浅井明沟降水深挖取土施工技术.doc

平原高水位地区浅井明沟降水深挖取土施工方法简介
随着国民经济的快速发展，公路铁路新建、改扩建工程日益扩大，路堤大填方工程的土源问题已经成为公路铁路施工中的主要问题。环境保护工作以列入国家行政主管部门议事议程，我国人均占有土地面积很少，基本建设工程占地及用土量每年以亿立方米计算。保护环境，减少占用耕地面积，已成为建设单位、设计单位、地方政府及施工单位首要考虑的问题，而解决平原高水位地区的土源问题则是施工中的关键。
以前在解决平原高水位地区土源问题已取得了试验性成功。新荷线新乡南站贾屯取土场位于平原高水位地区，它利用深井降低地下水然后深挖取土的办法获得成功。当时称这种方法为“深井降水深挖取土施工方法”，此种方法的技术关键是：如何解决高水位与深取土之间的矛盾。而就其方法而言目前尚未取得一个供推广使用的系统性模式，必须根据工程水文地质条件和队伍的机械化装配程度而定。若把这一方法看做一个系统进行研究的话，名称则反应了对这一系统的目的和概念的认识。所以在后面的介绍中将改用：“井点降水深挖取土施工方法”。“井点”这一名称较比“深井”这一名称加深了内涵，它不但包含了各种结构形式的井，还包含了各种结构形式的泵。
荷兖线刘庙区段站大屯取土场通过试验比较后系用明沟结合浅井的降水取土施工方法获得最佳效益。实践证明：解决高水位与深挖取土的方法和途径是比较广泛的。因此把这一方法称做：平原高水位地区井点降水深挖取土施工方法。凡是在此种水文地质条件下为此目的所采用的各种技术均属于该系统范畴。
本篇主要介绍荷兖线刘庙区段站大屯取土场的施工技术及有关问题。
1、自然条件：
该地区属鲁西南黄河冲击平原，以农业为主，人口密集，人均耕地占有面积2.3平方米左右；生态环境脆弱，乡镇企业逐年增加，加之基本建设用地量大，导致耕地面积逐年减少。
2、地下水情况：
本地区地质情况比较复杂，自原地面以下4--6米深度为一弱含水层，地下水为潜水，其主要补给来源是大气降水，雨季地下水位可上升至地表，旱季地下水位可降至地面以下2.5-3米，应该含水层较薄，土壤颗粒较细，一般在0.25-0.005mm之间。经试验测定，土壤的渗透系数0.5米/昼。无论是雨季还是旱季，一场雨水过后地下水位都会产生明显变化。地面以下6-14米为一隔水层，主要以结合水存在。土的物理状态自上而下为软塑、硬塑，软塑成正态曲线，自地面以下16米是一承压富含水带，承压水头距地表4.5米。
3、土的工程性质评价：
在设计开挖深度内，土质基本为B级填料，只宜填在路基底层。土的干强度很低，用手指捏碎，松散干燥的土被风吹浊，含水量大于30%时流淌。因此填筑路基后边坡需加防护。该土壤振感反应强烈，当土体含水量大于26%时，碾压后易液化成胶状，俗称橡皮土，低于18.3%时很难压实，在6.0米以内的土体中，将0~2.5与2.5~5.0米两层土质相混合后再行填筑,其最佳含水量是18.3%,最佳密实度为1.62g/cm3。这样既利于晾晒又易于碾压，下沉量小于0.5%。
4、取土场平面位置及地形环境
为避免占用现有耕地，保护自然环境，取土场选在原砖瓦厂取土坑，设计去土量60万立方米。该取土场南北两侧邻排水渠，利于排水作业；北、东侧与养鱼池相连，坑内渗水量达4-6m3/h；西邻麦田。坑内中区较南北两区平均高出0.9米，坑内较坑外平均低1.2米。原砖瓦厂取土坑面积约6.5867万平方米，计划取土30万立方米。
三、深井抽水试验：
1、目的：按正常施工程序应在取土场确定后进行详细地地质勘察工作——钻探。但由于物质条件和时间限制，为满足施工要求，于是提出打井前用大锅锥方法，既打了井又取了原状土样，可近似代替钻探工作，试验与使用相结合。在经济上是合理的。此取土场共打四口
∮500mm h30m试验抽水井，四口井中，原状土化验结果表明无明显差别；于贾屯相比虽同属于黄河冲击平原，但因所处地理位置、气候条件、水文条件、形成年代不同，土结构及其物化性质有所不同。贾屯取土场3.0米内皆为粉粘土，再往下皆为粉砂至中、粗砂；而刘庙大屯取土场17米才出现砂层。根据上述条件，得出结论：单纯挪用贾屯取土方是不可行的，所以必须视大屯的客观条件、工期要求、机械设备和队伍素质确定施工方法。
2、四口试验井抽水成果：
A、井的平面布置，结构尺寸和基本数据：
观1

1# 3#
30m 观3 观4 观5
观2

2# 4#
30m 20m 25m 30m

基本数据表
施工时间2002年4月
井

号
建
井
时
间

井口相对标高

m
井结构尺寸
井管材质

潜水泵型号
备注

内经

m/m
进口无效管长

m
外经

m
沉淀管
长
m
设计
井
深
m

实测井深

滤管长

型号

功率

kw
扬程

m
抽水量
m3/h

管径

m/m
1
4.7
0
400
2
500
2
25
24.5
21
无砂管
8jq50
-17
4.5
17

50
75
(1)实
测井深以1号井口为基准

2
4.1
0.36

400

3

500

2

25

24.6

21

无砂
管
8jq50
-17
4.5

17

50

75

3
4.1
0.5

400

3

500

2

25

24.8

21

无砂管
8jq50
-17
4.5

17

50

75

4
4.8

0.3

400

3

500

2

25

23.7

21

无砂管
8jq50
-17
4.5

17

50

75

观1
4.9

0

50

60

15

硬
塑

观2
4.1

0.9

50

60

15

硬
塑

观3
5.1

0.8

35

40

15

硬塑

观4
5.1
0.7
35

40

15

硬
塑

观5
5.1
0.7
35

40

15

硬塑

B、四口井抽水试验动水位线及各井降深值, 如下图.

抽水井
观测井

C、深井抽水试验结果分析：
1、本取土场潜水埋藏深度只有6米。其下部为（6~7米）不透水层，潜水面为：水平面，无潜水盆存在。蒸发作用是潜水的主要排泄方式，此地区为HCO3型潜水。潜水位不能在短期内达到稳定或大幅度下降，原因是6~7米为不透水层，6米内是弱含水层，土渗透系数K=0.5米/昼（贾屯K=18m/昼）所以在抽水试验中，四个井中的水位最大降深值仅2.0米（最大降深值指的是抽水达到一定时间后停抽，此刻所达到的位置）。当水位连续抽至地面以下11.3米时，涌水量200m3/h，这主要是抽取下层承压水所至，此时抽水井位旁观测井水位隆至7.0米，原因是观测井处在大井砂管反滤层中，水跃值（抽水井与观测井1# 2的水位降程差）较大为5.0米。（土质K渗 值过小所至）
2、从主观上分析，地下水位的主要降深不大，与井的设计结构和建造质量有关：井壁外包棕皮，由于水的表面张力作用，棕皮加大了水头作用；另外井壁周围砂反滤层过溥（10~15cm）也是造成降水效果不好的主要原因。深井降水施工不是最佳方法。
3、最优方案的选择
选择方法是在可行性基础上对各系统、施工队伍素质、机械装备能力及其系统兼容性等进行比较。经比较认为浅井明沟方案为最优施工方案。
四、浅井明沟方案的施工程序和方法
1、 施工程序——如下图所示（网络图）

2 5
1
3 6 7 8
4
说明：1 浅井明沟设计，排水管路、电源线路规划设计。
2 建井施工。 3 电源线路安装。 4 水泵、抽排水管、输电线路等物资筹备。
5 抽水设备安装 6 输电线路架设。
7 抽排水施工 8 开挖名沟（循环作业）。
施工时应注意在地下水埋深小于1.5米时必须先利用浅井抽取地下水，待水降至稳定水位后再开挖水沟，如使用反铲挖掘机挖的话，应考核地基承载力，勿使机械陷入泥土中；雨季施工应注意尽量使挖出的土体立即远往卸土场晾晒，这样即可避免二次挖装，又可减少再后冲积，或尽快在现场晾晒压实做成顶面三角形排水。边坡应在1:1.3~1:1.5之内，避免雨季塌方导致土方浪费，达不到设计开挖要求。土堤做成路拱，及时排水。沟内不得有积水。
浅井作用是：开挖前降低地下水位，为机械开挖创造条件；开挖后起集水作用，使沟坡渗出的水和大气降雨及时汇入井内排走。还可为抽水提供良好的工作条件。
高水位时浅井明沟排水工作原理如下图示。

原地面线 静水位线

动水位线
沟底线
浅井

当旱季地下水位较低明沟需先开挖时，也可用机械代人工开挖，因为机械开挖明沟必须具备两个条件：1、水位降至施工平面以下1.5米；2、土体含水量小于26%，即土体达到足以支承机械的最大动荷载。第1个条件是根本的，水位不下降，土体内结构水是散发不了的。而建井施工则不必此条件也可。用机械在旱季代人力开挖明沟可减轻劳动强度争取时间，降低成本，增加效益。
浅井明沟方法起主要作用的是明沟。明沟渗水截面远大于井避，对K渗 值小于1米/昼的土质完全用井来降水既不经济又满足不了施工要求。本取土场土质由于振感反应强，明沟开挖后土堤内地下水受机械振动而渗入沟内，起到了很好的疏干作用，明沟作用效果十分明显。
鉴于本取土场开工条件及地形情况采用先沟后井的施工方法，挖沟的顺序是先高后低。但是东区比南区高1m，可东、北区邻渔塘，地下水位较南区高，所以东、北区放在最后，这样，由于先挖部分降疏晾晒作用，为其它各区开挖创造了先优条件（将整个取土场规划成三至五个循环作业区）。
五、浅井明沟的布置及开挖方法
浅井明沟布置
这里应重点考虑两个因素：一是切实达到降排水目的；二是保证施工机械的正常作业和取土坑预留边坡的稳定。
浅井明沟布置原理上根据达西定理Q=kif(Q，涌水量；k：土壤渗透系数；i：水力梯度；f：过水断面积)，因k很小，尽快解决降低水位，疏干土体所含水份，必须加大f值。沟的过水面积远大于井避，f与Q成正比。但虽说f越大，对土体疏干和地下水位的降低越好，可也并非任意的，首先要保证堤宽B=2R+L（R：挖土机最大工作半径：L：安全距离）。本工地使用日本产EX330型反铲挖掘机，R=11.91m，L=2.0m；B=25.82m，取B=25.0m。即可保证机械施工安全。
浅井明沟布置要同排水渠道、施工便道最后取土退路、卸土位置等构成一个统一的体系，互相制约。由于取土场便道受地方民众限定，排水方向、渠道已定，决定了明沟不易过长；而取土场又受渔塘水的干扰，又限定了沟的布置形式应是纵横式。要求井沟同步排水。
沟堤开挖法有两种，一种是同步开挖；一种是沟堤交替法。
沟堤同步开挖法是在明沟的基础上使明沟有序地加深、加宽。加之土堤不断随明沟的加深而降低。并随时向土堤上抛土做为堤的一部分，这样几个土堤互相交替作业，最后将剩余土堤一次取完。
沟堤交替法是在保证汽车运输正常运行、开挖作业正常的条件下，沟堤相互交替进行，同时使沟与堤宽度相等，高差在保证正常排水的条件下保持2-2.5米，但沟堤之循环更变导至运输道路、井位也随之而变，使工地变电器处于动荡状态。这种方法只适于大面积表层取土，对土体晾晒十分不利。
六、施工组织管理工作：
本工点分以下几个子系统
1、 排水系统：
本系统目的是使地下水降至施工平面以下一定深度，并将大气降水和渗透水能及时排走，满足设计要求和机械施工需要。为此而制定一系列技术措施和施工方法并负责实施。
此系统由技术员、电工、降水班组组成。
2、 挖装系统：
本系统目的是接受系统5指令，按指令要求的挖装程序方法进行挖装。完成定额任务并把所遇到的问题及时反馈。本系统由施工员、挖掘机二台、推土机一台组成。
3、 运输系统
本系统目的是完成运输任务，把挖出的土及时挖运到指定地点。由平地机、洒水车、倾卸汽车、路面养护工人组成。
4、 堆填晾晒碾压系统；
本系统目的是根据系统指令解决堆晾晒和碾压问题，使整个系统工作正常，保证质量。本系统由工程技术人员、施工员、试验员及推土机、平地机组成。
5、 施工组织管理系统
目的是接受筛选其他相关系统信息，决策和发出指令。其组成包括队长、技术员、调度员。
6、 机械维修及保障系统
目的是使施工机械完好率。（包括各生产车间的械器设备）。
7、 后勤系统
本系统包括施工材料、机械配备和供应、劳保、卫生保健、饮食居住条件、文化生活。本系统由综合办公室负责。
七、大屯取土场经济效益分析
大屯取土场地处平原高水位地区，位于砖厂残坑，土原液限指数为PT=7。77 属于砂黏土B级细料。在及其困难的条件下，经过科学试验采用沟堤同步法施工，取得了一定性成果。下面对该取土场的经济效益做一下具体分析：
1、 施工组织管理
施工管理工作包括七个子系统。科学技术是生产力，任何一项工作都离不开科学指导，否则终以失败而告终。
卸土场按施组要求分成五个填土后，这样即使运输出的土含水量过大也不怕，因为这 可分别做为卸土 、晒土 、摊平压实 、试验 、机动 。各区循环作业，其间隔时间为5-7天。各区各作业班组都有定岗值班员专门负责管理，即保证了工程质量又保证了工程进度，同时根据设计文件要求和技术规定制定了施工技术要求和安全保证措施，这都是取得好的经济效益的必然因素。
2、 劳力安排和施工机械配备
全队现有定岗职工173名，施工生产实行昼夜三班制作业，后勤保前线，前线保生产，层层负责，奖惩分明。
3、 工程进度
工程进度的快慢是衡量一个企业组织管理是否合理的标志之一，影响工程进度的因素很多，管理上的失误、机械状况的不良、施工的影响，都直接影响着工程进度。此工程工作重点为：保证降排水效果和五个作业区的正常循环作业。在正常条件下，自卸车单车产量为300-- 320方，日平均产量4500方左右。
4、 经济效益比较
设计院指定取土场有3个，1＃即大屯；2＃位于荷泽南站砖厂残坑，因土质不适合填筑路基而否定；3＃位于荷泽郊区27Km处，地形条件好，面积大 黄河沿边，取后可以引黄河水淤积还耕，土质良好，但同1＃土场比，要横跨7个村庄，干扰大，土场内积水无处排放。土方成本要较1＃土场高出1.2倍 ，详见分析表。本土场未占耕地，交还当地政府后，分给村民发展养殖业，效益可观。
结束语：浅井明沟降水深挖取土方法，简单易行，既不占耕地，又不破坏自然环境，还可为当地百姓造福，身受欢迎。实践证明是值得推广的，并在今后的工程建设中不断完善。欢迎各界朋友批评指正。

1＃、3＃取土场经济效益分析表（四）
顺序
成本
占地面积
取土场地购置费
允许取土量
施工便道修筑费
临时便道住地费
变电费
上缴地方管理费
降排水费
生活水电费
人工费
材料支出
费用合计
工期
月出工率
运输时间：每车

元/方
万m2
万元
万方
万元
万元
万元
万元
万元
万元
万元
万元
万元
月
%
分

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
1＃
9.497
6.5867
50.0
23.0533
1.904
13.18
6.0
69.16
35.0
0.6
161
27.0
218.9439
7
77.0
10
3＃
16.491
23.0533
180.0
23.0533
40.824
15.18
10.0
69.16
—
1.4
27.6
36.0
380.1639
12
54.0
80

沟堤更替法、沟堤同步法优缺点比较表（三）
沟堤更替法
沟堤同步法
优点
缺点
优点
缺点
1、 一次性挖深大。
2、 沟堤一次挖成
3、 只要保证抽水的及时可靠，雨季水位在地下1.5米既可保证机械施工正常进行。
1、 因最大挖深低于沟底2。5m而土体含水量大于30%，在卸土场地小，雨季施工期间困难较大。
2、 土体如粘车斗，附助工作量大，降低了运输效率，土体成液状混在路上。
3、 因沟堤不断替换，井的位置也随之改变，浅井寿命短，耗资大。

1、 土体经过两次晾晒后含水量近于最佳。
2、 土体不粘车斗底，减少附助工作量。3、运输效率比更替法高8%。
4、浅井使用寿命长。
1、 一次挖深少。
2、沟底 大于5米高，否则机械无法按要求加深水沟。3、从沟内取出的土体需经晾晒后再装运卸土场，增加了二次装运工作，且增加了二次碾压、摊平工作。