王家墩北站降水井施工方案.docx
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王家墩北站降水井施工方案
武汉市轨道交通三号线土建工程第十标段
王家墩北站降水施工方案
一、编制依据
（1）国家标准《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》（GB50307-1999）；
（2）国家标准《供水水文地质勘察规范》（GB50027-2001）；
（3）国家标准《供水管井技术规范》（GB50296-99）；
（4）行业标准《建筑与市政降水工程技术规范》（JGJ/T111-98）；
（5）湖北省地方标准《深基坑工程技术规定》（DB42/159-2004）；
（6）《基坑降水手册》
二、工程概况
本工程包括王家墩中心站（不含）～王家墩北站区间（简称王～王区间）、王家墩北站、王家墩北站～范湖站（不含）区间（简称王～范区间）、范湖站（不含）～菱角湖公园风井（含风井）区间（简称范～菱区间），共1站3区间和1座风井，五个单位工程。
王家墩北站为地下两层岛式站台车站，长182m，标准段宽19.7m；围护结构为800mm厚地下连续墙，标准段深28.5m；支撑形式为钢支撑和砼支撑，共设三道支撑和一道换撑，第一道为800×800mm钢筋砼支撑，第二、三道及换撑均为Ф609、t=16mm的钢支撑；车站共设四个出入口，两组风亭。
三、工程地质及周边环境
3.1工程地质条件
工程范围地层自上而下依次为：
在场区最大勘探深度范围内，根据岩土工程勘察报告，场区土层除上部为填土层外，其下主要为第四系全新统冲积（Q4al）的粘性土层、砂层、中粗砂夹砾卵石层，下伏基岩为志留系（S2f）的砂岩。
根据年代、成因、土层结构特征及强度上的差异，场地土自上而下可分为4层，其中（3）层分五个亚层，（4）层分三个亚层，（20b）层分两个亚层。
王家墩北站车站基坑开挖面主要为（1-1）杂填土、（3-1）粘土、（3-2）粘土、（3-3）淤泥质粉质粘土、（3-4）粉质粘土夹粉砂、（3-5）、（4-1）粉砂。
3.2水文地质
拟建场区的地下水有上层滞水、孔隙承压水和基岩裂隙水三种类型。
1、上层滞水主要赋存于填土层中，受大气降水、地表水及人类生产、生活用水补给影响，无统一自由水面。
勘察期间测得的上层滞水稳定水位埋深在2.13～3.67m之间，相当于绝对标高18.05～20.11m。
2、孔隙承压水主要赋存于（3-5）层及其下的砂层中，上覆粘性土及下伏基岩为相对隔水层顶板、底板。
据在汉口地区不同地段不同时期长期观测结果表明，汉口地区长江I级阶地承压水测压水位标高最高为20.0m左右，承压水头标高年变化幅度在3.0～4.0m。
3、下伏基岩为志留系砂岩，基岩裂隙水水量较小，对本工程的影响不大。
表3.2-1土层渗透系数
地层编号
土层名称
渗透系数（cm/s）
垂直
水平
（3-1）
粘土
5.1×10-7
5.7×10-7
（3-2）
粘土
6.0×10-7
5.7×10-7
（3-3）
淤泥质粉质粘土
6.2×10-7
4.4×10-7
（3-4）
粉质粘土夹粉砂
2.5×10-6
4.2×10-5
（3-5）
粉质粘土夹粉砂、粉土
5.1×10-5
6.5×10-4
（4-1）
粉砂
8.0×10-3
1.8×10-2
3.3周边环境
本站位于王家墩中央商务区东北侧，地势较为平坦，车站北侧为在建的恒融商务中心，南侧为在建的云霞路及商务区樱海园，西北侧为航天花园，东西两侧无建筑物，较为空旷。
四、降水设计
4.1设计思路
武汉市轨道交通三号线王家墩北站，开挖深度15.6～18.08m（属超深基坑，工程安全等级为一级），基坑底部位于粉砂层中，基坑开挖后，若不采取降水措施，坑底高承压水将会产生突涌，本设计方案在基坑内、外设置降水管井进行疏干降水。
4.2方案比选
针对基坑坑底下部含水层中的承压水，可采取深井管井降水或中深井降水技术抽排地下水以降低地下水压力水头。
根据在类似地层进行的深井完整井抽水试验结果可知，若采用深井完整井，单井抽排水量虽大，但单井的降深能力小，水位降深难以达到设计要求且降水运行不经济，结合在武汉地区、长江沿岸地区超深基坑工程的施工降水经验，本次基坑降水设计拟采用中深井降水技术进行降水。
4.3基坑涌水量预测
4.3.1基坑抗突涌分析
武汉市轨道交通三号线王家墩北站基坑面积较大（约3839m2），基坑开挖深度较深15.6～18.08m，本次设计时忽略坑底各土层的粘聚力及其抗剪强度对抗渗透有利的影响，将其作为安全储备。
坑底土方开挖已揭露承压含水层，需要布置中深降水井进行疏干降水，降水目标水位取坑底下1.5m。
4.3.2基坑涌水量计算
中深井降水基坑出水量计算可根据地下水类型、补给条件，降水井的完整性以及基坑面积、形状、降水深度、布井方式等因素，综合选择计算公式来进行计算。
本基坑面积较大，基坑挖深达15.6～18.08m，属深基坑。
本次降水设计采用疏干降水思路进行降水设计，承压水初始水头取18m，设计目标动水位标高取4.5m，水位降取14.5m，基坑出水量计算采用坑内坑外布井的方式进行计算。
基坑出水量按“大井”法承压完整井公式计算：
Q=2.73kMS
（lgR0-lg
）
式中：
Q--基坑降水出水量（
）；
K--导水系数，按降水经验，取k=16m/d；
S--基坑中心水位降，按上述抗突涌验算，取S=14.5m；
R--降水期间影响半径，取R=220m；
--大井园概化半径，取
=51m。
计算结果：
Q=33678
4.3.3降水井数量计算及布置
根据水文地质勘察结果，取干扰井群单井出水量q=1440m3/d，则需降水井数量为：
根据水文地质勘察结果，取干扰井群单井出水量根据公式计算
q=
式中:
q—管井出水能力（m3/d）；
d—过滤器外径（mm）；
α′—与含水层渗透系数有关经验系数；
′—过滤器淹没段长度（m）；
（d=250mm；α′=50；
′=15.0m）
q=1800m3/d，单井实际出水量取1440m3/d是合理可靠的，则需降水井数量为：
N=Q/q*1.2（安全系数）=28口
经优化布置，天汉降水软件模拟计算后，实际只需25口降水井就能将场地承压水降低至基底以下1.5m，本次未专门设置水位观测井，部分降水井兼作观测井，故降水井总数为25口。
降水井布置时应避开梁、柱、桩等，在正式施工前应对井位进行核对，井位可在一定范围内调整，降水井具体布置见附图一（降水井平面布置图）。
4.4降水井结构设计
降水井井身结构系依据降水地段地质岩性构成、水文地质条件、钻孔工艺、施工要求及有关规范规定设计。
管井深度与过滤管安装深度以开采含水层（段）的埋深、厚度、渗透性、富水性及其出水能力等因素来综合确定，经场地岩土工程和水文地质专门勘察表明：
埋藏基坑坑底下面的下部承压含水层，以下部砂层为主要取水层，井底不宜揭穿该层。
其孔径和井管管径则按反滤层厚度，排水含砂量要求及安泵深度，泵型决定，综合考虑上述因素，降水井结构设计如下：
4.4.1钻孔
井深可根据以下公式确定：
式中:
Hw—降水井深度（m）；
Hw1——基坑深度（m）；
Hw2—降水水位距离基坑底要求的深度（m）；
Hw3—
为水力坡度，在降水井分布范围内宜为1/10～1/15；
=为降水井分布范围的等效半径或降水井排间距的1/2（m）；
Hw4—降水期间的地下水位变幅（m）；
Hw5—降水井过滤器工作长度；
Hw6—沉砂管长度（m）。
（Hw1=16.0-17.95m；Hw2=1.5m；Hw3=可忽略不计；Hw4=3m；Hw5=15.0m；Hw6=未取）
经计算降水井深度为36.5m，综合考虑其它因素，降水井实际深度为35m。
降水井钻探井径550mm。
4.4.2井管
降水井管全部采用钢质焊管，其中井壁管长度为20m，壁厚3mm，过滤管长度为15m，壁厚3mm，管径250mm。
井口根据现场实际情况高于地面0.3m。
4.4.3填砾与管外封闭
自井底至井深15.0m的承压含水层深度段环填硅质圆砾，以形成良好的人工反滤层，在井口至井深15.0m段环填粘土球以进行管外封填。
降水井结构详见附图二。
五、降水预测及降水动态控制
5.1降水水位预测
基坑降水期间，坑内外任意点处的水位降可视为群井在该点水位降叠加，并以此预测降水水位。
水位降预测采用公式为：
式中：
S--基坑内、外任意距离处水位降（m）；
K--渗透系数，（m/d）；
m--含水层概化厚度（m）；
Q--基坑排水量，
；
R--降水期间影响半径，（m）
--任意点距抽水井的距离（m）。
其计算结果详见附图三（水位降幅等值线图），满足设计水位降14.5m要求。
5.2降水动态控制
根据公式
，的计算结果来确定是否启动降水井以及启动降水井的数量，在土方开挖过程中，根据基坑开挖深度和开挖期间长江水位及场地地下水渗流情况，对降水井运行情况进行动态控制，需开启的降水井编号及降水井数量由设计代表会同现场技术负责人计算确定，以确保降水经济运行且有助于保护周边环境。
六、基坑降水对周边环境影响的预测及评价
从理论讲，基坑降水时，抽降水引起地面沉降影响范围就是抽水水位下降漏斗的范围，并具有离基坑愈近水位降愈大，影响地面沉降愈大的特点。
抽降地下水引起地面沉降原因是：
由于降低承压水水位使上覆盖层浮托力降低，产生自重排水固结压密引起地面沉降；在上部弱透水层中，因地下水水位下降或被疏干，也产生土体自重排水固结压密而引起地面沉降；另外，承压水水位降低后，土体产生的附加有效应力，扣除含水层中水压降低引起的减压后而对其下卧层固结压密引起沉降。
根据武汉地区基坑降水引起基坑周边地面沉降的监测数据表明，在距基坑周边10倍于水位下降值范围处，其沉降量仅为最大沉降量的45%，而相当于30倍水位下降值范围处，其沉降量仅为最大沉降量的12%左右，根据地面沉降等值线图，其最大沉降约35mm，其不均匀沉降率＜1‰，因此对于基坑开挖附近的桩基础建筑物，降水所产生的沉降对其影响较小；但对于浅基础的建（构）筑物来说，降水会对其产生不同程度的影响，但只要降水井的出水含沙量控制好，抽排水量的顺序组织合理，亦不致危害这些建（构）筑物的安全使用。
为安全起见，在降水运行前，应在地面和建（构）筑物布置沉降观测点，在降水运行期间加强沉降监测，及时反馈沉降信息，采取预防应急措施，以确保建（构）筑物的安全。
本工程降水属于减压降水，承压水位下降引起的地面沉降可由以下数学公式计算预测。
式中：
--水位下降引起的地面沉降（mm）；
--经验系数（与水压力的减压回弹和压缩模量取值有关），取0.2～0.5。
--水位下降引起的各计算分层有效应力增量（kPa）;
--受降水影响地层的分层厚度（cm）;
--计算分层数；
--各分层的压缩模量（kPa）。
经天汉软件对地面沉降模拟计算，其地面沉降附图四（预测值详见地面沉降等值线图）。
七、降水实验
2012年3月27日，在王家墩北站进行了一次降深单井抽水实验。
7.1抽水试验井布置
本次降水试验共设置试验井（孔）3口，抽水井1口，水位观测井2口，抽水试验井编号为C1（编号G24），观测井为G1（编号G10）、G2（编号G11），详见试验井平面布置图。
抽水井、观测孔孔径均为φ600mm，井管直径为φ250mm，钢质井管，壁厚≥3.0mm，滤管管眼直径18mm，呈梅花型排列，孔隙率≥15%，上部隔水层采用3-5cm粘土球止水，下部含水层滤料为2-5mm砂砾石。
试验井（孔）参数见下表。
本次降水试验均针对场地下部粉砂、粉细砂层中的含水层。
表7.1-1井结构参数表
试验井号
井深
（m）
滤管埋深
（m）
井壁管长度
（m）
填砾深度（m）
粘土球
砂砾石
C1（抽水井）
35
20-35
20
0-15
15-35
C1、C2
（观测井）
35
20-35
20
0-15
15-35
7.2降水实验结果
C1作为抽水井，井深35.0m，抽取粉砂、粉细砂地层中的承压水，G1、G2观测地下水位变化。
C1与G1、G2距离分别为12.0m、19.0m。
抽水试验于2012年3月27日19:
00开始，抽水3小时30分后水位开始稳定，水位稳定后，延续抽水4小时，测得稳定出水量为64m3/h。
停止抽水后2小时30分后，抽水井和水位观测孔水位恢复至静止水位。
表7.2-1抽水试验成果统计表
井号
C1
G1
G2
静止水位（m）
13.65
13.45
13.50
动水位（m）
19.20
15.35
14.92
降深（m）
5.55
1.90
1.42
7.3水文地质参数计算
根据基建场地含水岩组的水文地质特征及抽水主井过滤器的下置深度及长度，水文地质参数计算渗透系数（k）选用带二个观测孔的稳定流承压非完整井条件下的对应计算公式，即
影响半径（R）计算公式选用经验公式，即
公式
（1）中：
Q=涌水量（m3/d）
M=含水层厚度（m）
r1、2=观测井距抽水井距离（m）
S1、2=观测井降深（m）
S=抽水井降深（m）
ξ1、ξ2分别为开壁处距井rw、r1处附力阻力系数（查表求得）。
根据公式
（1）、
（2），水文地质参数计算结果如下：
K=16.26m/dR=224m
7.4实验结论
（1）基建场地地下水类型为第四系孔隙承压水，含水层厚度为30-38m，含水层水力交替循环条件较好。
（2）含水层渗透系数（K）16.26m/d，影响半径选用224m，与设计参数基本一致。
（3）降水井深度以35m为宜，降水井单井出水量以50m3/h为宜。
八、施工要求
8.1钻孔
钻机安装平稳，确保钻孔圆正、垂直、孔斜不得超过1.5°。
为提高钻探进尺和成孔质量，钻探采用清水冲击钻探成孔工艺，并应符合下列要求：
（1）保证孔壁的稳定；
（2）减少对含水层渗透性和水质的影响；
（3）提高钻进效率，减少孔底沉渣厚度。
8.2井（孔）管安装
井（孔）管安装前，应做好下列准备工作：
（1）根据井（孔）管的结构设计，进行配管；
（2）检查井（孔）管质量，并应符合设计要求；
（3）下管前，测量孔深，使井（孔）管安装符合设计要求。
（4）为减少井（孔）管安装时间，应先在附近地面将每节井（孔）过滤器包扎好，然后用吊车吊装，在孔口再次焊接入孔。
（5）为确保井（孔）管在入孔后位于钻孔中心，使井（孔）管与孔壁间的环形间距厚度均匀，在过滤器与花管部分，每间隔5m，在上部无孔管部分每间隔10m设置扶中器。
8.3填砾与管外封闭
井（孔）管安装并符合设计要求后，及时进行填砾，填砾前应做好下列准备工作：
（1）向井管内送入清水，使孔内泥浆稀释；
（2）砾料粒径规格符合设计要求，砾料应纯净，不含泥土和杂物；
（3）备足砾料和粘土，使之能一次填筑完成。
（4）备好填料运输工具，尽可能缩短填筑时间。
（5）填砾时，砾料应沿井（孔）管四周均匀连续填入，随填随测。
当发现填入量及深度与计算有较大出入时，应及时找出原因并排除。
（6）砾料填筑到设计深度后，再填入粘土球（填入高度5.0m左右），最后填粘土至孔口，并将孔口粘土夯实。
8.4洗井与试验性抽水要求
当井（孔）管安装与填筑砾料、粘土完成后，应及时进行洗井。
洗井的目的是清除井内泥浆，破坏井壁附着的泥皮，钻探渗入含水层中的泥浆和细小颗粒，使过滤器周围形成一个良好的透水人工过滤层，以增加井的出水量和透水性。
洗井可视孔内泥浆稠度，含水层特性与成井时间，先可采用机械方法（如活塞、空压机等）洗井，最后可采用水泵抽水洗井，洗井至水清砂净，出水量满足设计要求为止，洗井时应同步进行降水井与水位观测井的水位观测。
洗井结束后，应测量管内沉淀物厚度，当沉淀物过多时，应采用小抽筒或泵吸法捞取。
洗井结束后，进行单井试验性抽水，以初步确定出水量及动水位深度，为施工降水的运行提供监控依据。
8.5降水井验收及排水含砂量要求
降水井完成施工后，应立即进行逐井验收及群井抽水试验，抽水量及含沙量应符合规范要求，并且降水井应安装水表计量。
降水运行期间，抽排水的含砂量应符JGJ/T111-98规范中的有关规定并满足小于1/100000。
九、施工监测与降水维护
9.1监测内容
（1）竖井基坑支护结构位移和沉降监测，由监测单位负责进行。
（2）邻近建（构）筑物的沉降与变形监测，由监测单位负责进行。
（3）降水井排水流量、水位、排水含砂量及水位观测孔水位监测，由降水单位负责进行。
9.2监测要求
基坑开挖前须做好监测方案和观测点的布置，具体位置和数量由监测单位施实。
采用精密水准仪按有关规范要求进行观测。
观测基准点为2个，设在开挖影响范围外。
在开挖卸荷急剧和降水阶段，应加密观测。
观测资料要及时整理出累计变形量及沉降速率等，并绘制沉降（S）～时间（T）关系曲线图，沉降（S）～水平位移（L）～距离（H）关系展开曲线图。
观测精度及闭合差应符合有关规范规定。
9.3.1降水监测
降水运行前应统测一次井内水位和各井出水量；
抽水开始后，在水位未达到设计降水深度以前，每天观测三次水位、水量；
当水位已达到设计降水深度，且趋于稳定时，可每天观测一次；
如遇降雨，观测次数宜每日2～3次；
水位、水量观测精度要求符合规范规定；
对水位、水量监测记录应及时整理，绘制水量Q与时间t和水位降深值S与时间
过程曲线图，分析水位水量下降趋势，预测设计降水深度要求所需时间；
根据水位、水量观测记录，查明降水过程中的不正常状况及其产生的原因，及时提出调整补充措施，确保达到降水深度。
9.3.2降水维护
降水期间应对抽水设备和运行状况进行维护检查，每天检查不应少于3次，并应观测记录水泵的工作压力、电流、电压、出水等情况，发现问题及时处理，使抽水设备始终处在正常运行状态。
抽水设备应进行定期检查保养，如水泵出现故障，应时更换。
经常检查排水管、沟、防止渗漏。
应备有发电设备，当发生停电时，应及时更换电源，保持降水连续正常进行，确保基坑施工安全。
十、封井措施
降水工程完成后，须对降水井进行有效封闭，封闭原则为“以砂还砂，以土还土”，进行封闭，其上以钢板将井口满焊。
封井祥见附图五（基坑降水井封堵图）
十一、应急预案
11.1用电应急预案
11.1.1双电源保证
在施工现场提供两路工业用电，降水运行中应保证一路工业用电停电后另一路工业用电能及时使用，保证停电10分钟内能将确保降压井的电源得到更换，确保在基坑开挖过程中降水不得长时间中断，否则造成的后果无法估量，影响基坑的安全。
11.1.2电源切换流程
电源切换时电工、发电机工和降水人员要统一指挥，协调操作，各负其责。
切换电源时，各位置工作人员职责如下：
（1）发电机操作工：
在发电机所在位置，迅速启动发电机，待正常之后立即通知电工切换电源；
（2）电工：
位于双向闸刀位置，接到发电机工的指令后，迅速切换电源；
（3）降水班人员：
位于各降压井启动箱和分电箱位置，根据启动箱指示灯状态或电表状态随时合上开关并启动指定按钮。
以上工作人员必须在断电10分钟内各就各位，确保10分钟内恢复降水运行。
11.1.3其他注意事项
（1）切换电源会造成所有水泵停止工作，切换电源时降水人员必须在启动箱旁随时准备启动水泵；
（2）若采用发电机，则先发电后切换电源，且必须在发电机工作稳定后方可切换；一旦恢复供电，先切换电源，再关闭发电机，且必须是在供电工作稳定后方可切换。
11.2降水井应急预案
11.2.1设置备用井
降水井在实际运行中，由于各种原因，可能出现损坏的情况，而造成降水工程的中断。
为了避免出现这种情况，在降水方案设计的时候，考虑在布设降水井的时候适当地布设若干口降水备用兼观测井。
11.2.2启动备用井
备用井在降水运行过程中并不一直使用，但当其他工作井出现问题时，就要立即启用备用井，立即将备用井投入使用，确保降水运行效果。
11.2.3配备降水备用物资
降水井在实际运行中，由于各种原因，可能出现机械损坏的情况，而造成降水工程的中断。
为了避免出现这种情况，在进行物资配备时，应适当考虑配备降水备用物资，在现使用物资出现异常时，及时更换备用物资，确保降水运行的顺利进行。
11.2.4成立降水应急抢险队伍
组织成立降水应急抢险队伍，对施工过程中降水引发的各种异常及时采取相应的应急抢险措施，相应管理人员、成井队伍、降水物资应在5小时内赶赴现场，确保施工安全。
应急处理工作流程为：
发生突发事件→报告公司相关管理部门和总包项目部相关负责人→及时分析事件形成原因→协商达成一致意见→展开抢险工作→完成应急处理并总结相关经验→恢复正常施工。
中铁一局集团有限公司
武汉轨道交通3号线一期工程土建第十标段项目经理部
2012年4月16日
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