井施工
为保证抽水时砂土不被带出，在制作降水井时，需解决好过滤装置问题。
井管下沉前应清洗滤井，冲除沉渣。
用φ300波纹管制作成花管（封底），管上孔间距为10-15cm，布置于凹处，四周用40-60目尼龙网包裹，放入孔中，外部再填满石英砂，作为过滤层，地面下0.5米范围内用粘土
填充夯实。
图5.3.4 降水井结构图
5.3.5抽水
为保证地下水位低于施工面，方便挖土施工，在开挖期间派专人进行水位监测，对每一口管井、每一次抽水时间、抽水量大小以及水位降深进行现场记录，及时抽去地下水，采用测绳测量保证水位低于承台垫层底0.5m。
为确保施工安全，对基坑降水井处的地面沉降和周围建筑物的变形进行每日监测，做好监测记录，并要求围护结构的监测单位增加测量频率。
5.3.6管井保护
本工法在基坑内均布管井，土方开挖期间需派专人进行保护，挖土机尽量远离管井，防止对其的挤压、碰撞。
波纹管挖出一段后需立即采用人工割除，尽量减小对挖土作业的影响。
做好孔口保护工作，防止土体掉入管内堵塞降水井点。
5.3.6管井封堵
在浇筑底板混凝土之前一直对管井进行抽水，潜水泵上部安放直径300mm、5mm厚铁板，预留5cm孔径穿水泵的抽水管，先往井中倒入0.5m高粘土球再在其上部浇筑混凝土，混凝土需添加膨胀剂和速凝剂。
封孔期间管井一直处于抽水状态，待混凝土倒至底板底下3m高度时，割断抽水管，上部再用混凝土密闭封堵。
待管井封闭后，其上部铺设防水毯，以保证底板施
工完毕后不出现渗水现象。
图 5.3.6 管井封堵示意图
6材料与设备
6.1材料
1波纹管：
要求环刚度高、弯曲性好、耐压、耐腐蚀性强，管材两头波谷中需嵌有密封胶圈，且需具有很好的防水密封性。
质量符合《波纹管膨胀节通用技术条件》（GB/T12777-99）的规定。
2不锈钢桥式滤水管：
要求滤孔间隙在0.5-1.5mm，阻砂效果好。
井管参照《结构用无缝钢管》（GB8162—87）、《焊接钢管》（GB3092—82）、《连续铸铁管》（GB／T3244—87）执行。
3尼龙网：
抗拉性能符合要求，筛网尺寸在40-60目/寸，同时满足《工业用金属丝编织方孔筛网》（GB/T5330-2003）的要求。
4石英砂：
颗粒直径在2-4mm之间，符合《中华人民共和国城镇建设行业标准-水处理用石英砂滤料》（CJ/T43-1999）的规定。
5干泥球：
遇水膨胀性好，能充分的封堵管井。
6混凝土：
混凝土需添加膨胀剂和速凝剂，其质量符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）、《预拌混凝土》（GB14902-2004）、《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）的规定。
6.2机具设备
6.2.1主要机具设备见表6.2.1
表6.2.1 机具设备一览表
序号
机械或设备名称
规格型号
数量
（根据工程大小调整）
用途
1
混凝土钻孔取芯机
HZ-20
1
试验抽水成孔
2
汽油泵
168F
1
试验抽水
3
温度计
WSS-411
1
测量水温
4
旋挖钻机
Xw-350
2
降水管井成孔
5
测绳
m268893
50m
测量孔深
6
潜水泵
WQ15-18-1.1
15
抽水
7
塔吊
QT-80
1
运送桩机
8
钢丝绳
FC1670ZZ178.6
1
运送桩机
9
混凝土搅拌机
1
封堵降水井
10
商品混凝土运输车
5
封堵降水井
11
插入式振动棒
ZN-370
5
封堵降水井
12
经纬仪
LT200
1
管井定位
6.3劳动力安排
6.3.1劳动力安排表6.3.1
表6.3.1 劳动力安排表
序号
工种
人数（根据工程大小调整）
主要工作内容
1
技术人员
1
施工技术指导、质量记录
2
取芯钻机机长
1
指挥钻机运转、人员调度
3
取芯钻机操作人员
3
钻机操作
4
旋挖钻机机长
2
指挥钻机运转、人员调度
5
旋挖钻机操作人员
20
钻机操作
6
塔吊驾驶员
2
负责桩机的水平移动
7
塔吊指挥
2
负责桩机的水平移动
8
司索
2
负责桩机的水平移动
9
普工
10
负责接拆套管、砼灌注作业及其它辅助工作等
10
记录员
4
负责抽水工作及水位、水温、出水量的记录
7质量控制
7.1质量控制标准
本工法必须符合《建筑与市政降水工程技术规范》（JGJ/T111-98），地质矿产部水文地质工程主编的《水文地质手册》，《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）的有关规定。
7.2施工操作中的质量控制
7.2.1试验抽水质量控制
1钻孔采芯施工操作水平要求高，应由熟练的工作人员完成。
2卸取的芯样应标上深度，按顺序置于芯样箱中。
当钻孔时应注意观察回水变色、钻进速度的变化，并做好记录。
3根据现场钻孔芯样试件，结合地质勘探报告，孔深必须穿透透水层。
7.2.2管井应急降水质量控制
1施工前对作业人员进行技术交底，并且在施工过程中随时进行检查，管井位置必须避开冒砂点，以防止发生管涌现象。
2钢护筒平面位置与垂直度应准确，钢护筒周围和护筒底脚应紧密、不透水，以防止杂物、泥水流入孔内。
3成孔达到设计标高后，对孔深、孔径、孔壁、垂直度等进行检查，保证孔深在透水层以下3m。
4对滤管的制作质量进行严格控制，波纹管、尼龙网、石英砂等材料必须满足相应的规范要求。
5施工过程中，要保留好全部施工资料，主要包括：
钻孔记录表，地质情况记录，土层地质样品记录，抽水时的抽水量大小、水位降深记录以及基坑的沉降观测记录。
6管井抽水时，若出水量不能满足连续出水时，应采用间歇性抽水，以免水泵损坏。
7土方开挖期间需派专人对管井进行保护，挖土机尽量远离管井，防止对其挤压、碰撞。
8安全措施
8.1桩机移动时，指挥员应注意地面及空中的情况，要保证桩架的稳定、平衡、垂直移动，保证安全。
8.2钻机必须安装漏电保护装置，保证一机一闸一漏电开关，漏电开关采用两级以上设置，实行三相五线制。
电箱和机具采用黄绿双色线进行接零保护。
8.3塔吊司机在施工操作时，要集中精力，听从指挥。
时刻注意机械的运转情况、钢丝绳的完好性，发现异常立即处理，以防止钻机倾斜、突然下落等安全事故。
8.4布置好降水机械的电缆线路，防止挖土时遭到破坏。
9环保措施
9.1旋挖桩施工时桩身始终有超前钢套筒保护，近干法施工，取出的土也近乎为干土，需及时将土翻出外运，防止粉尘产生。
9.2管井降水要排入市政管道，不得随意排放。
9.3保持运土车辆的清洁，防止污染道路。
10效益分析
10.1社会效益
采用管井应急降水施工工法解决地下水引起的基坑冒砂、管涌问题：
施工速度快、效率高、噪音低、工期短、文明施工程度高，能很好地满足环保要求。
10.2经济效益
1对于河岸边深基坑冒砂水问题，很有可能是因为地质起伏原因，止水帷幕未完全切断地下土层与河水的联系，致使基坑开挖后水位一直得到周边河水的补充，并未随土方开挖而下降。
按照以往的工程经验，一般采用加长止水帷幕或基底注浆的方法。
以我公司施工的项目测算，采用管井降水费用仅为其它方案的1/5～1/10。
11应用实例
采用管井应急降水施工工法解决地下水引起的基坑冒砂、管涌问题在2007年~2009年分别应用于宁波书城Ⅱ标段工程、宁波和丰创意广场Ⅱ标段工程等多项工程。
11.1宁波书城Ⅱ标段工程
宁波书城Ⅱ标段工程地处宁波三江口，距离甬江仅15m，基坑占地面积5000m2，总建筑面积约为20926m2（其中地上10468m2，地下10458m2），基坑开挖深度11m，局部电梯井处开挖深度13m。
基坑采用钻孔灌注桩加二道内支撑作围护，四周采用三轴水泥搅拌桩做止水帷幕，桩长20m。
该工程开工日期为2008年3月4日，由于基坑西侧距离甬江仅有十几米的距离，且甬江水位一直较高。
当基坑开挖至第二道支撑深度大约-8m的位置时，发现部分土体表面冒气泡随之有黑色砂涌出，并有逐渐增多的迹象。
采用管井应急降水施工工法,在基坑内按间距25m方格网避开冒砂点均匀布置管井，用以疏干和降低潜水、承压水水位。
使得地下室施工期间，水位一直低于坑底0.5m左右，基坑深层土体位移和沉降也处于正常范围内，整个地下室得以顺利施工。
11.2宁波和丰创意广场Ⅱ标段工程
宁波和丰创意广场Ⅱ标段工程位于涌江东岸，基坑平面尺寸约28000m2，场地相对标高-1.05m（土0.000相对于黄海标高3.450m），基坑底板底标高-9.55，主楼电梯井区坑底标高-13.15m，大面积挖土深度8.50m，电梯井12.10ｍ。
本工程基坑支护设计采用十字对撑结构，冠梁和支撑梁砼标号为C25，采用钻孔灌注桩﹢内支撑，设二道支撑体系，止水帷幕采用三轴水泥搅拌桩及高压旋喷桩，电梯井坑中坑采用高压旋喷桩支护。
地下室开挖过程中，整个基坑涌砂水现象不断，采用本工法施工后有效的降低了地下水位，使其一直低于承台垫层底，保证了地下室的安全施工。
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