深基坑井点降水结合钢板桩围堰综合防护技术.docx
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深基坑井点降水结合钢板桩围堰综合防护技术
o目录
1技术分析与研究必要性1
2工程概况1
2.1设计概况1
2.2工程地质1
2.2.1所处地质1
2.2.2土层力学参数1
2.2.3地质特点2
2.3地下水3
3方案比选及选定3
4关键技术分析4
4.1井点降水技术4
4.1.1渗透系数确定4
4.1.2井的成孔及井管间距布置井底处理技术4
4.2钢板桩施工技术4
4.3高压射水泵送吸砂技术4
4.4井点降水、钢板桩围堰及泵送吸砂工序安排与衔接技术4
5井点降水结合钢板桩围堰设计4
5.1围堰总设计4
5.2井点降水计算6
5.2.1土的渗透系数计算6
5.2.2基坑涌水量计算7
5.2.3井点、管井降水计算8
5.3围堰安全检算9
5.3.1计算参数9
5.3.2验算工况10
5.3.3有限元模型11
5.3.4计算结果分析12
6围堰施工16
6.1总体施工方案16
6.2施工工艺流程图16
6.3井点降水施工17
6.3.1深井井点施工流程17
6.3.2降水井结构要求18
6.3.3成井施工质量控制标准18
6.3.4试运行18
6.3.5降水运行18
6.3.6降水监测19
6.4钢板桩及内支撑施工19
6.5高压射水泵送吸砂开挖基坑20
7施工优点及创新点20
7.1井点降水结合钢板桩围堰施工优点20
7.1.1围堰安全性高21
7.1.2施工方便且工期缩短21
7.1.3较好的经济效益22
7.2创新点22
深基坑井点降水结合钢板桩围堰
综合防护技术
1技术分析与研究必要性
深基坑施工手段繁多，涉及到基坑围护、基坑支护、开挖及封底等各个方面的工艺，施工难度和风险大。
有许多失败的先例，特别是在地下水作用下，深基坑施工难度更大，在工程施工过程中时有安全事故发生。
深基坑施工过程中常遇到的堵水难、抗渗难、支护难、开挖难、封底难及局部坍塌造成基坑底隆起等诸多困难，特别是深基坑施工过程中因水头压力对钢板桩造成安全性、可靠性隐患的难题，所以要保证基坑开挖施工安全，除采取必要安全可靠的技术措施和应急安全预案外，还需要合理的安排施工工序，加强管理使基坑支护及基坑开挖形成有效的流水施工作业是十分必要的。
同时正确认识各种土体渗透规律、恰当选择合理降水方法，科学设计止水结构、支护结构及开挖方法，确保隔渗效果、支护效果及开挖效果。
因此在特定的地理环境和施工条件下对深基坑施工过程中井点降水技术、钢板桩围堰支护技术与高压射水泵送吸砂开挖技术的综合运用的总结和分析是十分必要的。
2工程概况
2.1设计概况
曹娥江特大桥主跨96#墩位于曹娥江西岸滩地，紧靠主河道，距离10m～15m，设计为低桩承台，承台尺寸为16.2m×22.25m×6m，滩地顶面标高为+6.5m，承台底标高-6.5m，埋深达13m。
2.2工程地质
2.2.1所处地质
承台范围内地质为：
（1）1-粉土层，灰黄色～灰色，稍密～中密，潮湿～饱和，厚约11.0m；
（1）2-粉砂层，褐灰色，稍密，局部为中密，饱和,厚约5.0m。
承台下伏地质为
（1）3-淤泥质（粉质）黏土，灰色、深灰色，流塑，厚约12m。
2.2.2土层力学参数
表1土层力学参数
时代成因
地层代号
土名
状态
钻孔桩地层状态
快剪
压缩模量
基本承载力
内摩擦角
（度）
凝聚力
（kPa）
（MPa）
（kPa）
Q4al+m
（1）1
粉土
中密，潮湿
19.95
6
5.94
100
（1）2
粉砂
稍密，饱和
90
（1）3
淤泥质（粉质）黏土
流塑
流塑
5.14
8.1
3.09
50
2.2.3地质特点
承台所处地质为第四系冲海积成因的粉土层〔
（1）1〕、粉砂层〔
（1）2〕属可液化土层，透水性较好，液化情况下容易发生流砂，为本区主要的不良地质；如下图1所示。
图1粉土、粉砂层在水浸泡下液化，土质变成流塑状态淤泥
承台下伏地质为第四系冲海积成因的淤泥质粉质黏土（
（1）3）具高压缩、高灵敏度、低强度等特性，且为欠固结土，是本区特殊岩土；其主要物理力学指标统计成果见下表2。
表2软土物理力学指标统计成果一览表
地层代号
名称
%
kN/m3
kPa
°
（MPa）
（1）3
淤泥质（粉质）黏土
41.44
17.8
1.18
1.18
8.1
5.14
3.09
2.3地下水
滩地粉土粉砂层含水层为孔隙潜水，水位埋深0m～3.5m，为浅层地下水，96#墩墩位处水位埋深约2m。
3方案比选及选定
方案一：
采用传统的钢板桩围堰+水下封底封底混凝土法；因承台基坑开挖深度h=（6.5+6.5）+2.5（封底厚道）=15.5m；并且土层地质较差，土层内摩擦角很小，经计算则需设计钢板桩长度不小于24m，同时还需设置四道内支撑；对钢板桩围堰施工提出非常高的难度。
技术上此种方案比较成熟计算明了可行，经济上需要较长钢板桩同时内支撑需要四道，封底混凝土较厚，因此材料要求较多，物资投入较多不够节约，施工过程中因钢板桩较长同时内支撑较多，施工机械及人工投入较多，同时施工周期过长等缺点。
因深基坑施工特性要求短而快原则，时间越长安全隐患越大。
方案二：
采用钢筋混凝土沉井围堰，同样设置2.5m厚封底混凝土；承台开挖深度h=15.5m；则需设置围堰高度16m左右；开挖深度这么深、混凝土围堰下沉到位提出很高的难度。
技术上此方案也是比较成熟的国内有很多成功先例可以效仿；经济上因基坑较深，对钢筋混凝土围堰截面刚度要求高，因此需要沉井壁较厚并且钢筋配置较多，同时材料不可回收利用。
承台墩柱施工结束后，因后期河道泄洪、通航需要，此位置需要切滩，钢筋混凝土围堰还要爆破拆除，需消耗大量人工费用、机械费用；施工工艺要求上存在很多不确定性，钢筋混凝土围堰自身施工要求定位精确、下沉要均匀，工序循环较多若遇孤石处理难度较大；钢筋混凝土沉井围堰需分节施工，每节一般为4-6m，每节围堰施工完需要等待混凝土强度养生期，因此施工周期较长；钢筋混凝土沉井围堰安全可靠性较好。
方案三：
采用井点降水、钢板桩围堰与高压射水吸砂开挖施工方法。
其做法是在钢板桩围堰外围设置较深的降水井点，通过围堰内外均降水至封底混凝土底面；这样使得钢板桩围堰不受水压力只受土压力，大大减少围堰的外侧压力；同时由于水位的下降，水压力大大减小，围堰外围土体有一定固结沉降，土体更加稳定减少对钢板桩侧向压力。
因此技术上井点降水、钢板桩围堰及高压射水泵送吸砂都分别是独立成熟的技术，同时把三者融为一体施工，在技术上比较有利，经济上钢板桩长度可减少6m、减少开挖深度，内支撑减少一道，使用三道即可，垫层混凝土厚度只需50cm较常规钢板桩围堰减少了200cm，节约混凝土量约900多立方，人工、材料、机械费用节约了很多，比较安全经济可行；施工中各道工序合理安排，都是一些常规工艺方案可行；安全可靠性方面经过精确理论计算及现场实测数据计算此方案安全性可靠。
通过以上三种方案比选，井点降水、钢板桩围堰与高压射水吸砂开挖施工方法中有诸多优势同时还可减少工期，最终我们选择第三种方案。
4关键技术分析
4.1井点降水技术
4.1.1渗透系数确定
确定恰当的地基渗透系数对井点降水是至关重要的，需要现场试验综合确定选取系数，计算出总排水量，对井点布设及井的口径选取有直接指导作用。
井点布置原则能使围堰内外水位均降至基底开挖底面以下；
4.1.2井的成孔及井管间距布置
井的成孔机具选择、井管间距布设及井底处理对最终降水效果有非常大的影响处理不当就会前功尽弃。
4.2钢板桩施工技术
钢板桩导向框定位直接影响围堰的最终成型效果，钢板桩的打设是否垂直，桩与桩间是否咬合直接影响档土效果，内支撑设置合理及安装效果直接影响围堰的整体安全性和稳定性。
4.3高压射水泵送吸砂技术
高压射水泵送吸砂技术是一项人工机械组合操作的技术需要根据现场合理安排提高工效。
4.4井点降水、钢板桩围堰及泵送吸砂工序安排与衔接技术
制定恰当的施工工序首先要理解工艺流程，同时还要会根据现场实施调整施工步骤，这对结构安全性、稳定性及工期保证性有着直接作用。
5井点降水结合钢板桩围堰设计
5.1围堰总设计
围堰采用拉森Ⅳ型钢板桩，平面尺寸24.8×18.8m，长度为18m，垫层混凝土厚度0.5m，设置3道内支撑；围檩采用双拼焊接H型钢HN488×300×11×18mm，支撑钢管采用φ600×16mm，内撑竖向联结采用φ273×6mm螺旋焊钢管；降水井点沿钢板桩外侧1.5m处布置一圈，即长边设置6个降水点，短边设置4个降水点，间距为4-5m,总共设置降水井点20个，埋深19.5m，采用DN200-UPVC管。
围堰具体平立面布置如下图2、3所示。
图2围堰平面布置图
图3围堰立面布置图
5.2井点降水计算
5.2.1渗透系数计算
本基坑土体渗透系数采用现场做抽水试验确定，如下图4示意；具体做法如下：
首先在基坑位置打设一个抽水井，贯穿到整个粉土层，并距抽水井
=2.5m与
=6m处各设一个观测孔，然后用水泵匀速抽水，当抽水井的水面及观测孔的水位大体上呈稳定状态时，根据所抽水的水量
按下式计算得渗透系数
=1.23。
图4渗透系数计算实验示意图
5.2.2基坑总涌水量计算
本基坑采用潜水（无压）非完整井理论，如下图5示意；总涌水量Q按下列公式计算得基坑总涌水量为1807.5m3。
式中：
Q—基坑涌水量（m³/d）
K—水的渗透系数（1.23m/d）
H—潜水（无压）含水层厚度（20m）
S—基坑水位降深（19.5m）
D—基坑中心距河岸距离（15m）。
—基坑等效半径（13.8m）
图5基坑总涌水量计算模型图
5.2.3降水井点总数量及间距计算
（1）单井出水量计算：
（2）井点数量计算:
（3）井点管的平均间距计算:
5.2.4井点管的埋置深度计算
（1）井点管的埋置深度按下式计算：
5.3围堰安全检算
5.3.1计算参数
（1）材料参数
表4材料容许应力
应力类型
Q235（围囹、内支撑、立柱）
16Mn（钢板桩）
轴向应力
（MPa）
170
260
弯曲应力
（MPa）
180
273
剪应力
（MPa）
110
156
Ⅳ型钢板桩的规格以及截面特性见表5。
表5Ⅳ型钢板桩
规格（mm）
每延米截面特性
宽度b
高度h
腹板厚t
单位重（kg）
惯性矩Ix（cm4）
截面模量Wx（cm³）
400
180
15.5
192.58
31950
2200
（2）土层参数
粉土粉砂层在井点降水固结后，内摩擦角φ=19.94°，容重r=1.87t/m3，黏聚力C=12Kpa；主动及被动土压力系数分别如下：
5.3.2验算工况
钢板桩围堰的剖面形式见图6，按照施工顺序，验算工况如表7所示。
在围堰周边150cm平台范围内设置井点降水，开挖前降水至钢板桩底以下，标高-14.5m。
图6钢板桩围堰
表7验算工况
工况号
工况说明
1
抽水开挖至标高+2.70m，围堰内水位+3.20m
2
安装第1道围囹及内支撑，标高+3.20m
3
抽水开挖至标高-0.50m，围堰内水位0.0m
4
安装第2道围囹及内支撑，标高0.0m
5
抽水开挖至标高-3.30m，围堰内水位-2.80m
6
安装第3道围囹及内支撑，标高-2.80m
7
抽水开挖至设计坑底标高-7.062m
8
50cm垫层施工，垫层顶面标高-6.562m
5.3.3有限元模型
（1）单元计算模型
土压力计算模型有弹性法和经典法两种，采用如下图7式计算模型。
图7弹性法土压力模型经典法土压力模型
基坑等级取二级，基坑侧壁重要性系数γ0=1.0。
采用理正深基坑支护结构设计软件F-SPW6.0，首先进行单元计算，得到钢板桩的受力结果和围堰的稳定性结果。
图8单元计算模型
（2）整体计算模型
为了验算围囹、内支撑等结构的受力情况，需要进行整体计算。
图9整体计算模型
5.3.4计算结果分析
（1）结构验算
①钢板桩
图10钢板桩内力包络图
从内力包络图可以看出，钢板桩受到的最大弯矩为229kN·m，最大剪力237kN，
＜
＜
整个施工过程中钢板桩能满足受力要求。
②围檩
图11围檩弯矩、剪力图
容许弯矩
容许剪力
从内力包络图可以看出，围檩受到的最大弯矩为136kN.m，最大剪力204kN，均小于容许值，验算满足要求。
③内支撑
图12内支撑弯矩、剪力图
容许弯矩
容许剪力
从内力包络图可以看出，内支撑受到的最大弯矩为308kN.m，最大剪力110kN，均小于容许值，验算满足要求。
④立柱
图13立柱弯矩、剪力图
容许弯矩
容许剪力
从内力包络图可以看出，立柱受到的最大弯矩为15kN.m，最大剪力10kN，均远小于容许值，验算满足要求。
⑵稳定性验算
图14整体稳定计算简图
①抗倾覆稳定性验算
Mp——被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定。
Ma——主动土压力对桩底的倾覆弯矩。
表8抗倾覆安全系数
工况号
1
2
3
4
5
6
7
8
抗倾覆安全系数Ks
19.4
46.4
12.1
19.2
12.6
16.7
12.8
12.8
工况3时对应最小安全Ks=12.101≥1.200，满足规范要求。
②整体稳定性验算
整体稳定安全系数Ks=2.289，圆弧半径R=37.504m，圆心坐标（0.391m，24.046m），验算满足要求。
③抗隆起验算
表9抗隆起系数
计算公式
表达式
计算值
规范要求
验算结论
Prandtl（普朗德尔）公式
1.89
Ks≥1.1～1.2
满足
Terzaghi（太沙基）公式
2.34
Ks≥1.15～1.25
满足
（3）综上所述，在各种工况下，围堰的结构验算和稳定性验算均满足要求。
6围堰施工
6.1总体施工方案
桩基施工完成后，平整场地，利用挖机将地面放坡开挖至+4.0m；测量放样，设置导向框，采用履带吊配合DZ90振动锤进行钢板桩打设至合拢；围堰外利用高压水枪射水成孔，布设抽水设备进行井点降水；围堰内采用高压射水泵送吸泥依次循环开挖、安装内支撑直至垫层底面，浇筑垫层。
6.2施工工艺流程图
图15井点降水结合钢板桩围堰施工工艺流程
6.3井点降水施工
6.3.1井点施工流程
井位放样→高压射水钻孔→安装井管→安装井泵→试抽水→正常降水工作。
6.3.2降水井成孔
（1）井位放样：
根据井点平面布置，使用全站仪测放井位，井位测放误差小于10cm。
（2）高压射水成孔：
采用高压水枪射水钻孔，同时DN200-UPVC型井管跟进成孔。
（3）安装井管：
高出地面0.3～0.5m，防止周边土及杂物进入井内堵塞井管，井壁外围采用优质粘土回填。
（4）洗井：
降水井采用空压机洗井，通过空压机向井内注入高压空气，以冲击孔壁泥皮，保证井管洁净确保抽水泵工作正常。
（5）安装井泵：
将潜水泵及抽水管安装到到位。
6.3.3成井施工质量控制
（1）井深误差：
小于井深的2%；
（2）垂直度小于1%；
（3）井中水位降深：
抽水稳定后，井中水位处于安全水位以下。
6.3.4试运行
（1）运行前准确测定各井口、地面标高及地下水位；
（2）启动抽水设备，检查抽水设备、排水系统运转是否正常；
（3）抽水系统经检查符合要求后，开始抽水。
6.3.5降水运行
（1）在钢板桩打设合拢完成后进行抽水；
（2）预抽水应在基坑开挖前进行，根据开挖进度，控制井内水位在一定深度内；
（3）抽水运行过程中应随时检查设备运行状况，发现故障及时排除；
（4）降水井抽水时，潜水泵抽水间隔时间由短至长，降水井抽干后应立即停泵，以免烧坏电机；
（5）抽水过程中应做好记录，内容包括井涌水量（Q）、水位降深（S），以掌握动态，指导降水运行，不断优化降水运行方案；
（6）协同管理技术人员与基坑开挖施工人员做好井管保护工作。
6.3.6降水监测
（1）水位观测：
降水运行期间，降水井每天观测一次并记录。
（2）流量监测：
监测次数与水位同步，观测精度±0.1m3。
（3）其它监测：
基坑周边土体沉降、孔隙水压力等监测。
6.4钢板桩及内支撑施工
6.4.1场地平整及开挖
场地平整完，进行测量放样处开挖边线（28.8m×20.8m）、撒白灰标示，按1：
1放坡开挖将地面标高降至+4.0m。
6.4.2导向框设置
精确测量放样钢板桩围堰内尺寸边线、撒白灰；四角设置标示桩；在四个角上各打设2根钢管桩；将焊接好的内支撑围檩与钢管桩焊接固定，形成导向框架。
导向框要有一定的刚度、四个方向要顺直、且固定好，不能因打设钢板桩而偏位。
6.4.3打设钢板桩
在设置好的导向框插打第一片钢板桩，插打时钢板桩背紧靠导向框，边插打边将吊钩缓慢下放，这时在互相垂直的两个方向用经纬仪观测及吊锤等工具观测钢板的垂直度，以确保钢板桩插正、插直；然后以第一根钢板桩为基准，再向两边对称插打钢板桩，直至完成整个钢板桩围堰的打设。
打设注意钢板桩之间的咬合处咬合好、并控制好垂直度；做好合拢；特别在转角处的合拢，此处若没有配置角桩，则需在此处多打设二片普通钢板桩（交叉成900）形成合拢。
6.4.4射水吸泥开挖及安装第一道支撑
围堰内利用高压水枪射水对称开挖土、在基坑中间低处设置淤泥泵进行泵送吸泥，开挖吸泥至围堰内标高+2.5m即开挖深度为1.5m时，安装第一道支撑；围檩安装需设置上下牛腿且紧靠钢板桩，支撑安装需准确定位，焊接牢固；焊接采用满焊，焊脚高度不小于6mm。
6.4.5射水吸泥开挖及安装第二道支撑
围堰内继续射水开挖吸泥至围堰内标高-0.5m即开挖深度为3m时，安装第二道支撑；支撑安装同上。
6.4.6射水吸泥开挖及安装第三道支撑：
围堰内继续射水开挖吸泥至围堰内标高-3.3m即开挖深度为2.8m时，安装第三道支撑；支撑安装同上。
6.4.7射水吸泥开挖至垫层底面及浇筑垫层
围堰内继续射水开挖吸泥至承台底面标高即-6.6m，观测底面的积水及土质等情况确定垫层施工高度，继续开挖至垫层底面，浇筑垫层混凝土。
6.5高压射水泵送吸砂开挖基坑
充分利用基坑地质为粉土、粉砂遇水易液化的特性，利用高压水枪对基坑内土层进行射水液化，使其形成悬浮泥浆颗粒，同时在基坑内低洼处布设淤泥泵，泵送吸泥至指定位置。
射水开挖采取对称开挖原则，即同时利用4把高压水枪对基坑四个角进行射水开挖，再对称开挖基坑长边及短边；每次开挖深度根据围堰内撑布置的高度以下0.5m为准，依次循环直至开挖至设计标高。
高压射水泵送吸泥开挖如下图所示：
图16高压射水泵送吸泥开挖基坑
7施工优点及创新点
7.1施工优点
7.1.1围堰安全性高
通过围堰外设置井点降水，钢板桩无水压力，粉土粉砂层降水固结，内摩擦角增大，主动土压力变小，降低了钢板桩的外侧压力，减少打设深度及内撑防护数量、施工干扰小、操作方便，增强围堰的安全性。
图17井点降水后土质增大内摩擦角、土层处于较好自稳定状态
7.1.2施工方便且工期缩短
围堰内射水开挖、抽砂清淤、安装围檩及内撑、施做垫层等工作均处在可见状态下，相比带水吸泥开挖及水下封底混凝土施工，工人操作方便，质量可控，工期缩短。
图18井点降水及泵送吸泥后基坑内干作业
7.1.3较好的经济效益
钢板桩由常规钢板桩围堰的打设深度24m降至18m，仅打设费用就可减省约30万；由常规钢板桩围堰封底厚度2.5m降至0.5m，混凝土方量减少900方；基坑开挖采用高压水枪射水泵送吸泥，避免大型挖机投入；基坑明挖作业，工人操作方便，安全可控。
7.2创新点
首次将井点降水、钢板桩围堰、高压射水泵送吸泥技术综合应用于富水滩地粉土地质下桥梁深基坑施工，为类似工程提供一种新的深基坑开挖防护施工技术。
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