廖巍崴，張振雨，宋子豪，蔣阿慶，俞紹林，王選倉

（1.中交第三公路工程局有限公司，北京 100102；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064）

引言

基坑降水技術(shù)隨著這么多年時(shí)間的逐漸發(fā)展，已經(jīng)趨于成熟?；咏邓夹g(shù)發(fā)展至今，常采用止水帷幕止水體，這種技術(shù)可以降低甚至阻止基坑底部的水和基坑側(cè)壁的水流入基坑，而基坑內(nèi)的水，常用管井法降水。輕型井點(diǎn)與氣動(dòng)組合式降水井是根據(jù)止水帷幕的原理而設(shè)計(jì)，其就是在基坑側(cè)壁及基坑底部通過連續(xù)布置一些輕型的井點(diǎn)及梅花狀地布置管井以此能夠形成連續(xù)且密封的止水體，就能夠達(dá)到阻止或減少基坑外側(cè)水進(jìn)入基坑的目的，且能夠排除基坑內(nèi)地下水。該組合降水井利用氣動(dòng)水泵替代了潛水泵抽水，氣動(dòng)水泵具有不易損壞和設(shè)備空轉(zhuǎn)無損害等優(yōu)點(diǎn)。

1 氣動(dòng)降水與傳統(tǒng)輕型井點(diǎn)降水原理

1.1 氣動(dòng)降水工作原理

儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存由螺桿空壓機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的高壓氣體，用分氣總成設(shè)備將儲(chǔ)存的高壓氣體分配到提前裝好的自動(dòng)控制箱內(nèi)。將水氣置換器置于井底，進(jìn)氣管和傳感器與置換器相連接。整個(gè)輕型氣動(dòng)降水系統(tǒng)會(huì)在液位模式下自動(dòng)工作。把水氣置換器放在水中之后打開進(jìn)水單向閥,水便進(jìn)入腔室,然后操作系統(tǒng)向水泵供氣,氣壓會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水單程閥關(guān)閉,出水單程閥打開,水流出管道?？刂葡到y(tǒng)便會(huì)在水流出管道后停止供氣，腔室內(nèi)的氣體由于氣體壓力作用隨之排出，然后進(jìn)水單向閥打開，水再次流入腔室，以此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)氣體為動(dòng)力的基坑降水[1-2]。

1.2 傳統(tǒng)輕型井點(diǎn)設(shè)備與原理

地下水先通過濾水管經(jīng)井點(diǎn)管進(jìn)入彎聯(lián)管最終匯入集水總管，最后由水泵的抽吸作用排出流入井點(diǎn)降水設(shè)備內(nèi)的水。降水設(shè)備所用的濾水管是采用38～55 mm 的鍍鋅鋼管。這些濾水管會(huì)埋在含水層中，本文布置的方式是采用梅花狀直徑約8～12 mm 的小孔，如不采取必要措施會(huì)導(dǎo)致土壤顆粒會(huì)進(jìn)入井點(diǎn)管中，為了防止防止這種現(xiàn)象需設(shè)置濾水網(wǎng)。因?yàn)闉V水管與井點(diǎn)管需要通過管箍聯(lián)通，因此兩種管道的直徑應(yīng)當(dāng)基本相同。計(jì)算確定埋設(shè)深度?？偣苄枰獏R集地下水，其管徑應(yīng)當(dāng)大于井點(diǎn)管的管徑才能夠保證排水的需求，因此一般總管的直徑采用100～150 mm 為宜，管道的連接方式宜采用法蘭連接較為合適，而位于集水總管上的短管可通過彎聯(lián)管和井點(diǎn)管相連[3]。

1.3 氣動(dòng)降水系統(tǒng)與輕型井點(diǎn)降水系統(tǒng)對(duì)比

（1） 氣動(dòng)降水系統(tǒng)在降水過程中使用氣管代替電纜，此氣動(dòng)降水井內(nèi)設(shè)備無需用電，因此比輕型井點(diǎn)降水系統(tǒng)更加穩(wěn)定安全。

（2） 氣動(dòng)降水系統(tǒng)運(yùn)用了變頻器和傳感器等元件，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，達(dá)到有水馬上抽、沒水馬上停的效果，在出水量變化明顯的地區(qū)，比傳統(tǒng)輕型井點(diǎn)降水系統(tǒng)更加節(jié)約電能[4]。

（3） 氣動(dòng)降水系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化接頭，氣管設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化長度，比輕型井點(diǎn)系統(tǒng)施工更加方便，外觀整潔[5]。

（4） 輕型井點(diǎn)系統(tǒng)在整個(gè)施工過程所需配備人員數(shù)量較多。

2 氣動(dòng)降水與輕型井點(diǎn)組合降水設(shè)計(jì)實(shí)例分析

2.1 項(xiàng)目概況

山東省濱州市某項(xiàng)目，建筑總面積約379 279 m2，建筑基坑開挖面積大，由于深度達(dá)地下10 m 左右，水系豐富地基與基礎(chǔ)工程施工難度大。在該項(xiàng)目檢測(cè)中心地下工程施工過程中，充分考慮到工期緊張、地下水位較高，止水帷幕施工成本高的影響因素，便采用氣動(dòng)降水與輕型井點(diǎn)組合式降水的施工方法。

2.2 井點(diǎn)布置方案設(shè)計(jì)與方案參數(shù)

以山東濱州某項(xiàng)目為實(shí)例，進(jìn)行氣動(dòng)降水與輕型井點(diǎn)組合降水井設(shè)計(jì)。綜合考慮場(chǎng)地周邊實(shí)際情況，以及綜合勘察報(bào)告中地下水的類型，考慮工程的安全性，滲透系數(shù)取2.3 m3/d；根據(jù)綜合勘測(cè)報(bào)告，基坑長180 m，寬140 m，潛水含水層厚度H 為25 m，基坑設(shè)計(jì)水位降深值為4.6 m。

2.2.1 氣動(dòng)降水井 氣動(dòng)降水井埋設(shè)深度H 計(jì)算：

H1——埋設(shè)面與基坑底部之間的距離(m)，H1=9 m；h——基坑最深挖掘面與降水曲線最高點(diǎn)之間的安全距離(m)，取h=1 m；i——地下水降落坡度,環(huán)形降水取i=1/10；L——中心的井點(diǎn)管與基坑之間最短的距離(m)，取L=50 m；I——濾水管長度(m)，I=1 m。

綜合其他考慮因素，H 取19.5 m。

首先進(jìn)行降水影響半徑計(jì)算：

基坑等效半徑計(jì)算：

基坑總涌水量計(jì)算：

單井涌水量計(jì)算：

其中，過濾器半徑r 為0.1 m，過濾器進(jìn)水部分長度l 為0.8 m。

井點(diǎn)數(shù)計(jì)算：

出于綜合因素考慮，該基坑內(nèi)部一共布設(shè)100 個(gè)氣動(dòng)降水井，氣動(dòng)降水井間距距離結(jié)合實(shí)際情況后確定取15 m。

2.2.2 輕型井點(diǎn) 在負(fù)一層底放二級(jí)臺(tái)階后開挖，臺(tái)寬為1 m，在臺(tái)階上連續(xù)布置一些輕型井點(diǎn)，一組10根井點(diǎn)管，間距為1 m，在負(fù)二層基坑四周連續(xù)布置一排輕型井點(diǎn)代替止水帷幕，通過泵體的抽吸水的作用，通過井點(diǎn)濾水管道，通過抽吸即可排出坑內(nèi)的積水[6]。

2.3 測(cè)量布置井位

（1） 施工前根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，合理布置管井的位置。

（2） 根據(jù)基坑開挖的邊線，在邊線外沿的四周布置兩排管井，整體呈梅花狀分布，外側(cè)管井中心間距約為12 m，內(nèi)側(cè)管井的中心間距約為10 m，在負(fù)二層基坑內(nèi)均勻布置氣動(dòng)降水井，間距約為15 m，井深約為19.5 m。

（3） 測(cè)量人員熟悉圖紙及井點(diǎn)布置圖后，按照設(shè)計(jì)的位置布置井位[7]，測(cè)量放樣后，工人配合在布設(shè)井點(diǎn)位置撒布灰點(diǎn)。

3 降水效果分析

3.1 降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)對(duì)該組合降水井進(jìn)行21 d 觀測(cè)，抽取了12 個(gè)井點(diǎn)統(tǒng)計(jì)21 d 的地下水位數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 降水井地下水位圖

以上為12 個(gè)抽水井21 d 的地下水位觀測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)通過該樣本數(shù)據(jù)對(duì)地下水位的平均高度進(jìn)行估計(jì)，采用統(tǒng)計(jì)量：

3.2 沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

基坑護(hù)坡頂部豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿基坑邊坡頂部布設(shè)，采取內(nèi)鋼筋頂端刻十字的辦法，間距20 m 左右，且在基坑的每邊都應(yīng)當(dāng)設(shè)置不少于3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，水平和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)為共用點(diǎn)。

隨著基坑降水的進(jìn)行，基坑周邊地面沉降較為明顯，根據(jù)基坑G1-G10 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及基坑G11-G20沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的157 d 內(nèi)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，最終檢測(cè)中心的沉降效果見圖2。

圖2 沉降效果圖

通過對(duì)20 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)157 d 沉降數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，其中，沉降最大的觀測(cè)點(diǎn)為G8，沉降量為3.03 mm，沉降最小的觀測(cè)點(diǎn)為G3，沉降量為1.83 mm，因此，地面最大沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于豎向位移累計(jì)臨界值25 mm。因此，采用輕型井點(diǎn)與氣動(dòng)降水組合降水代替止水帷幕，形成封閉降水效果，沉降較小，對(duì)基坑周邊影響也較小。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

在該項(xiàng)目的條件下，氣動(dòng)降水與輕型井點(diǎn)組合降水井的經(jīng)濟(jì)效益較為優(yōu)良，現(xiàn)與傳統(tǒng)止水帷幕做對(duì)比如下：

4.1 傳統(tǒng)止水帷幕

4.1.1 降水部分 電水泵每臺(tái)600 元，電動(dòng)泵由于電壓、缺相、泥淤死、密封質(zhì)量差等原因損壞率高，每臺(tái)修理一次費(fèi)用為170 元，電纜線每米2.5 元（每臺(tái)平均用線75 m）且二次利用率低，水管可用同規(guī)格產(chǎn)品不作比較，電泵功率按照1.1 KW 計(jì)算，每天每臺(tái)電費(fèi)21.12 元（電價(jià)每度0.8 元），開關(guān)箱每只260 元，降水均算120 d，合計(jì)259 617 元。

4.2 采用本施工工藝

4.2.1 氣動(dòng)降水部分 啟動(dòng)降水部分整體外包勞務(wù)隊(duì)伍，現(xiàn)場(chǎng)總共施工185 口井，按照每口井日租金30元，使用120 d，共計(jì)費(fèi)用666 000 元。

4.2.2 輕型井點(diǎn)降水 輕型井點(diǎn)共計(jì)施工480 m，每組30 m（30 根井點(diǎn)管），共計(jì)16 組，每組施工費(fèi)用為240 元，每根井點(diǎn)管日租金為10 元，共計(jì)使用120 d，合計(jì)579 840 元。

綜上，采用本施工工藝共計(jì)所需費(fèi)用為1 245 840 元。

4.2.3 綜合比較 采用組合式降水比傳統(tǒng)的止水帷幕施工減少費(fèi)用827 277 元。

綜上，氣動(dòng)降水與輕型井點(diǎn)組合降水井的優(yōu)點(diǎn)突出，應(yīng)用于工程能夠提高降水效果，降低項(xiàng)目成本。

5 結(jié)論

本文對(duì)該新型降水方法設(shè)計(jì)、優(yōu)化、工藝特點(diǎn)以及工程應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究，并對(duì)分析了使用該降水方法的工程，得出了以下結(jié)論：

（1） 通過對(duì)氣動(dòng)降水與輕型井點(diǎn)組合降水井優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究，提出了組合降水井井點(diǎn)埋設(shè)深度、井點(diǎn)數(shù)量與間距的一種計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)體工程提出具體布置方案，并在工程中成功實(shí)施。

（2） 研究提出了氣動(dòng)降水與輕型井點(diǎn)組合降水方案，并且根據(jù)對(duì)該工程基坑沉降數(shù)據(jù)和地下水位的分析，可以得出，采用輕型井點(diǎn)與氣動(dòng)降水組合降水代替止水帷幕，形成封閉降水效果，沉降較小，對(duì)基坑周邊影響也較小，該方法也成功控制了實(shí)體工程地下水位，保證了大型基坑施工安全性。

（3） 研究提出的氣動(dòng)降水與輕型井點(diǎn)組合降水方法較傳統(tǒng)方法更為科學(xué)高效且經(jīng)濟(jì)效益顯著，本依托工程采用組合降水比傳統(tǒng)止水帷幕方法節(jié)約了39.9%。