摘要：随着社会经济的日益发展，沉井工程也在逐渐增多。虽然这些沉井工程的规模并不是很大,但要是工程所在地区的地下水位比较高而且流量比较大的话,沉井施工难度就会很大。一旦处理不好,将产生封底不牢或者是渗漏问题,为工程埋下稳患,影响完工后的使用效果。本文对某处沉井工程在施工期间选择的降水井和隔水帷幕两种不同措施的处理方案展开了对比分析,通过二维有限元进行数值模拟分析,虽然采用隔水帷幕方案在工程工期与造价方面存在局限性,但可以为工程整体安全性提供较高保证,给社会带来的不良影响也很小,产生的社会风险也比较低,隔水帷幕方案从总体上来看是相对优越的。
关键词：地下水控制; 降水; 隔水帷幕;
1 前言
按照施工工艺来分类，可以将沉井工程分成排水法和不排水法两种，排水下沉开挖方法在施工中更为常用。沉井开挖安全在工程建设中是一个重点，因工程所在区域的地质与水文条件比较复杂，而且工程的开挖规模和挖深也在逐渐增加，因此对基坑降排水方面的要求也日益增高。控制地下水的处理方式主要有三种：分别是降水、隔水与排水，地下水的处理控制不但与工程安全密切相关，还与附近环境保护密不可分，在那些地下水位相对较高的区域，为了达到工程施工现场方便性与安全性方面的需要，需要结合实际条件采用控制地下水的最佳措施。
2 基本工况
该沉井工程属于某输水管线中一条穿河顶管的工作井，高19.10m，平面布置为内径9m的圆形，基坑内部最大挖深达20.5m。沉井工程距河道堤防外缘大约 50m，距其 30m 以外有零星设施与居民房屋分布。沉井工程基本位于砂壤土层、重粉质壤土层以及细砂层，各土层渗透系数的最大值依次为2.4×10-3 cm/s、1.8×10-4cm/s、7.8×10-3cm/s。勘察中发现，地下水位于地下5.4m处，河水位约5m深；砂层承压水头大约5m～10m。地下水与河水的水位全都比建基面要高一些，因此施工降排水方面存在问题。
3 地下水位控制措施
3.1 井点降水方案
对深基坑工程而言，在基坑开挖期间控制地下水时，采用明排水结合降水的措施进行处理是最为常用的一种方式，不但可以降低地下水位，还能够使地基更加稳定，从而为基坑开挖及接下来的后续施工提供更加便利的施工条件。
3.1.1 降水方案
在井点施工的降水方案中，通过裘布衣公式计算涌水量，按潜水完整场稳定渗流予以计算，通过吉哈尔特公式计算其影响半径。沿距工作井外边缘 3m处共 布置9眼深约27m的管井，井管用的混凝土管内径为500mm。
3.1.2 数值分析
在施工过程中降水处理时，因工期比较长，在水位达到预设高程一定时间段内，就会形成非均各向异性二维渗流场，该渗流场符合达西定律，其水头势函数可以通过以下微分方程表达:
上式当中的
就是水头势函数；
都是平面坐标；
表示的是
轴向的渗透系数。
图1 沉井周边地下水控制地层设计位移图（m）
由模拟计算所得结果可以看出，降水有150m的影响半径，每天的总涌水量可达368m3；在沉井工程施工期间，整个沉降区从降水沉降影响半径边缘处呈锥型体逐渐向中心区过渡，工程区周边地表竖向沉降最大为1.94cm，达到相关规范规程中的控制指标相关要求。由模拟结果中地下渗流状况展开分析，涌水量按大口井计算时，水力比降在降水井底位置可达到 0.36，局部甚至能达到 0.41，这一区域属于砂壤土跟细砂区的过渡区，处于水力比降的一个临界值，故而在采取控制措施时必须为管井出流设置好反滤区，并对降水区的水位以及降水速率进行严格控制，防止产生水力破坏区域，降水效果达不到，最终对工程区产生更大的破坏，施工完成后应对降水井进行回填处理并予封堵。在一般降水方案中，因水位变化会明显影响浅层土体固结，同时降水时间、水量、和水位降低速率等也会变化，施工时应该对降水系统做出相应的调整。（图1）
3.2 隔水帷幕方案
为保障降水区域附近建筑物和其它设施的安全，在沉井附近设置隔水帷幕，可以切实减少坑内降水量。若单独设置隔水帷幕，可通过高压旋喷桩、三轴水泥土搅拌桩或者注浆桩等方式，隔水帷幕需要进入坑底一定深度或者进入相对不透水层，以使抗渗流稳定下来。按照隔水帷幕底部所在的相对不透水层地质条件及其深度，在沉井外缘线上布设高喷灌浆最终形成隔水帷幕。帷幕墙的平面轴线是个圆形，为保证沉井不会因高喷灌浆的影响而下沉，灌浆孔轴离基坑边2.0m远，用高压旋喷注浆施工完整个防渗墙后，墙厚至少为450mm，灌浆顶部至少比地下最高水位高出1m，灌浆底部需要深入沉井下部的相对不透水层。如果遇到粉质粘土层，则在1m以上，实际施工时应根据具体地质情况予以适当的调整。有效孔径初步拟定为
的孔距，灌浆的调和水灰比为
。灌浆孔施工时宜分为两序，最终灌浆参数应按施工试验所得参数来确定。防渗墙成墙后的渗透系数应该保持在 1.0×10-6cm/s以下，高压喷射注浆各部位的固结体在 7d以后至少达到2.50MPa的抗压强度。由于高喷灌浆的孔深相对较大，需要严控施工时孔距，同时使偏斜率在 5‰以下，以免影响成墙质量。注浆时采用42.5强度 的普通水泥浆液材料，水泥浆液中可根据需要加入适量的外加剂。施工结束后，可用钻孔、围井或其它手段对工程质量进行检查，开挖基坑时测定其实际渗水量，看其有无集中渗水点，以检查高喷墙的整体效果。由模拟计算所得结果可以看出，设置隔水帷幕后，沉井区域每天的总涌水量都减少到了 1.5m3；其降水影响半径出现了大幅度降低，仅局限在 15m 范围内，工程区周边地表的最大竖向沉降仅为 0.05cm，可以达到沉降控制要求。且其水头和水力比降也出现了大幅度的缩减，最大也仅有 0.02，不过在隔水帷幕里面仍然有水力比降较大的区域，应在施工前通过灌浆试验，对水灰比以及灌浆压力的措施予以调整，使帷幕体的水力破坏区域内部的结构环境得以改善。
3.3 方案选择
经过分析，隔水帷幕方案需要330万元的投资，8个月工期；降排水方案需 110 万元的投资，5.5 个月的工期 。施工区域内周边有建筑物等其它设施分布，且工程降水范围内有砂壤土与细砂层分布。虽然隔水帷幕工期长、造价高，但对安全方面更有保证，能大幅度降低施工风险，故而推荐选用隔水帷幕，局部可用明水抽排。施工期随时观测附近环境与地下水位的沉降，以便及时发现异常并予处理。
4 施工注意事项
（1）降水会使基坑周边的水位降低，土层中的孔隙水压也会变小，这样一来土体的有效应力就会增加，且水力梯度也会在降落漏斗范围内相应增加。故而降水前应该采取措施，对附近环境进行细致调研，摸清该区域的工程水文地质状况，包括附近空间中的构筑物分布情况。（2）调查工程区附近的地面和其它地下建筑物的具体情况，包括建筑物的承受变形能力，还有这些建筑物本身的历史沉降情况。（3）正式降水前需要进行降水试验，观测并严控沉井内的排水量、水位变动情况还有排水含沙量等指标，应及时上报异常情况并采用相应措施予以处理。看抽出的地下水浑不浑浊，选用最合适的降水井滤网，重视成孔质量与回填料材质等。（4）确保沉井以均匀速度下降，避免突沉或者过度纠偏，尽可能降低沉井下沉给附近地下环境带来的影响。
5 结论
对沉降控制比较严格的工程而言，若是在降水区域内存在大量外来补充水源，同时其地层中还有渗透系数相对较大的壤土或者细砂等，就需要布设隔水帷幕，避免水体相互贯通，以致降水措施失效，最终使大量土体颗粒被带出，形成流砂以及管涌现象。虽然隔水帷幕会在工期与造价方面存在一定的局限性，但是但工程的安全性更有保证，风险更较低，且社会影响也小，因此采用隔水帷幕方案总体而言更加优越。
参考文献
[1]取水泵房沉井施工技术及质量控制措施[J].蒋宏大.价值工程.2017(31).
[2]泵房沉井施工法施工工艺探讨[J].杜姗姗.科技创新与应用.2016(03).
论文作者:周维魏
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/16
标签：沉井论文; 帷幕论文; 工程论文; 地下水论文; 基坑论文; 水位论文; 方案论文; 《基层建设》2019年第26期论文;