梅钢1 780mm热轧工程厂区坐落在长江边上,场地原为当地农村村落,场地内有鱼塘、河道、稻田等,地下水极为丰富,并含有大量淤泥质土和粉砂等不良土质,且不良土层较厚,局部还有建筑垃圾回填物^[1] 。场地地下水类型为潜水,主要赋存于层号(3)₁,(3)₃中。场地地下水水位埋深为0.60~1.80m。粉砂层(地层代号(3)₃)为潜水含水层,赋存水量较丰富,渗透性能较好,室内渗透系数试验水平向为4.0×10^-4、垂直向为3.6×10^-4,根据基坑开挖深度和场地地层结构,该含水层对施工将会带来一定程度的影响。(3)₅层为巨厚淤泥质黏性土层,工程性能很差。

本工程现场地质条件较为复杂,含有淤泥质土和粉细砂等不良土质,且不良土层较厚,而加热炉及主轧线等基坑埋设深,为确保深基坑的施工安全并减小对周围建(构)筑物的影响,本工程加热炉、主轧线、冲渣沟等深基坑需采取相应可靠降水措施。

基坑地下水控制设计应与边坡支护结构的设计统一考虑,对降、排水和支护结构水平位移引起的地层变形和地表沉陷应控制在允许范围内^[2] 。在新建工程地质勘探报告中显示,该区域-7.000m以上为大面积流砂层,地下水丰富,渗透系数大,地质条件比相连的1 422mm热轧厂还要差,基坑工程的危险性要大得多,所以采用合理有效的基坑围护与降水施工工艺对面积达50 000m²、深度达12m的基坑施工起着至关重要的作用。

施工初期,基坑采用水泥土重力挡墙围护+普通轻型井点配合深井降水。轻型井点降水是指在需要处理的地基内设置一定数量的井点(滤水管),利用抽水设备从井中抽水。随着水的抽出,使井中形成一个负压(以大气压作为零点),从而在土体中产生一个压差,孔隙水压力向井点区域转移,同时地基中水分流向井中并被抽走。随着这一过程的发展,土体被挤密,从而达到强度增加的目的^[3] 。由于普通轻型井点的排布间距在0.8~1.6m,对整个流砂层的封闭不够严密,没有形成基坑外地下水封闭屏蔽带,致使基坑外流砂层的部分地下水渗入,影响基坑降水效果,造成基坑边坡坍塌,给基坑开挖与施工带来危害,严重影响施工场地周围已有设施的正常运行。因此,研发一种合适的降水方式显得尤为紧迫和棘手。

为了使开挖面积达50 000m²、深度达12m的大面积深基坑在流砂层区域顺利开挖与正常施工,必须将基坑外围的地下水完全拦截住,使降水井点形成一道有效屏蔽带,包括一段填有建筑垃圾的区域也必须采取措施埋设降水井点,使基坑达到整体封闭条件。

要使降水井点形成屏蔽带就必须对井点间距进行加密,而普通降水井点因成孔直径及井点结构的原因,如果加密会使相邻降水井点发生干涉、串气等现象,使其无法正常运行。因此,遇到这种上部为流砂层、下部为黏土层情况时,宜采用短滤头、小口径井点加密布置降水^[4] 。故只有将降水井点与井点成孔直径减小,并对井点结构及成孔冲枪结构进行改造,才能使其达到既能对井点间距加密,又不会使其发生相互干涉的效果。

所以对降水井点与集水总管及机具进行以下改造:(1)降水井点改为ф25mm PE小口径降水井点;(2)降水井点的过滤管长度改为300mm;(3)集水总管改为50mm UPVC管;(4)井点与集水总管连接使用25mm PVC增强软管;(5)制作小型人工冲孔装置;(6)制作回填夹渣土层快速成孔装置。

针对这种在大面积、厚度不均的流砂地区兴建的工程,为解决在该类型地质条件下形成降水井点密度屏障及井点沉设成孔困难等问题,研发了PE小口径降水井点装置。

PE小口径降水井点管管材由PE盘管根据井点长度切割制作而成,因在流砂层内降水,井点成孔沉设比较困难,为保证降水井点管有效段的长度,其过滤段不宜太长,一般为300~500mm即可。过滤段包扎2层80目细纱,过滤段端头用同规格的UPVC管帽封堵。UPVC集水总管与井点连接端直径相同,两者使用同规格的PVC增强软管套接。PVC增强软管在降水井点运行中由于真空作用可自行密封。

由于井点直径小,排布密度可以加密到500mm,可以有效地增加降水井点止水帷幕密度,形成有效降水屏蔽带,并且减少了井点因流砂层缩孔而造成的沉设难度。图1为PE小口径降水井点及其配套装置。

井点系统的平面布置主要取决于基坑的平面形状和要求降低的水位深度,本基坑面积较大,采用环装井点管路系统。

进行井点系统的高程布置时,井管的埋设深度H(不包括滤管)按下式计算:

式中:H₁为井管埋设面至基坑底的距离(m);L为基坑轴线上降低后的地下水位至基坑的距离,一般≥0.5m;h为地下水降落坡度,环装井点为0.1;i为井管至基坑轴线的水平距离;l为滤管长度(m),本工程中取≤0.5m。此外,考虑井管埋设深度时,井管露出地面0.3m。经计算比较,取H=6.5m。

一般对于类似土层的垂直真空井点钻孔施工,应采用清水或稀泥浆钻进或高压水套管冲击施工,或者长螺旋钻机成孔^[6] 。此次基坑降水井点打设的部位场地比较狭小,且施工场地道路条件较差,用于冲孔打井的大型机械设备进入困难。如修整、铺设道路会使整个工程难度和成本大幅度增加,为此研发了一套新型轻便的降水井点人工冲孔装置。

该装置为一根钢管一端制作成枪尖,枪尖部位加设翼板,人工用力向下插入土层时翼板可先将地下土层捣松,另外一端绑扎输水软管,再用1根同降水井点一样长的细管连接在钢管上,冲孔时只要开启输水软管端的高压水泵,人工将冲枪立起,在需要成孔的部位将井点孔冲好就可以埋设降水井点。图2为冲孔装置加工示意。

上层潜水含水层土质条件差、含水量高、渗透性好、压缩性高,若地下水位大幅下降势必造成基坑周边的浅基础房屋过大的不均匀沉降而危及安全^[7] ,因此为了观测降水深度是否达到设计要求,在基坑中设置观测井点,以便通过观测井点测量水位,并据此描绘出降水曲线^[8] 。降水管井及水位观测井在施工过程中经常要进行水位测试,经常使用的水位测试仪为购买的定性产品,该产品为专用水位测试装置,如果在管井或水位观测井比较多或比较分散的工程中,多处同时进行水位观测就需多台专用水位测试仪,会造成工程成本的增加,而且该装置用处比较单一,为此研发了一套降水管井及水位观测井水位测试装置。

如图3所示设计一种简易的、通用性较强的水位观测仪,采用万用表与双股绝缘细导线,导线上按测试井的长短做好长度标识,一端连接在万用表上,另一端端头用绝缘物体分开,测试时将其放入管井或水位观测井中,当测试井内两个端头接触到水时,万用表上的电阻读数就会发生变化,这样就可以清楚测试井内水位高度。

上述各项改进技术彻底解决了本工程的基坑地下水封闭问题。由于井点滤管改短后起到了吸管效应,使流砂层与下层黏土层之间的地下水被完全吸入小口径井点中,完全拦截住地下水向基坑内部的渗入;小型人工成孔装置在流砂层中既保证了井点成孔的完整性与降水井点的顺利沉设,又不会对相邻井孔造成影响,为特殊地质条件降水施工成孔提供借鉴经验;水位观察装置制作、操作都非常简便,万用表为电工通用工具,测试导线用完后可作为其他用途,如需再测试水位深度可随时制作该装置,简便易行,为工程节约了水位观测成本。井点运行时可自行密封,安装、拆除非常方便,并可以多次回收再利用。

随着各行各业建设事业不断发展,内陆地区用地矛盾日益突出,在沿海、沿江地区吹填扩地建设新兴项目的工程不断涌现,这些吹填起来的地域多为大面积流砂层地质,在这样的地质条件下进行深基坑施工,降水施工工艺作为基坑围护的常用及有效手段必然会使用其中,这时PE小口径井点屏蔽降水施工技术就会发挥其所长,为基坑的开挖与正常施工创造条件。该井点适用于大面积流砂层及渗透系数较大的土层基坑降水施工,尤其适用于上部为流砂层、下部为黏土层的区域。

该技术在梅钢1 780mm热轧工程应用后取得了很好的效果,使降水系统在流砂层的降水工效得到有效提高,将基坑内积水快速疏干,确保土建施工的顺利进行;为企业创造了良好的经济与社会效益,因此具有较好的推广和应用前景。