强烈推荐曹妃甸降水工程设计及项目施工方案方案.docx

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强烈推荐曹妃甸降水工程设计及项目施工方案方案

曹妃甸降水施工组织设计

中国二十二冶路桥工程公司

2006年3月29日

1工程概况1

1.1工程简介：

1

1.2工程特点：

1

2岩土工程地质条件1

2.1地层特征：

1

2.2地下水：

1

3编制依据1

4深井降水工程设计1

4.1深井降水技术方案：

1

4.1.1基坑抗突涌验算：

1

4.1.2降水方案的选择：

1

4.2深井降水基坑出水量计算：

1

4.3降水井数量及布置：

1

4.4降水井结构设计：

1

4.4.1钻孔：

1

4.4.2井管：

1

4.4.3填砾与管外封闭：

1

4.5降水水位预测及水位观测孔布置：

1

4.5.1降水水位预测：

1

4.5.2水位观测孔布置与结构设计：

1

4.6降水辅助设施设计:

1

4.6.1排水系统:

1

4.6.2输电系统:

1

4.7工艺流程：

1

5施工组织及要求1

5.1施工组织：

1

5.2准备阶段要求：

1

5.3降水井、水位观测孔施工要求:

1

5.3.1按《供水管井技术规范》（GB50296—99）规定及设计要求进行施工；1

5.3.2钻探:

1

5.3.3井（孔）管安装:

1

5.3.4填砾与管外封闭:

1

5.4洗井与试验性抽水要求:

1

5.5排水含砂量要求:

1

6施工监测与降水维护1

6.1监测内容:

1

6.2监测要求:

1

6.3降水监测：

1

6.4降水维护：

1

7降水对周边环境的影响1

7.1地面沉降计算预测值:

1

7.2降水对周边环境的影响评价:

1

8周边打桩施工等对深井降水的影响及对策1

1工程概况

1.1工程简介：

首钢京唐钢铁有限责任公司钢铁厂项目包括钢铁码头、焦化区、炼铁区、一炼钢区、二炼钢区、2250mm热轧车间、1780mm热轧车间、2230mm冷轧车间、1700mm冷轧车间、铁路车站区等。

一期工程按形成485万吨年钢坯生产能力，建成2座7.63m焦炉、1台550m²烧结机和400万吨年球团生产线、1座5500m³高炉、2座300t脱碳转炉、1座300t脱磷转炉和2250mm热轧、2230mm冷轧。

1.2工程特点：

1.2.1占地面积大、地质情况复杂、处于新近吹填的海滩上。

1.2.2施工工期长，预计27个月。

1.2.3施工难度大、建造技术要求高。

2岩土工程地质条件

2.1地层特征：

根据冶金工业部勘察研究总院、北京爱地地质勘察基础工程公司和冶金工业部宁波研究院提供的《曹妃甸钢铁基地一期设计阶段岩土工程勘察报告书》，拟建厂区地层分为8层：

第①层吹填土：

浅灰色，主要由粉、细砂组成，含贝壳碎片，饱和，由于吹填时间短，呈松散状态，密实度不均匀，属欠固结土。

厚度0.7m～6.0m，层底标高：

-5.75～0.53m。

第②层粉质粘土：

灰黑色，含有机质及贝壳，有腥臭味，具层哩，夹粉土薄层。

局部地段为淤泥质粉质粘土，呈流塑状态，属高压缩性土，层厚：

0.2m～7.6m，层底标高：

-10.65m～-0.05m。

此层为有机质土，该局部有粉土透镜体。

第③层细砂：

灰－灰黑色，长石、石英质、含多量贝壳，混粘性土，具层理，有粘性土、粉砂夹层，饱和，呈松散－稍密状态，层厚0.5m～18m，层底标高：

-20.55m～-1.6m。

该层1区内分布有③－3层粉土透镜体，第③层细砂在7º地震作用下中等液化。

第④层细砂：

灰－灰黑色，长石、石英质、含多量贝壳，混粘性土，具层理，有粘性土、粉砂夹层，该层局部分布有④－3层粉土透镜体。

饱和，中密，厚度：

1m～25.7m，层底标高：

-31.45～-6.95m，次层可作为一般建筑桩端持力层。

第⑤层粉质粘土：

灰色，含有机质及少量贝壳碎片，呈软塑状态，有腥臭味，具层理，有淤泥质粉质粘土、粉土、粘土及砂夹层。

层厚1m～28.1m，层底标高：

-41.01m～18.23m，次层为有机质土。

该层分布有⑤－1粘土层，⑤－2粉质粘土层，⑤－3粉土层，⑤－5细砂层。

第⑥层粉质粘土：

灰黄－黄褐色，含氧化铁、云母、铁锰结核，具水平层理，夹粘土、粉土、砂薄层，呈互层状。

可塑－硬塑状态，层厚0.9～16.1m，层底标高：

-51.75～-29.39m。

第⑦层细砂：

灰黄－黄褐色，长石－石英质，含贝壳碎片，有粘性土、粉砂夹层，饱和，密实，层厚：

0.5～27m，层底标高：

-73.99～-40.55m。

次层可作为重要建筑桩端持力层。

该层内分布有⑦－1粘土层，⑦－2粉质粘土层，⑦－3粉土层。

第⑧层细砂：

黄褐色，长石－石英质，均粒，饱和。

呈密实状态，层厚：

3.4～6.43m，层底标高：

-81.56～-73.99m。

该层内分布有⑧－1粘土层，⑧－2粉质粘土层，⑧－3粉土层及⑧－6细砂层。

根据本区域可行性研究阶段岩土工程勘察报告，地层及分层的原则是按沉积年代、成因和岩性的分布及物理力学性质确定主层，然后再将各主层中的夹层编为亚层，各层土的编排顺序及参数见下表：

成因

年代

主层

编号

亚层

编号

岩土名称

层厚

（m）

地基土承载力特征值fak（界限值）KPa

压缩模量Es（界限值）MPa

Qm1

①

吹填土

0.70～6.00

Q4m

②

粉质粘土

0.20～7.60

50～90

2.0～4.0

②－3

粉土

0.30～2.20

70～90

4.0～5.0

③

细砂

0.50～18.00

100～130

5.0～10.0

③－3

粉土

2.10～7.60

90～110

4.0～5.0

④

细砂

1.00～25.70

150～180

14.0～16.0

④－3

粉土

1.00～4.00

120～140

6.0～7.0

⑤

粉质粘土

1.00～28.10

120～150

4.0～7.0

⑤－1

粘土

0.70～8.00

120～150

4.0～5.0

⑤－2

粉质粘土

1.50～8.40

100～130

4.0～5.0

⑤－3

粉土

0.80～12.60

140～180

7.0～10.0

⑤－5

细砂

0.80～4.70

200～250

18.0～21.0

Q3mc

⑥

粉质粘土

0.90～16.10

200～240

6.0～10.0

⑥－1

粘土

1.10～7.90

160～230

4.0～8.0

⑥－2

粉质粘土

0.40～10.80

200～230

6.0～8.0

⑥－3

粉土

0.80～16.60

200～250

10.0～15.0

⑦

细砂

0.50～27.00

240～300

20.0～30.0

⑦－1

粘土

1.80～10.50

180～200

8.0～10.0

⑦－2

粉质粘土

0.90～27.30

200～230

6.0～7.5

⑦－3

粉土

1.60～12.00

200～250

10.0～13.0

⑧

细砂

3.40～6.43

250～350

25.0～30.0

⑧－1

粘土

4.70

200～280

15.0～18.0

⑧－2

粉质粘土

10.0～16.8

210～250

7.0～10.0

⑧－3

粉土

2.80～10.4

200～250

10.0～14.0

⑧－6

中砂

9.60

350～400

33.0～40.0

备注：

亚层编号：

1.粘土；2.粉质粘土；3.粉土；4.粉砂；5.细砂；6.中砂；

例如：

⑤－3代表⑤层粉土透镜体。

鉴于拟建场地表层吹填大面积粉细砂，吹填厚度4～6m，吹填土有不均匀性、欠固结、承载力低且易液化的不良特性。

第③层为液化土层，液化指数为0.10～58.46，中等液化。

2.2地下水：

区域内海水深度在0.0～9.35m之间，地下水与海水相通，水位变化与潮汐变化有一定联系，主要受涨落潮控制，水位变化幅度也受涨落潮控制，同时围海造地也对地下水位的变化有所影响。

根据水质分析结果，海水对混凝土具有中等腐蚀性：

对钢结构具有中等腐蚀性；对钢筋混凝土结构中钢筋在长期浸水下，具有弱腐蚀性，在干湿交替下，具有强腐蚀性。

2.3场地及地基的地震效应：

据中国地震局［中震安平（2001）3号］对“京唐港曹妃甸港区地震安全性评价报告”的批复，确认工程场地地震基本烈度为7度。

3编制依据

（1）国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）

（4）国家标准《供水水文地质勘察规范》（GBJ27-88）

4深井降水工程设计

4.1深井降水技术方案：

4.1.1基坑抗突涌验算：

1780mm热连轧厂旋流池设计直径29.0m，基坑最大开挖深度35.0m，坑底标高-30.0m，基坑拟采用地下连续墙作支护结构，墙厚1.2m，墙深53.0m。

依抗承压水突涌计算基坑底下隔水顶板土体最小厚度理论公式：

进行抗突涌验算。

式中

：

—

坑底至承压含水层顶板的土体厚度（m）；

—

承压水水头高（m）；

—

水重度（取）；

—

D范围内土的平均天然重度（取）；

—

坑底突涌抗力分项系数，～1.2。

根据场地岩土工程和水文地质勘察结果，旋流池地段下层承压水水头标高-4.85m，按承压含水层顶板标高-51.65m计，承压水水头高46.81m，基坑底至下层承压含水层顶板土体平均天然重度，按极限平衡条件考虑，即时

即旋流池基坑底至下层承压含水层顶板的土体最小厚度不得小于25.44m，而勘察表明（以A3028号钻孔为例），旋流池基坑底至下层承压含水层顶板土体厚度为51.65～30.00=21.65m，因此基坑底产生承压水突涌是必然的。

根据旋流池基坑开挖深度、含水层特征、工程环境、施工工期，场地类型的复杂程度及降水深度多方面考虑，坑底突涌抗力分项系数取1.1时。

，即，那么，需降低承压水水位为：

4.1.2降水方案的选择：

降水工程设计采用的技术方案，可根据含水层岩性、渗透性及降水深度来确定，而1780mm热连轧厂旋流池基坑开挖深度35m（标高-30.0m），坑底下承压含水层顶板埋深56.0m（标高-51.65m）、降水深度最小需在16.3m以下，因此，只有采取深井降水的技术方案。

对于深井降水，又可依据降水深度，施工要求及对基坑周边环境影响程度，采取减压降水和疏干降水两种降水技术方法。

4.1.2.1减压降水：

减压降水是将承压含水层水头降低到某一深度，以减小承压水水头压力，防止并避免基坑底产生承压水突涌，保证基坑施工安全。

这类降水降低承压水水位幅度小，基坑降水排水量不大，需布置的降水井数量较少，抽降水引起地面沉降影响范围和沉降量也较小，因此工程造价较省。

4.1.2.2疏干降水：

疏干降水是将承压含水层水头降低至基坑底以下，虽然可防止坑底承压水突涌，有利于基坑施工的干作业，但因其水位降幅较大，基坑总排水量大，需布置的降水井数量多，工程投资增大，且抽降水引起地面沉降影响范围和沉降量要比减压降水大，如遇基坑周边建（构）筑物及地下管线密集的严峻环境条件，还需采取必要的应急措施，来预防降水对环境和邻近建（构）筑物、地下管线造成的危害。

以上两种降水技术方法，经多方面比较，采用疏干降水技术方法，既可保证基坑施工安全，又可减小降水对环境的影响，同时节省工程投资。

4.2深井降水基坑出水量计算：

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，合理选择计算公式，来进行计算。

旋流池基坑形状为圆形，直径29m，基坑平面面积660.52m2，坑深35m，属小面积的超深基坑。

基坑降水采用减压降水方案，设计动水位深度21.0m，水位降11.7m，基坑出水量计算有坑内布井和坑外布井两种计算方法。

采用坑内布井，由于基坑面积小，降水井较密集，减小了基坑开挖和结构施工的作业面，虽然坑内布井可减少降水井数量和降低工程造价，然而，也存在不利因素：

⑴密集的降水井减小作业空间，影响机械施工；⑵随着基坑开挖深度的加深，坑内降水井井管临空裸露高度愈大，当基坑开挖至坑底时，井管裸露临空高度达35m，如井管不加支撑固定，一旦遇机械操作稍有不慎，碰撞井管时，后果则不堪设想，将危及施工和基坑的安全。

⑶诸多降水井在旋流池结构施工需要封井，既影响施工进度，又增加工程造价。

两种布井形式比较，我们认为坑外布井不仅安全可靠，对基坑开挖与结构施工及工期也有利，故建议采取坑外布井形式。

坑外布井，考虑到地下连续墙施工有一定的作业面，降水井拟在地下连续墙外围成圆形等距离布置，降水井距基坑中心20m。

基坑出水量按“大井”法承压完整井公式计算：

式中

：

—

基坑降水出水量（）；

—

导水系数，按勘察建议，取；

—

基坑中心水位降，按上述抗突涌验算，取）；

—

降水期间影响半径，取（m）；

—

大井园半径，取。

计算结果：

=2918.2（）

4.3降水井数量及布置：

根据水文地质勘察结果，取干扰井群单井出水量，则需降水井数量为：

取（口）

考虑到旋流池基坑施工期较长，且应有1～2口井作备用，故降水安全系数m取1.2，则设计降水井数量为（口）。

由于基坑降水改变了地下水的渗流场，加之场地地层岩性的非均质和各向异性，为确保基坑坑内承压水水位降深能达到设计要求，以及有利于基坑开挖和结构施工，设计在基坑地下连续墙外围沿圆形等距离布置降水井12口，井间距10.472m，在基坑中心布置降水井1口。

在基坑中心布置1口降水井的目的是：

坑内布井在初勘降水阶段可作为水位观测孔使用，在坑外降水井投入降水运行后，利用坑内降水井进行水位跟踪监测，随时预报坑内水位降深，以利于基坑开挖施工，如若坑外12口降水井尚不能将基坑内承压水水位降深到设计水位降要求时,可将基坑内降水井投入降水运行，以确保基坑最终水位降能满足设计要求，并作为一种应急措施。

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：

埋藏在旋流池基坑底下面的含水层，以粉质粘土为主含氧化铁、云母、铁锰结核，具有水平层，加粘土、粉土、砂薄层，呈互层状。

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。

4.4.1钻孔：

降水井钻探孔径900mm，孔深91m，其中底部1m预留沉淀槽。

4.4.2井管：

降水井采用钢质焊缝井管（直缝），壁厚6～7mm，上部实管（即无孔管）与下部滤管同径，为305mm（内径），滤管为穿孔（条形孔）、垫筋、缠丝（丝距0.75～1.0mm）过滤器，孔隙率30%，管外包14～20孔数尼龙网，过滤器长15m，设置深度75～90m，过滤器底部设长1m沉淀管，上部井管管顶伸出地面0.3m。

4.4.3填砾与管外封闭：

自孔底至孔深50.0m的承压含水层深度段环填石英圆砾，以形成良好的人工反滤层。

在中粗砂层段填1～3mm和3～5mm混合砾料，在粉细砂及以上粉性土层段填φ1～3mm砾料，孔深50.0m以上层段，先环填高度5.0m粘土球，继填粘土至孔口，以进行管外封孔。

封孔目的是将上层潜水与下部承压水封隔，以避免潜水被疏干后排水固结引起地面过大沉降。

4.5降水水位预测及水位观测孔布置：

4.5.1降水水位预测：

4.5.1.1基坑内水位降预测：

基坑降水期间，坑内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

：

—

基坑内、外任意距离处水位降（m）；

—

导水系数，取；

—

基坑排水量，取；

—

降水期间影响半径，取（m）；

—

井数，取（口）。

、…

—

降水井至坑内任意点的距离（m）。

计算结果：

，满足设计水位降11.70m要求。

4.5.1.2基坑外水位降预测：

基坑外任意点处的水位降仍可视为群井在该点水位降叠加，并采用上述公式计算，计算结果，在基坑外不同距离处的水位降见下表：

距基坑中心距离

（m）

20

40

60

80

100

120

140

160

180

220

270

水位降S（m）

11.63

9.41

7.50

6.22

5.14

4.28

3.56

2.94

2.38

1.48

0.49

4.5.2水位观测孔布置与结构设计：

4.5.2.1水位观测孔布置：

a水位观测孔布置目的：

⑴了解降水过程中基坑内外承压水水位随时间和距离的变化规律；

⑵了解降落漏斗的分布及扩展规律；

⑶及时掌握地下水的动态规律，为信息法施工提供依据；

⑷为合理预测地面及邻近建（构）筑的沉降提供数据。

b水位观测孔布置：

⑴坑内:

以基坑内降水井兼作水位观测孔，以观测坑内承压水位随降水井排水量、降水时间的动态变化，根据施工情况调配降水井运行数量和排水量，掌握水位降与排水量、时间的相关关系。

⑵坑外:

根据基坑周围其它施工情况，选择在基坑外的一侧布置水位观测孔3个，分别距最近降水井20m、40m、80m，要求水位观测孔有一定的水位降，坑外布置水位观测孔主要目的是了解降落漏斗的分布范围及扩展规律。

4.5.2.2水位观测孔结构设计:

a坑内水位观测孔:

坑内水位观测孔因兼作水位观测和降水井使用，其结构设计按降水井进行。

b坑外水位观测孔:

⑴钻孔:

孔深90m，与降水井孔深同步，孔径500mm。

⑵观测管:

采用φ100钢质直缝焊管，上部实管与下部滤管同径。

滤管为梅花形穿孔管（孔眼直径φ10，孔隙率15%），外包孔数16尼龙网，安装深度80～90m。

滤管上部实管长80.3m，管顶伸出地面0.3m。

⑶填砾与管外封闭:

自孔底至孔深50m深度段，环填1～3mm和3～5mm混合石英圆砾，孔深50m以上深度段，先填5m高度粘土球，再填粘土至孔口。

4.6降水辅助设施设计:

4.6.1排水系统:

基坑开挖期间，降水排水量将达3000m3d，抽排的地下水需通过排水系统排入下水道流走，防止地下水回灌淹没施工场地。

排水系统一是在基坑外围砌排水沟，排水沟以红砖砌成，采用水泥砂浆抹面、排水沟尺寸500×500，排水沟总长约160m，排水沟出口至下水道入口，排水沟砌修时应有一定的坡降，为掌握降水运行期间，基坑抽排水量的变化，在排水沟出口附近安装堰板，定期进行量测，以建立排水量与水位埋深的关系。

另一是将水泵抽排的水通过各水泵出水胶管排入排水沟中。

4.6.2输电系统:

降水井施工和降水运行电源功率200KW，然后用吊车吊装，在孔口再次焊接入孔。

5.3.3.3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。

5.3.4填砾与管外封闭:

5.3.4.1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：

a向井管内送入清水，使孔内泥浆稀释；

b砾料粒径规格符合设计要求，砾料应纯净，不含泥土和杂物；

c备足砾料和粘土，使之能一次填筑完成。

d备好填料运输工具，尽可能缩短填筑时间。

5.3.4.2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。

5.3.4.3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。

5.4洗井与试验性抽水要求:

5.4.1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。

5.4.2洗井可视孔内泥浆稠度，含水层特性与成井时间，先可采用化学方法洗井，后可采用机械方法（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孔的水位观测。

5.4.3水位观测孔亦可采用化学方法及注水、压水方法进行洗孔，洗孔至水位反应灵敏为止。

5.4.4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。

5.4.5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。

5.5排水含砂量要求:

降水运行期间，抽排水的含砂量应符JGJT111-98规范中的有关规定。

6施工监测与降水维护

6.1监测内容:

6.1.1旋流池基坑支护结构位移和沉降监测，由监测单位负责进行。

6.1.2邻近建（构）筑物的沉降与变形监测，由监测单位负责进行。

6.1.3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。

6.2监测要求:

6.2.1须请有资质的单位、人员进行监测，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。

6.2.2观测基准点为2个，设在开挖影响范围外。

6.2.3在开挖卸荷急剧和降水阶段，应加密观测。

6.2.4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。

6.2.5观测精度及闭合差应符合有关规范规定。

6.3降水监测：

6.3.1降水运行前应统测一次井内水位和各井出水量；

6.3.2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；

6.3.3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；

6.3.4如遇降雨，观测次数宜每日2～3次；

6.3.5水位、水量观测精度要求符合规范规定；

6.3.6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；

6.3.7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。

6.4降水维护：

6.4.1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。

6.4.2抽水设备应进行定期检查保养，如水泵出现故障，应时更换。

6.4.3经常检查排水管、沟、防止渗漏。

6.4.4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。

7降水对周边环境的影响

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