“蓋挖逆作法”開發(fā)城市地下空間降水施工技術(shù)

張志敏，王 湫

（中國二十冶集團有限公司，上海 201900）

隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，土地資源的逐漸稀缺，綜合考慮戰(zhàn)時與平時的人防需要，越來越多的城市在成熟繁華的商業(yè)街道路下修建地下人防工程[1]。因所處地理位置的特殊性，為了減少新建工程對周圍環(huán)境的影響，此類地下工程多采用逆作法施工，基坑需要提前進行降水施工，為基坑開挖和后續(xù)工序創(chuàng)造無水作業(yè)條件。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本人防工程位于某城市鬧市區(qū)，是繁華的商業(yè)地帶，該區(qū)域居民密集，人車流量大。本次地下人防工程全長1023m，人防結(jié)構(gòu)寬度為33.4m，地下二層，人防建筑面積約7 萬m2，頂板厚500~600mm，覆土2.0m 左右，結(jié)構(gòu)埋深約13~15m，負一層層高5.25~5.75m，負二層層高為5.7~7.0m，結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土無梁樓蓋體系。為盡量減少對周圍交通影響，本工程采用“蓋挖逆作法”進行施工，即先做頂板，等頂板結(jié)構(gòu)施工完畢，回填后先恢復路面通車，之后采用“蓋挖逆作法”施工頂板以下的工程。

結(jié)構(gòu)側(cè)墻外采用雙輪銑支護墻兼止水帷幕作為外圍護，其中止水帷幕穿透透水層進入透水系數(shù)較小的粉質(zhì)黏土層。人防工程地下室基底深度為設(shè)計路面（±0.00）以下約13.5~17m 之間，根據(jù)圖紙設(shè)計及降水規(guī)范要求，地下水位應降至基底以下0.5~1.0m 左右。

1.2 地質(zhì)概況

場地處于海相沉積一級階地，經(jīng)城市建設(shè)平整后，地面較平坦，為現(xiàn)狀行車道路及人行道，自然地面標高4.00～4.86m，相對高差0.86m。場地兩側(cè)均為1～16 層已有建筑。道路及兩側(cè)分布地下管（線）網(wǎng)較復雜。

勘察孔最大深度為20.70m，場地的地基土層為第四系海相沉積物，根據(jù)巖性組合和工程性質(zhì)的差異，劃分為6 個工程地質(zhì)層，自上而下分述如下：

①雜填土（Q4ml）：全場地分布，厚度0.4～1.0m，松散～稍密狀，成分以粉細砂為主，夾有少量建筑垃圾，頂部混凝土基路面約0.1m，為筑路人工回填土。

②粉砂（Q4m）：全場地分布，厚度2.5～9.3m。頂板埋深0.4～1.0m，松散～稍密狀，稍濕～飽和，土黃、淺灰色，土質(zhì)不均勻，局部漸變?yōu)榉弁粱蚣毶埃糠趾[砂（石英質(zhì)）較多，夾貝殼碎屑較多，壓縮模量 Es＝7.9，天然重度 γo＝20.45kN/m3。松散～稍密狀，滲透系數(shù)（K）約為 8.0×10－4cm/s。

②1層含珊瑚碎塊粉砂（Q4m）：場地南段（ZK21～ZK34 及ZK55～ZK68）有分布，路段北面未揭露該層。厚度0.90～5.40m，平均厚度2.93m，層頂埋深0.70～4.80m。上部灰白色、底部青灰色，松散～稍密狀，濕，石英質(zhì)，分選性一般，次磨圓狀，以粉砂和珊瑚碎塊居多，珊瑚塊呈細長條狀，直徑0.2～3cm，質(zhì)硬。含少量黏粒及少量有機質(zhì)等，滲透系數(shù)（K）約為 5.0×10－3cm/s。

③粉質(zhì)黏土（Q4m）：場地南段有分布，北側(cè)（ZK1～ZK15 及ZK35～ZK49）缺失該層，厚度1.5～8.9m，可塑狀、局部地段硬塑狀，切面光澤，干強度中等，韌性中等，無搖震反應。層頂深度3.0～8.2m。淺灰黃色，土質(zhì)不均勻，部分漸變?yōu)榉弁?，夾少量中粗砂及貝殼碎屑，為中壓縮性土。

④粗砂（Q4m）：全場地分布，厚度 0.9～10.6m，層頂深度 6.5～12.5m，灰黃、灰白色，稍密～中密，濕～飽和，石英質(zhì)，分選性一般，次磨圓狀，黏粒含量約15%～20%，局部夾含少量石英質(zhì)卵石，塊徑 2～5cm 不等，滲透系數(shù)（K）約為 3.4×10－2cm/s。

⑤層粉質(zhì)黏土（Q4m）：全場地均有分布，未揭穿。揭露厚度1.50～8.70m，平均厚度 4.59m，層頂埋深 11.20～18.50m，平均埋深15.25m，層頂高程-14.25～-6.68m。灰黃、黃褐色，可塑狀～硬塑狀、硬塑為主，土質(zhì)較均勻，切面具光澤，干強度高，韌性較好，無搖震反應，局部含少量粉細砂透鏡體，屬中等壓縮性土。

1.3 地下水情況

場地地下水類型為上部孔隙潛水及下部承壓水，未見地表水系，場地西側(cè)200～300m 為大海，場地東側(cè)約200～300m 為河流。

地下水量異常豐富，滲透系數(shù)非常大，基坑開挖施工應充分考慮地下水對工程的影響，根據(jù)地下水和地質(zhì)情況本工程采用管井降水，降水井有效深度必須進入第④層粗砂。

2 降水方案選擇

2.1 降水設(shè)計要求

（1）根據(jù)基坑開挖深度及施工要求，本工程降水目的和任務(wù)為：①采取分層降水法，層層遞進，在相對時間內(nèi)盡量減少基坑側(cè)翼壓力，增加基坑的穩(wěn)定性；②把基坑內(nèi)地下水位降至基底下50cm 以下，便于土方開挖和基礎(chǔ)施工。

（2）降水工程是為配合土方開挖及基礎(chǔ)施工的前期輔助工程，降水施工嚴格按照現(xiàn)場工作安排進行施工和降水運行，與土方開挖、主體施工等施工密切協(xié)作，保證各方施工進展順利。

（3）降水工程要銜接好每一步工作流程和安排，特別是電源保障、土方開挖、基礎(chǔ)施工和降水運行期間，需各方大力支持與配合，電源線要根據(jù)現(xiàn)場實際情況結(jié)合場地布置進行安排。

2.2 降水運行安排（采取分層降水）

本工程降水采取分層降水法，層層遞進，在相對的時間內(nèi)盡量減少基坑側(cè)翼壓力，增加基坑的穩(wěn)定性，其中成井后可根據(jù)單井的出水量，確定水泵的規(guī)格、數(shù)量及揚程。本基坑內(nèi)降水按土方開挖次序相應的分為三個階段。

第一階段為頂板施工前降水：計劃提前降水至頂板底以下2m 左右，即降至路面以下4.5m。

第二階段為負一層施工前降水（頂板結(jié)構(gòu)已完成）：計劃提前降至負一層中板底以下1.5m 左右，即降至路面路面以下8.5m。

第三階段為負二層施工前降水（負一層結(jié)構(gòu)已完成）：計劃提前降至負二層底板底以下1.0m 左右，即降至路面以下17m。

2.3 降水方法及降水井點的布設(shè)

2.3.1 降水方法的選擇

目前基坑開挖降水方法很多，有深井點降水，集中明排降水和輕型井點降水等。根據(jù)本場地地層巖性及降水深度的要求，為了保證降水效果，本降水工程采用管井降水來滿足開挖基坑與主體工事正常施工的要求[2]。

2.3.2 基坑水量計算

（基坑長度1023m，寬度33.4m）水量采用下式計算：

（1）Q1=V1×E1+V2×E2+V3×E3+V4×E4（基坑內(nèi)現(xiàn)有含水量）

式中：V-各土層的體積；E-各土層中孔隙水的百分比含量。

查勘察報告知孔隙比 e1=0.52，e2=0.54，e3=0.43，e4=0.55。

計算可得：E1=34.2%，E2=35.06%，E3=30%，E4=35.48%。

由此計算可得基坑內(nèi)水量Q1=175301m。

（2）Q2（基坑內(nèi)滲透水、外部水包含降雨等）

綜合考慮取Q2=120000m。

綜上所述：Q總=Q1+Q2=295301m

2.3.3 井點計算

按場地的水文地質(zhì)條件，結(jié)合降水工程條件分析，深井點降水單井出水量、單井內(nèi)水位降、基坑水量以及各層的滲透系數(shù)。應滿足如下條件：

（1）考慮地下水滲流對基坑地基土的影響，單井出水量不宜過大。

（2）基坑降水運行時總排水量應大于計算基坑排水量，Q總=Nq＞Q基，單井出水量選 q=3.5m3/h[3]。

考慮到各土層的單井出水量、滲透系數(shù)、單個降水井的影響半徑以及同類工程的降水經(jīng)驗，井間距取值為15m。

按此計算得：降水井總數(shù)為n=148，如此可滿足上述①、②條件。選用額定出水量3.5m3/h，揚程大于20m 的配套潛水泵。

2.3.4 降水井埋藏深度的確定

降水井深度的確定按公式：

式中：Hw-降水井深度，m；Hw1-基坑深度，m；Hw2-降水水位距離基坑底要求的深度，m；Hw3-ir0（i-水力坡度1/10~1/15；r0降水井排間距的或大井概化半徑的1/2），m；Hw4-降水期間地下水位變幅，m；Hw5-降水井過濾器工作長度，m；Hw6-沉砂管長度，m。

Hw=13.5+0.5+20×1/15+4+1=20.3（m）

2.3.5 降水井點綜述

本次基坑基坑降水采用管井（深井）降水法，共設(shè)置148 口降水井，井間距約15m，降水井深度21m，鉆孔井徑￠500mm。采用￠325×3.5mm 的橋式鋼管濾管，外包兩層密目網(wǎng)（80 目）濾布，外填￠2~4mm 細礫石。

2.3.6 降水井位的布置

由于地下水位埋藏較淺，需先降低地下水位后才能進行主體工事頂板剎肩等部位的施工，降水井應在止水帷幕施工完畢或與止水帷幕同時進行施工。根據(jù)原施工現(xiàn)場情況確定降水工程方案中將降水井設(shè)置在綠化帶中，井管高出綠化帶，電箱電纜、排水管、沉淀箱直接放置在綠化帶內(nèi)。實際在施工路面結(jié)構(gòu)時，由于設(shè)計變更，綠化帶位置變動，使降水井處于機動車道上，對來往交通造成很大影響。

逆作法施工路面恢復后，后期頂板下部主體結(jié)構(gòu)施工前的降水作業(yè)必須連續(xù)進行，在如此繁華的商業(yè)街道對交通影響很大，尤其是位于路面機動車道內(nèi)的大型井點在道路兩側(cè)需布設(shè)降水井，施工作業(yè)且先于主體施工，于主體結(jié)構(gòu)施工完畢后方可拆除，并恢復井點位置處的道路路面，周期較長[1]。為了解決這個問題，研究出一種隱蔽式降水井施工方法，取得了較好的效果。

3 隱蔽式降水井施工要點

3.1 管井井點設(shè)備的制作

管井采用橋式過濾鋼管，外包兩層密目網(wǎng)濾布，過濾部分采用直徑為200mm 以上的鋼筋焊接骨架，外纏鋅鐵絲，再外包孔為1～2mm 的濾網(wǎng)，長約 2～3m，其管身直徑為 200～500mm，排水管宜為50～100mm 的膠管或鋼管，抽水時其下端應沉入管井最低水位以下，必要時應裝設(shè)逆止閥[4]。抽水機械采用全自動小型潛水泵（浮球式潛水泵）。

3.2 管井井點的布置

井點設(shè)置在基坑內(nèi)，井點布置根據(jù)單口井的降水輻射范圍及井數(shù)量來綜合計算確定。井點布置時亦要考慮到提前避開結(jié)構(gòu)樁柱、梁、集水坑等重要結(jié)構(gòu)部位。

3.3 管井的施工與使用

管井井管施工采用商品泥漿粉再造泥漿護壁鉆孔法。即在鉆機鉆孔的同時向孔內(nèi)投放泥漿，護住井壁，以免地下水滲出時造成塌孔。鉆進成孔時，盡量采取快速鉆進，避免鉆進時間過長，鉆具對井壁機械擾動和沖洗浸泡而造成坍孔、縮頸、泥皮過厚等不良現(xiàn)象，以免影響成井降水質(zhì)量和效果。同時，應根據(jù)地層合理選擇技術(shù)參數(shù)，調(diào)整泥漿黏度和密度，在保證孔壁穩(wěn)定的前提下，盡量降低泥漿的黏度和密度，防止因泥漿過濃和失水量過大而影響滲透能力；鉆孔直徑應比管井外徑大150～250mm，井管下沉前應清孔并保持濾網(wǎng)通暢。井管與土壁之間用小礫石填充作為濾層。

下井管時，嚴禁擺動，造成井壁的損壞和坍垮。井管下到設(shè)計孔深位置后，稍微向上拉伸提直，固定在孔口中心，使井孔與孔壁之間環(huán)狀間隙均勻合理，便于填濾料[4]。

3.4 井口處理

出水管位于非通行道路上時，其出水管線可直接留出連至沉砂池。位于道路路面上的降水井排水管可采用暗接處理，即提前將套管（硬質(zhì)排水管）暗埋至道路結(jié)構(gòu)層中，然后連接水泵的軟管穿過此管，降水最終即可匯入市政管網(wǎng)。井口可采用鑄鐵井蓋（井蓋類型以路面設(shè)計荷載為準）封閉，以方便檢修、監(jiān)控及道路通行，具體做法如下：

（1）降水井管外排水選用￠50mm（視地質(zhì)情況而定）透明鋼絲膠管，道路基層施工時提前布局預埋，排水管連接至相近雨水口（雨箅子井）。

（2）選取DN500 球墨鑄鐵重型井蓋以及配套支座。（井蓋大小視井管直徑而定，井蓋類型視道路設(shè)計荷載而定）。

（3）攤鋪道路瀝青前將井蓋及井圈位置預留出來，瀝青層完成之后開始安裝井蓋并施工混凝土井圈固定，以此起到保護降水井口、過程檢修、道路正常通行的作用，如圖1 所示。

圖1 降水井剖面

在出水管暗接的同時，水泵的電線電纜均同樣采用穿套管暗埋的方式連接至周邊的三級箱。

3.5 管井洗井及抽水

下完濾料后進行洗井，水源采用自來水，連續(xù)不斷的往井里注水，下放潛水泵于井管內(nèi)水位以下3m～5m，迅速啟動電源抽水，隨水位不斷下降，水泵也同時下放，直至距井底0.5m 左右為止。如此反復進行，直至抽出的水質(zhì)潔凈、不含泥砂為止[4]。

潛水泵用繩索吊在井內(nèi)，先置水泵深度在降水井下部1m處。然后根據(jù)出水量及降深調(diào)至適當位置，直至達到降水要求。為更準確地控制降水深度，在每口井的水泵上安裝水位控制器；在每個水泵出水管上安裝止回閥，防止在停泵的間隙回水倒灌。

平時應定期檢查潛水泵的機械及電箱電纜部分，如電動機、傳動軸、電流、電壓等，并觀測和記錄管井內(nèi)水位降深和流量[4]。

3.6 管井的保護

在基坑開挖過程中，由于井壁逐漸外露，需要密切關(guān)注挖機等機械在施工過程中損壞到井管及線路等，在開挖等后續(xù)工序中要做好交底并準確放線，土方開挖時在接近井管位置做好標記，井身周邊采用人工開挖。

3.7 井身與頂板及底板的連接處理

與頂板連接時，在穿越頂板位置，管井井身焊接鋼板止水翼環(huán)，柔性防水材料施工時需要將井管包裹至1m 高以上，保證此位置防水效果。與底板連接時，在底板施工時，將管井位置預留出約500~1000mm 正方形大小，待主體結(jié)構(gòu)（包括抗浮層）施工完畢，撤掉井身及水泵，將焊好的約2m 長鋼筋籠下放至井孔中，采用微膨脹細石混凝土灌實，頂板部位采用同原底板強度的混凝土澆筑完成，如圖2 所示。

圖2 頂板施工期間布置（標注為降水井管）

3.8 降水過程中的日常監(jiān)控

（1）降水井要保證晝夜連續(xù)運轉(zhuǎn)，防止因停泵使水位上升，造成“涌槽”事故，現(xiàn)場要配備備用電源，保證連續(xù)供電。

（2）降水運行期間，值班人員不得擅自離開現(xiàn)場，應定期檢查井的出水量大小、出砂量情況、電氣設(shè)備和泵的情況。

（3）制定值班制度，設(shè)專人巡查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

4 降水施工對周邊環(huán)境影響及對策

4.1 地下水流速過快對周邊地基土擾動而產(chǎn)生破壞

采取對策：降水井抽水含砂量須符合國家有關(guān)規(guī)范要求，合理選擇抽水井單井水量、最大允許進水流速、濾水管長度。本工程單泵出水量限定在3.5m3/h 以內(nèi)，防止因出水量過大，地下水流速過急，帶動粉砂涌入井內(nèi)，造成地基土破壞。

4.2 降水引起地面不均勻沉降對周邊建筑物的破壞

采取對策：聘請有資質(zhì)的監(jiān)測測量單位，支護樁施工或降水開始起對周邊建筑物進行沉降觀測，觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，分析原因加以解決。

在基坑外與建筑物之間根據(jù)現(xiàn)場情況施工回灌井，其施工方法及結(jié)構(gòu)均同程降水井做法，回灌井可作為觀測孔，對地下水位進行觀測，若地下水位變化較大，根據(jù)第三方監(jiān)測報告要求，有必要時進行地下水的回灌以保證周邊構(gòu)建筑物的安全。

5 結(jié)語

從本工程的實際降水情況來看，在整個的降水過程中，出水情況均非常良好，經(jīng)取樣測定井點出水含砂量，其標準都在規(guī)范規(guī)定的范圍以內(nèi)，在降水過程中也未出現(xiàn)涌沙現(xiàn)象，基坑穩(wěn)定，開挖過程中基底均較為干燥，基坑開挖施工順利完成。

由于降水井井口采用井蓋封閉處理，井口隱蔽后沒有露出路面的部分，完全不影響道路交通，降水井排水管采用暗接包裹處理，降水最終匯入市政管網(wǎng)。相應減少了多次維修的人工以及材料的投入，大大降低了施工成本，同樣由于降水井口的隱蔽對道路交通的影響減至最小，極大地提高了行人及車輛通行的便利性和安全性，非常適用于位于城市繁華道路，交通通行壓力大的工程。