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文檔簡介

1、    深基坑工程降水技術(shù)及現(xiàn)階段發(fā)展    李享摘要:近年來,隨著地下空間開發(fā)力度的加大,基坑工程開挖的面積和深度正在不斷增加,處于有利地形條件的施工場(chǎng)地正在趨于飽和,不良水文地質(zhì)條件下的復(fù)雜深基坑工程數(shù)量正在增加。在復(fù)雜水文地質(zhì)條件下選擇正確合理的降水技術(shù)是實(shí)現(xiàn)基坑安全開挖的關(guān)鍵。針對(duì)不同施工情況下的基坑降水技術(shù),國內(nèi)外相關(guān)的學(xué)者進(jìn)行了一系列相關(guān)的研究與經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。在前人所做研究的基礎(chǔ)上,本文將深大基坑的降水方法及相應(yīng)適用條件進(jìn)行詳細(xì)歸納,并展望了深大基坑降水技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和有待優(yōu)化的地方。abstract: in recent years, with

2、 the rapid development of underground engineering, the area and depth of excavation are increasing, and the construction sites under the favorable terrain are becoming saturated. the correct and reasonable dewatering technology of the excavations under complex hydrogeological conditions is the key t

3、o guarantee the safe of the foundation pit and surroundings. the rational use of dewatering method has always been a hot topic in the design and construction of deep foundation pit. in view of the foundation pit engineering in different circumstances, a series of related research and experience are

4、carried out by relevant scholars at home and abroad. on the basis of previous research, the dewatering method and their applicable conditions for deep foundation pit are summed up in detail in this paper, and the development trend of dewatering technology of deep foundation pit and the place to be o

5、ptimized are prospected.關(guān)鍵詞:深基坑;降水;適用條件;發(fā)展趨勢(shì)key words: deep foundation pit;dewatering;applicable conditions;trend of development中圖分類號(hào):tu753.66                                 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:a         

6、;                         文章編號(hào):1006-4311(2018)34-0170-030  引言20世紀(jì)80年代之后,由于我國土地資源緊缺,對(duì)于空間的利用不再局限于地面,而把眼光向空中與地下看去,地面上的高層建筑物工程開始在我國興起1,相應(yīng)的深基坑工程也越來越多,不僅在建筑工程領(lǐng)域,深基坑的概念逐漸進(jìn)入到隧道工程、巖土工程、煤礦工程等等領(lǐng)域。在深開挖的基坑工程施工過程中事故是時(shí)有發(fā)生的,而這些事故的發(fā)生在不考慮施工質(zhì)量是否過關(guān)的情況下,常常

7、與地下水處理不當(dāng)有關(guān)2,3,據(jù)唐業(yè)清教授對(duì)全國范圍內(nèi)160余起基坑事故的分析,由于設(shè)計(jì)和施工中對(duì)地下水處理不當(dāng)而造成基坑事故的比例高達(dá)60%。地下水的不當(dāng)處理對(duì)深基坑的影響主要表現(xiàn)在:由于地下水的滲透引起的主體結(jié)構(gòu)開裂4;坑底發(fā)生突涌而導(dǎo)致坑底土體開裂出現(xiàn)管涌5;由于強(qiáng)降雨等氣候原因使基坑周圍土體淹沒于水中,有關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)降低;降低地下水位的同時(shí),引起地面沉降以及周圍其他建筑的不均勻沉降和開裂等6。因此,為治理地下水問題,正確的降水措施是必要的,也是保證基坑工程安全的前提。1  基坑降水的發(fā)展國外基坑降水的發(fā)展較早,世界上第一個(gè)有記錄的基坑降水實(shí)例是在倫敦伯明翰鐵路的基爾斯比隧道工

8、程中,通過對(duì)豎井的降水來保證隧道的順利施工。降水技術(shù)在德國發(fā)展開始的較早。1896年在柏林,修建地下鐵道時(shí)第一次使用了深井降水。1930年在不萊梅哈芬港的水閘工程中采用了58口減壓井來降低承壓水頭,承壓水頭的降低量以及總的抽水量均創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)工程界的紀(jì)錄。1939年在薩爾茨格鐵路項(xiàng)目中,電滲排水技術(shù)被首次運(yùn)用以穩(wěn)定邊坡。除了德國之外,其他國家對(duì)于基坑降水技術(shù)的探尋也一直在進(jìn)行著。在20世紀(jì)30年代,比利時(shí)人將深井降水技術(shù)運(yùn)用在斯海爾德河的水底隧道工程中,有效的減小了盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的壓縮空氣的壓力。美國人將井點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,首次把球閥和環(huán)閥應(yīng)用在基坑降水中,使得井點(diǎn)可以自動(dòng)到達(dá)土體內(nèi)部區(qū)域,并且可根據(jù)

9、工程需要對(duì)土體進(jìn)行孔隙的增大,同時(shí)設(shè)置過濾材料。到了20世紀(jì)50年代,井點(diǎn)降水技術(shù)在以往工程經(jīng)驗(yàn)與理論積累下有了新的發(fā)展,真空降水法得到發(fā)展應(yīng)用,常用來加固地基。工程技術(shù)的發(fā)展往往伴隨著理論的進(jìn)步,關(guān)于真空條件下土的滲透性和毛細(xì)特性的研究相應(yīng)地也在這一時(shí)期得到快速發(fā)展。至今,世界各國對(duì)于基坑工程降水技術(shù)的探究已逾百年,并繼續(xù)走在對(duì)更復(fù)雜更大規(guī)模的工程進(jìn)行降水技術(shù)的探究過程中。我國基坑降水技術(shù)發(fā)展的起點(diǎn)是在20世紀(jì)50年代,噴射井點(diǎn)、輕型井點(diǎn)降水技術(shù)在東北重工業(yè)基地、包頭鋼鐵公司、太原鋼鐵公司、鞍山鋼鐵公司等重大工程項(xiàng)目建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用,為我國的降水工程、乃至基坑工程的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。到了

10、20世紀(jì)70年代,對(duì)于新型抽水裝置的研究成為熱點(diǎn),由于射流泵和隔膜泵的發(fā)展,使得發(fā)展趨勢(shì)走向科學(xué)綠色降水、環(huán)保經(jīng)濟(jì)降水。20世紀(jì)90年代,由于我國新城市建設(shè)的加速,城市中的老舊區(qū)被更新代替,在這過程中基坑降水對(duì)周邊建筑物和地下管線等結(jié)構(gòu)設(shè)施的影響越來越多被考慮到。諸如基坑封閉施工法、地下水回灌技術(shù)等技術(shù)得到發(fā)展應(yīng)用,以應(yīng)對(duì)施工造成周邊環(huán)境不良影響的問題。降水技術(shù)在我國發(fā)展穩(wěn)固而迅速,相關(guān)專業(yè)人員已經(jīng)掌握較為完善成熟的一系列相關(guān)技術(shù),并攻克了許多技術(shù)上的難關(guān),我國降水工程對(duì)于工程規(guī)模的應(yīng)用與技術(shù)的發(fā)展均已達(dá)到了世界先進(jìn)水平。2  基坑降水的作用對(duì)于處在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的基坑工程,施工的

11、安全性與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接相關(guān),但是在考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性的同時(shí),地下水的控制技術(shù)也是十分重要的7,8。土體的穩(wěn)定性與含水量直接相關(guān),另外若基坑底有承壓含水層時(shí),在基坑的開挖施工過程中將面臨坑底超量隆起、基底突涌等風(fēng)險(xiǎn)。具體來講,在實(shí)際工程中基坑降水的作用有如下幾點(diǎn):降低水位保證基坑穩(wěn)定和開挖工作的順利進(jìn)行。保持坑底干燥,便于施工機(jī)械的運(yùn)作減少邊坡的水流沖刷,穩(wěn)定邊坡。降低土體含水率,避免土體的強(qiáng)度等標(biāo)的降低,改善受力特性。降低承壓水頭,防止坑底發(fā)生突涌。3  基坑降水方法目前比較成熟的深基坑降水方法主要有以抽排水為核心的純井點(diǎn)降水法、以攔防基坑外水的截水法和結(jié)合二者特性的止水帷幕+排水

12、法等9。方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)具體水文地質(zhì)情況、效果控制、經(jīng)濟(jì)要求、工期要求等因素,通過比較各方法的適用性,結(jié)合實(shí)際工況,選擇合適的降水方案10。表1所示為常見的深基坑工程降水方案及技術(shù)特點(diǎn)。3.1 純井點(diǎn)降水法純井點(diǎn)降水法是最便捷,也是最常用的降水方法11,井點(diǎn)降水法示意圖如圖1所示。井點(diǎn)降水法主要包括真空(輕型)井點(diǎn)降水法、管井井點(diǎn)降水法、噴射井點(diǎn)降水法、深井井點(diǎn)降水法、電滲井點(diǎn)降水法。真空(輕型)井點(diǎn)降水法。輕型井點(diǎn)是最直接的井點(diǎn)降水法,即是通過抽水設(shè)備(真空泵、離心泵、水氣分離器)將地下水通過降水設(shè)施由集水總管抽出,使得地下水位降低至待開挖面以下的降水措施。該方法一般適用于滲透系數(shù)較大(0.

13、15.0m/d)的填土、粉土、黏性土、砂土。管井井點(diǎn)降水法。管井井點(diǎn)和輕型井點(diǎn)原理相似,均是用抽水設(shè)備將水直接抽出,均適用于滲透系數(shù)較大,含水豐富的土層。主要區(qū)別在于每一個(gè)管井均配備抽水設(shè)施,所有抽水設(shè)施能夠獨(dú)自運(yùn)行,因此排水量更大,而輕型井點(diǎn)則是通過一個(gè)總的集水管同步進(jìn)行所有井點(diǎn)的抽水。噴射井點(diǎn)降水法。對(duì)于較深的降水深度(8m20m),采用輕型井點(diǎn)則需要將已排干的土層挖去,加以設(shè)置級(jí)數(shù)更多的井點(diǎn),級(jí)數(shù)增加將導(dǎo)致設(shè)備增多,工期延長,工程整體經(jīng)濟(jì)性降低。采用噴射井點(diǎn)則能大幅度增大降水深度,噴射井點(diǎn)降水法的原理是通過離心泵產(chǎn)生高壓的工作水,隨后通過縮小水流截面積使得水流進(jìn)行足以產(chǎn)生負(fù)壓的高速運(yùn)動(dòng)(

14、3060m/s),將地下水吸出。深井井點(diǎn)降水法。一般的潛水泵和離心泵的降水深度的極限約為1317m,因此當(dāng)降水深度超過13m左右后,普通的管井已不能滿足降水的控制要求。此時(shí)將管井的深度進(jìn)行增加,可大幅度增加降水深度的限制(一般可降低水位達(dá)到35m左右)。電滲井點(diǎn)降水法。電滲井點(diǎn)降水法是特殊情況下考慮使用的方法。若土層的滲透系數(shù)非常?。ㄐ∮?.1m/d),此時(shí)將土粒之間細(xì)小的孔隙所產(chǎn)生得毛細(xì)作用與電滲現(xiàn)象結(jié)合,即將井管作為陰極,陽極則在其內(nèi)側(cè)相距約1.2m處用金屬材料設(shè)置,土體里的水分子則會(huì)由于電流作用,迅速轉(zhuǎn)移到陰極(井管),這將有利于抽水設(shè)備將土中水的抽出。電滲法雖然能增強(qiáng)井點(diǎn)降水的效果,但

15、是耗電較多,工程費(fèi)用因此會(huì)增加不少。3.2 截水法當(dāng)基坑所處土層水位較高,除了要對(duì)基坑內(nèi)的地下水進(jìn)行控制與降低之外,為防止水向坑內(nèi)滲入還應(yīng)對(duì)基坑外的地下水進(jìn)行處理。一般通過設(shè)置外圍滲透系數(shù)極小的截水帷幕來將基坑內(nèi)外的水力關(guān)系截?cái)啵鐖D2所示。截水帷幕的形式多樣,常見的止水帷幕有高壓旋噴樁、深層攪拌樁止水帷幕,旋噴樁止水帷幕,近年來出現(xiàn)了螺旋鉆機(jī)素混凝土或壓漿止水帷幕。地下連續(xù)墻、鉆孔咬合樁等是基坑工程中常見的圍護(hù)結(jié)構(gòu),若它們自身防水效果較好,則它們自身也可在作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的同時(shí)發(fā)揮截水帷幕的作用。截水帷幕分為落底式豎向截水帷幕和懸掛式豎向截水帷幕。落底式止水帷幕是將帷幕插入不透水層中,完全切斷坑

16、內(nèi)外水力連接,但有時(shí)含水層厚度很大,使得落底式帷幕的造價(jià)昂貴,這時(shí)則可以選擇只部分切斷水流,即選擇采用懸掛式豎向截水帷幕12,13,考慮到坑內(nèi)外仍有水力連接,若水的補(bǔ)給迅速,則可以結(jié)合坑底注漿封閉來輔助降水。設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)綜合考慮施工難度、經(jīng)濟(jì)要求、工期要求等合理選擇落底式或懸掛式結(jié)合其他措施。對(duì)于深厚透水性地層的基坑降水,往往是將井點(diǎn)降水與帷幕截水進(jìn)行綜合使用,如蘭州地鐵1號(hào)線奧體中心站至世紀(jì)大道站的穿黃隧道區(qū)間的中間風(fēng)井便是采用懸掛式截水帷幕+井點(diǎn)降水+基底注漿法的工法進(jìn)行基坑降水處理的14。截水帷幕結(jié)合井點(diǎn)降水兼具有井點(diǎn)降水布孔靈活、經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)點(diǎn),又具有滲水量小、坑內(nèi)排水量較小、邊坡穩(wěn)定性好

17、、對(duì)周圍環(huán)境影響較小(降水漏斗小而深)等優(yōu)點(diǎn)?;鬃{能有效增強(qiáng)基坑防突涌穩(wěn)定性。但是該綜合降水措施造價(jià)高,施工周期長,且若在大粒徑砂卵石地層中修建,截水帷幕造孔、護(hù)壁、灌漿施工難度較大。4  基坑降水的不足與展望基坑降水技術(shù)在世界上發(fā)展至今,已經(jīng)過了百年的歷練,不少研究者和專業(yè)相關(guān)人士都對(duì)于基坑的降水理論與實(shí)踐數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和總結(jié),但百年歷史并不足以將這一復(fù)雜的工程技術(shù)發(fā)展到完美,安全性事故仍有,超額預(yù)算,工期延后現(xiàn)象仍有,將這些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行歸納總結(jié),可以發(fā)現(xiàn)基坑降水技術(shù)尚有著長遠(yuǎn)的發(fā)展空間。目前基坑降水仍存在以下問題:基坑降水設(shè)計(jì)所直接依賴的水文地質(zhì)參數(shù)的獲取不準(zhǔn)確15。參數(shù)的獲

18、取需要進(jìn)行一系列的水文試驗(yàn),對(duì)于復(fù)雜地區(qū)則需要結(jié)合數(shù)值模擬反復(fù)擬合得到,而不應(yīng)僅通過簡單的地質(zhì)勘察得到。設(shè)計(jì)計(jì)算中使用的參數(shù)選取往往是通過類似工程經(jīng)驗(yàn)選取,是不精確的,如影響半徑r、壓力傳導(dǎo)系數(shù)a等。降水井的布設(shè)和運(yùn)營方案一般是通過與類似基坑比較,具體形式則是較為盲目隨設(shè)計(jì)者主觀意愿的。為避免與實(shí)際降水效果相差較遠(yuǎn),降水井的布設(shè)與運(yùn)營方案應(yīng)通過數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)等方法確認(rèn)后設(shè)計(jì)的。由于作為降水實(shí)施的直接階段,井點(diǎn)的布置、開啟方案等的確定與降水效果、工程經(jīng)費(fèi)等直接相關(guān)。因此,降水方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)一直以來是沒有得到設(shè)計(jì)人員足夠重視的方面。優(yōu)化設(shè)計(jì)一般是通過建立某個(gè)函數(shù),將考慮的因素與優(yōu)化的目標(biāo)建立起

19、聯(lián)系,從而求出最佳解16。目前的優(yōu)化函數(shù)的變量均較為單一,還沒有某個(gè)考慮全面因素建立的目標(biāo)函數(shù),因此,這是未來基坑降水技術(shù)一個(gè)重要的發(fā)展方向。城市地下空間發(fā)展迅速,隨著基坑工程規(guī)模的加深加大,降水對(duì)環(huán)境的影響也逐漸增大,同時(shí)由于良好條件下的施工場(chǎng)地逐漸飽和,基坑處于復(fù)雜地層條件的情況越來越多17,18??紤]復(fù)雜條件下的降水處理,相比于經(jīng)濟(jì)性或工期長短,基坑自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與對(duì)周邊臨近建筑物的作用更將成為降水設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)19。綜上所述,基坑降水技術(shù)的發(fā)展一定要更加加強(qiáng)理論與實(shí)際的結(jié)合20,方案的選擇要角度更多,考慮的因素要更綜合,只有這樣才能保證在處于任何復(fù)雜情況下基坑降水的有效性和安全性。

20、5  總結(jié)從基坑降水技術(shù)發(fā)展歷史的敘述出發(fā),將基坑降水的重要性和作用進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并總結(jié)了目前為止常用的純井點(diǎn)降水法和截水法這兩種降水處理措施,其中截水法可以結(jié)合井點(diǎn)降水進(jìn)行綜合降水處理,這對(duì)于深厚透水性土層是十分有效的方法。通過全文對(duì)基坑降水的發(fā)展情況的回顧,對(duì)目前實(shí)際工程中降水仍存在的不足之處進(jìn)行總結(jié),并且以這些缺陷作為契機(jī),同時(shí)結(jié)合目前地下工程的發(fā)展趨勢(shì),總結(jié)出基坑降水的重點(diǎn)發(fā)展方向。參考文獻(xiàn):1王江,楊智.某高層建筑深基坑工程降水方案研究j.土工基礎(chǔ),2015,29(03):34-37,43.2楊樹良,劉東坤.房屋建筑地基施工中的影響因素與控制措施j.施工技術(shù),2017,4

21、6(s2):390-392.3丁正國.基坑工程中對(duì)地下水的認(rèn)識(shí)和處理j.中外建筑,2017(04):170-171.4許錫昌,徐海濱,陳善雄.深井降水對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊建筑物影響的研究j.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(s2):5449-5453.5謝石連,王勇,付奕,丁其峰.軟土地區(qū)某深大基坑承壓水突涌分析處理j.工程勘察,2011,39(11):46-49.6楊勇,李國敏,竇艷兵,黎明,楊忠山.抽取地下水引起地面沉降的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展j.工程勘察,2010,38(11):32-37,91-93.7馮彪,詹浩.復(fù)雜地質(zhì)條件下基礎(chǔ)施工技術(shù)j.施工技術(shù),2013,42(s1):118-121.8張洪波,陳勝,盧衛(wèi)東.深基坑開挖過程中地下水控制方法探討j.土工基礎(chǔ),2012,26(03):84-87.9定培中

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