井点降水.doc

井点地下工程施工场地 对付地下水的首选措施 王引生 上海市市政工程研究院 高级工程师 摘要 目前在地下工程施工场地对付地下水的措施，有槽钢板桩、锁口钢板桩、地下连续墙、钻孔灌注护壁等等，但以井点降水（根据场地条件适当护壁或放坡）最为简单和经济，应属首选。井点降水时井孔灌砂“通天”出水又清，则对邻近的影响不大。 采用井点降水方案，抽水降低地下水位时，经预抽期（砂性土约5天，粘性土约7天）后，可以在尚未开始挖土之前，从观察井测得的数据，判断是否已经达到预期需要疏干的降水深度。达不到要求时还可以及时调整井点降水布局再试。决不会因此发生任何施工事故。但其他施工方案则往往要在开挖后才能判明效果，如果不行则为时已晚，往往容易发生事故，非得立即采取补救措施不可。此时常采取的补救措施却主要是井点降水。 一、前言 在上海等软土地基中开挖施工时，由于当地的地下水位很高，非但造成施工困难而且极易引发塌方和涌土等工程事故。因此选取对付地下水的具体措施是极为重要的。作者长期从事地基基础方面的工作，但由于本人主要是在市政工程单位工作，却也有机会参与了一些建筑工程方面的工作。好得两者在地基处理问题上，只是规模大小不同而已，而是具有一定的共性的。本人认为对付地下水的各种措施中以井点降水最为有效和经济。应属首选，见图1。兹将深入工地，亲身经历和见到的一些情况及处理措施介绍于后，并对社会上对井点降水的认识不足，以致产生的担心，顺便进行解释，以供大家参考。 图1、井点降水术语图示 二、 真空、大气压与井点降水 “真空”是相对于大气压而言的，见图2。在日常生活都处在大气压力作用的状态下时，大气压的存在是不显眼的。人们习惯上以超过大气压之值称作“压力”。这就是工程上习用的“相对压力”，其值可以用压力表测读。但在物理学中则把当地的大气压也考虑了进去（即加上去），改用“绝对压力”表达。只有在什么都没有的真空状态下绝对压力才等于“0”。井点降水系统中的水射泵井点等是利用对管路抽真空在压差的驱动下运行的。所用的真空表测读的“真空度”，却是以小于当地大气压之值表达的，并不是绝对压力，所以也归入相对压力范畴。有的压力表可以兼测真空，其值在表面上以负值表达。在上海这样低海拔的地区（接近海平面）其大气压值就是“标准大气压”：10.33mH2O、760mmHg或0.1013MPa。 绝对压力 P 相对压力 P 大气压 Pmax （随当地当时情况浮动） 残余压力 Vr 最大工作真空度 Vmax 引射压力 Vd 工作真空度 V 图2 压力术语及其关系 大气压直接作用到地下水面上时只影响地基中流体（水） 的“中和应力”。但对地基通过覆膜等措施，使得大气压作用到了土颗粒上，再间接作用到下卧土体的“粒间有效应力”上时，大气压就成了附加荷载（相当于约10m的水柱压力这不是一个小的数值），就会引起下层土体的固结，造成沉降和影响邻近建筑。井点降水的井孔不封口，并用砂滤料将孔“通天灌足”成为砂井。使大气能够畅通穿过砂井，而不使附近地层内形成真空，避免地面沉降影响临近建筑物，这是作者通过实践，打破国际惯例，取得的重大突破。同时还可以避免井孔内水位下降时可能引发的塌孔缩颈。 井点管路在水射泵抽汲下，当孔内水位已经降至滤网上孔时，形成的真空沿立管的变化情况，见图3。从中可以看出愈在抽汲上游，真空度愈高，所以管路接头必须密闭，漏气会降低真空度。影响利用“真空”降低地下水位的效果，甚至使得整个井点降水系统失效。 图3 沿井点立管的压力分布 另外，打破了井点孔要封口的束缚，提倡井孔内的砂井愈漏气愈好后，打井时就不必担心井孔间距太近和井孔互相穿透的顾虑了。更可以在一个井孔内沉入两根立管加强出水，或腾出一根作为测定“井边降水深度”的观察井之用。也可以在遇到障碍物时，适当灵活地改变井点间距。除此之外更发展了“内井点布局”。 三、内井点布局和节约场地 以往错误地要求井点孔封口是为了防止井孔漏气，以致陡使增加了离开基坑周围约1m布置沉设井点用的单独专用沟槽。作者创导了井孔不封口后就得到了解放，完全可以将井点直接打在基坑内侧，例如藏在基坑一侧的板桩腹腔内构成“内井点布局”。基坑没有开挖前打井时井孔中灌入的砂滤料，完全可以随着基坑的逐步开挖而逐步挖去。对井点降水的效果没有影响。如果是放坡开挖也可将井点布置在边坡上。内井点布局可以节省施工场地，同时也减少了对邻近建筑的影响，一举所得，值得推广。这里应于说明一下：为了施工，人工降低地下水位，井点的滤网是必然布置得低于基坑开挖深度，因而在施工全过程中都不会被开挖出来的。但井点立管被挖露后的稳定性应当加以考虑。除了把井点总管刚性连成整体外（用闷板或闸阀按机组分割），基坑开始开挖初期，加添在上口的水平内支撑框架正好可以予以利用。对于市政工程，内井点布局在开槽埋管工程中可以省却槽外另辟井点沟槽，减少施工场地，改善路面交通放行能力。 用过内井点布局的工程，见表1。其中文汇大厦在内井点降水条件下，开挖过程中对周围建筑物几乎没有影响（不包含拔除原有地基只的木桩等）。 表1 内井点布局实例：工程名称地上层数 其及高度m 基础类型 基底土质基坑尺寸 宽长深m井点降水 立管长度m商检大楼12层 531层箱基 粉砂27.039.74.77联谊大厦28层 102.51层钢管桩+箱基 粉质粘土32.653.75.68文汇大厦22层 90.71层钻孔灌注桩+箱基 粉砂2231.56.388四、降水效果的标志 井点降水的目的是要把地基中的地下水位降下去。应该通过观测井观测关键部位的水位是否已经降低到了预期深度。而不是以井点泵体的出水量多少来判断。有的地层渗透系数小或者是水文地质来水方向供水量低，都会造成出水量小。所以应该以观测井内挂线或用微安表量出稳定后的降水深度，判断降水效果。 井点降水系统抽汲一定时间，地层水的来水量与井点的出水量达到“动态平衡”就会出现稳定的“降水曲线”。此后水射泵的出水量就会停留在一个稳定数值上，同时水射泵真空表上的工作真空度也会在一个稳定的数值附近晃动。只要工地上水射泵的地位放得恰当，远处就能对真空表指针的指向及出水量进行观察（要使工地上任何人都能随时望及。以利监督）。没有突变就表示运行正常，表明降水曲线也很稳定，降水效果就能够保证。稳定后的水射泵出水量可以用塑料袋、马表和弹簧秤多次测定的平均值确定。 稳定降水曲线形成后，夹气抽水，真空表在晃动中时常会出现瞬时的呆滞，其数字应该近似地为： V -0.01H 式中，V为真空表读数（MPa）； H为抽汲高度（m），亦即是从井点立管滤网上口至水射泵汲入口之间的高差。 五、对邻近的影响问题 对邻近建筑物或邻近地面的影响是采用井点降水者最担心的问题。施工中弄得不好，只好在翻浆冒泥状态下抢工，往往会引起塌方滑坡影响邻近。同时也是以往沉井封底后还会下沉，不易掌握竣工标高的难题。所以对采用井点降水有人产生担心也是有道理的。这是降水机理及其技术措施没有跟上的缘故。只要掌握住了本文的要点，现今应该已经不再是问题了。 市政建设上使用的井点降水，基坑施工范围内一般也只是把天然地下水位下降一、二十米。在基坑外，除紧靠井点的外侧，则水位下降不大（水射泵井点尤其如此）。若隔有挡水的板桩等措施，则下降更小。只要地层中不发生真空，就只有原天然地下水位和降水曲线间那部分土体的有效重量（从浮么重向干么重转变）的增加，会引起下卧的软土层产生固结沉降，但其数值并不太大。作者亲自用精密水准在五角场泵站（沉井，内径20m，刃角开挖9.75m，粉砂粘土互层，JS-45型水射泵井点，9m立管，落深2.5m 布置）、江南造船厂人防等紧靠井点旁测得的沉降也只有12cm,若在远离56m（相当于一个车道）也就没有什么影响的了。但是若是井点立管下端的滤管包扎得不完善，造成井点出水长期浑浊，带出地层土颗粒甚至把地层掏空，则引起邻近地面的坍塌，其幅度就无法掌握了。更有甚者土颗粒是随“流砂”从远处带来，引发那边地坪和路面的下陷。所以井点降水系统开启后发现出水长期浑浊（初期是允许的，让土层中的一部分细颗粒随水带出，在周围构成“倒滤层”）以利出水畅通），就必须将漏泥砂的井点管检查出来，予以更换重打或放弃。还有刚开始井点系统抽水时，井孔内地下水的急剧下降也会引发孔壁的崩坍，带动周围土体坍落。这些都是对邻近产生影响的主因。若是已经掌握好作者倡导的将井孔用砂滤料通天灌足，这些情况也就不会发生了。 苏州雅都大酒店主楼桩基基坑，八角形内切圆，内径42.8m，由落深2.5m放在边坡台阶上的4台JS-45水射泵井点，8m立管，汲水扬程8.5m，降水保护，在细砂承压水层中开挖7.6m。虽然附近居民水井几乎被抽干要改供自来水维持，却没有影响到该建筑所在的三香路对面已竣工的高层和邻侧的微波转播塔，获得了大家一致好评。 六、对井点降水掌握不住而产生的一些怪现象 由于对井点降水掌握不住，出现的一些较典型的怪现象有：1、 有人不从井点降水的机理上去解决问题，却胡乱地要求对井点抽水泵采取停停抽抽、抽抽停停，用以减少施工场地地下水位的降低幅度和地面沉降。此法非但没有科学依据，并且无法掌握，难以执行。现在我们使用JS-45型水射泵井点，只要根据需要确定井管滤网上口的标高（井点降水的布局），开始抽水后完全可以达到“自动控制运行”，几乎可以无人照管，反而需要连续运行（水射泵的每次停顿也会反冲扰乱滤网旁的砂井倒滤层，重新开启再形成后多少会使得倒滤层的透水性有所降低，所以不宜多次停泵）。而且井点降水主机既无噪声又无污染。甚至水射泵水箱盖内的水循环还会散发出负离子，改善环境。2、 一位工程师对井点降水尚称熟悉，但对沉井施工中可能发生的坍方涌土等现象，及其影响封底和周围建筑，仍是怕得要命。以致将四平路嘉兴路桥堍的一只沉井设计得外侧带有一个台阶，上注“触变泥浆”防止周围坍方。触变泥浆的特性应该是在受扰动时呈流动状态，静止下来就变成固体状态而具有握固力，但在上海作者还未看到过这种实例，本次当然也不例外。更有甚者还担心开挖时沉井内腔发生管涌，竟将沉井的刃角长度设计得超过了沉井内部需要使用深度（一般的设计是从留供底板的糟口往下约1.5m，布置刃角用以切土即可），使得施工中增添了许多开挖工作量和困难。3、 鞍山泵站沉井为了担心发生超沉，先在着力层处采用了注浆加固，还片面地将加固层面抛高和范围扩大，造成了后打的井点滤管搁住插不下去，滤网上口达不到降水要求所需标高，影响了封底前的顺利开挖。这种顾此失彼应当尽可能加以避免。4、 文庙防空洞施工时将不同层高的两组井点合用一台泵拖带，造成了汲程小难控制，引起坍方。后来虹口人防等吸取教训，开挖时临时发现暗浜就另外布置一路井点抽汲。更值得一提的是：在井点总管上“抽头”兼抽坑底明水，这会大大降低井点降水系统的工作真空度，破坏整个降水效果，而且会在开挖较深时引起工程事故。这是贪小失大、得不偿失的。应该另设小泵予以解决也是这个道理。还望切切注意。5、 人民广场地下车库采用喷射井点降水，已挖至标高时再对边坡添加钢丝网水泥护坡，构成坡内产生真空，反而引发了大面积滑坡。按：护坡只为挡土，对坡下土体却仍需保住透气，瑞金宾馆施工时就是如此。其机理与井孔不能封口同。否则引起坍方等等，往往反而会归罪于井点，但这是可用在未做护坡前的情况加以判明的。6、 龙华公园门前排管时长度不同的两组立管合用水射泵抽汲，开挖前正逢结露天气，只见一间一地立管上口结露明显，表明(并联布置)立管短的“上水”较好。这是在不正确的老传统技术思想指导下，施工人员认为：地层中存在着两个透水层就应该分别采用两组滤管对付。但又没有相应地分用二台水射泵携带所致。其实采用了我们创导的井孔灌砂通天措施，孔内的砂滤料就是竖向流水通道，开放了的地层中的来水，不分层位都会在重力作用下向之流来，然后在井点的作用下被抽汲上去。根本就没有必要再用“大猫钻大洞，小猫钻小洞”式的形而上学布局的。7、 研究设计院在一次对沉井进行调查研究时，却没有按照“去粗存精、去伪存真”的教导，把正常施工与带“滑溜”下沉的沉井一并加以统计（后者应属不正常施工，最后往往需要枪封底等应急措施），得出了井壁可以做到只需3040cm厚的“薄壁沉井”（顶端钢筋之间足都插不进去）。指标是先进了，却苦了施工单位。以致使得正常施工状态下沉井的自重克服不了井身周围的摩擦力，后期要添加“强迫下沉”等技术措施。大家知道沉井下沉过程中静止下来后，土体对它的摩擦力会随着时间逐渐从动摩擦向静摩擦增涨，而且“日长夜大”。寻找钢锭等压载就成了“燃眉之急”。长白泵站沉井外圈用水射泵井点降水，在粉砂地层中不发生塑流状态下正常下沉时，就曾如此。这种情况不断地发生，弄得排水泵站沉井施工的市政二公司。计划自备钢锭堆场以应付急需局面。而同在上海的基础公司受理的沉井壁厚一般在80cm以上，就不会发生沉不下去的问题（湿法施工时。要求井壁更厚）。这种过分薄壁沉井的出现，也是对井点降水的作用考虑不周的缘故。 七、介绍JS-45型水射泵井点降水系统 水射泵是群众大搞人防工程时，有人将医药系统习用的部件借用过来降低地下水位，被虹口区防办看到后加以推广开来的，当时曾称作“射流泵”。JS-45型水射泵则是再经城建局科技处的组织，由作者（土建）与原市政302队（机械方面力量）经过多次试验，累积了千百个数据，不断摸索不断提高，共同研制成功的。见图4。 以致其性能比原先人防系统的提高到了3.86倍。加上其不经“转手”，直接抽汲地下水使得降水深度比原先的机械真空泵骤增2m。成为井点降水机组的新一代产品。作者以其主件是水水喷射器故定泵名为“水射泵”。一方面可以有别于井点降水系统中先此已有的“喷射井点”，另一方面又可不与用作自动开关“射流”（当时有一科普小册子）发生混淆。 JS-45型水射泵的特性指标达到了： 残余压力 6102 Pa(相当于6 cmH2O); 流量指数 610-2 (L/s)/Pa1/2 水射泵的性能指标没有成规可循。但应该有两项指标是无疑的： 一个是表示抽汲高度的指标，在上海最大抽汲高度可以达到（10.33-0.06=）10.27m。其中的9.5m定为“实用最大抽汲高度”，（包括立管9m及汲入口高度0.47m）留下0.77m的“水头”供井点降水系统内水的驱动之用（抽汲高度9.5m时驱动里更大，可以多带井点）。但大气压值是随天气浮动的（见图2），尤其与所在地的海拔有关。所以还得换用不受大气压影响的残余压力（属绝对压力）了表达。亦即水射泵关闭主机闸阀，不抽水而闷抽时，达不到绝对压力0的差值。 另一个是表示抽汲能力的指标，经过推导我们采用了流量指数这个指标。它是主机在单位“引射压力（相当于最大抽汲高度的最大工作真空度与其实际工作真空度间之差值）”下的流量数值。从推导中可以看出它具有一个特别的单位（包含进了压强-1/2）。但却可以用来运算，判别水射泵主机出水量是否已经超过携带极限等等（一般不会发生，本处从略）。 其与已被淘汰w4机械真空泵（一种为抽气设计而移用至井点降水间接抽水的设备）相比： 外形体积1/5、泵体自重1/6.5、单价1/5.4、耗电1/23。而且汲水扬程骤增2m。相应的管路也有所减小：立管 11/4”、总管21/2” 其上的抽头间距1m。 总管用法兰盘连接，保持一定的刚性，如果能组成水平框架更好；立管与总管用绕有弹簧半透明塑料软管连接，防止次应力引起立管折断。泵体与总管也用大尺寸的类似塑料管连接，并可以按所需程度切割，使能将出水引向合适的去处。水射泵因为轻巧，只要防止其电动机浸水，就能“落深放置”增加降水深度，甚至使得总的降水深度超过9.5m。 JS45型水射泵的水箱设计得向大气开放。亦即是只作单纯抽汲地下水之用，而不再利用其压送抽上来的地下水，因为经过泵体后，地下水已从“暗水”变成“明水”，将其排放不再是个难题。添用小泵等接力输送就是了。而且这样的设计还可以从水箱的出水口直接观察到井点系统的出水量极其是否变清，更可以打开水箱盖从泛泡情况凭经验判断井点管路系统是否存在漏气及所带井点支数是否合适等问题。这些因数对井点降水的效果都是非常有关的。最近改用粗的半透明塑料管将泵体与总管连接后（必要时上覆走道板等跨越），更可以把水射泵直接放到窨井口等出水，那就更加方便了。 曾在华亭宾馆工地9.2m立管的试验中，实测证明水射泵井点的降水深度比机械真空泵多出2m。最近同济大学又在一般常用的6m立管现场，证明两泵在单纯换泵抽汲的条件下。出水量相等，降水效果也完全一样。但水射泵设备轻巧、占地面积小、台班费省及其管理方便，就显示出其优越性了。 八、水射泵扩大工程应用的可能性 水射泵井点的典型落深放置实例：1、 原铁道学院用沉井筑成的三层人防工程，在计划用搁板法封底时，搁板用的横梁就是克服不了底部涌土，而开挖不出底面埋深9.9m的梁槽。经与作者合作，用早期的水射泵吊置在上一层的横梁上，再下承盛水木桶，内放潜水泵往上接力（8m）送出地面。由于粘性土质再插入铁棒（作为阳极及利用井点立管作为阴极）添加电渗，很好地完成了封底任务。使得该工程能一度作为学生乐队练习活动的场地之用。2、大木桥路泵站大型方沉井，由于井点降水沉设不佳（因开挖已深而且原井点又是连续成批死井）无法开挖到要求深度。经作者建议在底部沉井内侧再加一级内井点降水，结果就能顺利地加深了开挖。地下工程中发展起来的“逆作法施工”，是从地面向下逐渐一层一层地开挖构筑的。在每层开挖之前，可以逐层布置水射泵井点（与明挖施工时的多级布置相似），并用接力输送的办法向地面出水。这是水射泵井点工程的发展方向。九、结语 本文中的一些实例都是在当时的有利条件下取得的。对于井点降水目前的情况，则主要是今后如何使得施工单位乐于采用的了。 由于井点降水作为地基基础的一项施工措施，非但费用低廉而且还有如本文所述的诸多优点，所以应该首选是不应该有异议的。作为工程技术人员，决定措施时非但要考虑其可靠性，而且也要考虑其经济性。施工措施不当而造成事故，大家知道是要追究责任的；但浪费人力物力是不易发觉而容易被蒙混过去的，只有靠提高工作人员的素质来解决了。