第二章 市政管道开槽施工

第二章市政管道开槽施工•市政管道开槽施工时，经常遇到地下水，土层内的水分主要以水汽、结合水、自由水3种状态存在，结合水没有出水性，自由水对市政管道开槽施工起主要影响作用。当沟槽开挖后自由水在水力坡降的作用下，从沟槽侧壁和沟槽底部渗入沟槽内，使施工条件恶化，严重时，会使沟槽侧壁土体坍落，地基土承载力下降，从而影响沟槽内的施工。因此,在管道开槽施工时必须做好施工排（降）水工作。市政管道开槽施工中的排水主要指排除影响施工的地下水，同时也包括排除流入沟槽内的地表水和雨水。•施工排水有明沟排水和人工降低地下水位2种方法。•不论采用哪种方法，都应将地下水位降到槽底以下一定深度，以改善槽底的施工条件；稳定边坡；稳定槽底；防止地基土承载力下降；为市政管道的开槽施工创造有利条件。•沟槽开挖时，排除渗入沟槽内的地下水和流入沟槽内的地面水、雨水，一般采用明沟排水的方法。•明沟排水是将从槽壁、槽底渗入沟槽内的地下水以及流入沟槽内的地表水和雨水，经沟槽内的排水沟汇集到集水井，然后用水泵抽走的排水方法，如图2-1所示。图2-1明沟排水系统1-集水井；2-进水口；3-横撑；4-竖撑板；5-排水沟第一节明沟排水2.1.1明沟排水原理•明沟排水通常是当沟槽开挖到接近地下水位时，修建集水井并安装排水泵，然后继续开挖沟槽至地下水位后，先在沟槽中心线处开挖排水沟，使地下水不断渗入排水沟后，再开挖排水沟两侧土。如此一层一层地反复下挖，地下水便不断地由排水沟流至集水井，当挖深接近槽底设计标高时，将排水沟移置在槽底两侧或一侧，如图2-2所示。图2-2排水沟开挖示意图为了合理选择排水设备，确定水泵型号，应算总涌水量，水泵的流量一般为涌水量的1.5~2.0倍。在市政管道开槽施工时，沟槽一般为窄长式，此时可忽略沟槽两端的涌水量，认为地下水主要有沟槽两侧渗入。因此，沟槽的总涌水量可按裘布依公式进行计算，即：(2-1)式中:Q——沟槽总涌水量，m3/d；K——渗透系数，m/d，见表2-1；H——离沟槽边为R处的地下水含水层厚度，m；R——影响半径，m，见表2-1；S——地下水位降落深度，m。RSSHKLQ)2(2.1.2明沟排水涌水量计算•土的渗透系数K值表2-1土的类别K（m/d）土的类别K（m/d）粉质粘土＜0.1含粘土的粗砂及纯中砂35～50含粘土的粉砂0.5～1.0纯中砂60～75纯粉砂1.5～5.0粗砂夹砾石50～100含粘土的细纱10～15砾石100～200含粘土的中砂及细砂20～25•施工时，排水沟的开挖断面应根据地下水量及沟槽的大小来决定，通常排水沟的底宽不小于0.3m，排水沟深应大于0.3m，排水沟的纵向坡度不应小于3%～5%,且坡向集水井。若在稳定性较差的土壤中施工，可在排水沟内埋设多孔排水管，并在其周围铺卵石或碎石加固；亦可在排水沟内埋设管径为150~200mm的排水管，排水管接口处留有一定缝隙，排水管两侧和上部也用卵石或碎石加固；或在排水沟内设板框、荆笆等支撑。•集水井是在排水沟的一定位置上设置的汇水坑，为使沟槽底部土层免遭破坏,通常将集水井设在基础范围以外，距沟槽底一般为1～2m的距离处，并应设在地下水来水方向的沟槽一侧。•集水井的断面一般为圆形和方形2种，其直径或宽度，一般为0.7～0.8m，集水井底与排水沟底应有一定的高差；在开挖过程中，集水井底应始终低于排水沟底0.7～1.0m，当沟槽挖至设计标高后，集水井底应低于排水沟底1～2m。2.1.3明沟排水施工•集水井的间距应根据土质、地下水量及井的尺寸和水泵的抽水能力等因素确定，一般每隔50～150m设置一个集水井。•集水井通常采用人工开挖，为防止开挖时或开挖后井壁塌方，需进行加固。在土质较好、地下水量不大的情况下，采用木框加固，井底需铺垫约0.3m厚的卵石或碎石组成反滤层，以免从井底涌入大量泥砂造成集水井周围地面塌陷；在土质（如粉土、砂土、亚砂土）较差、地下水量较大的情况下，通常采用板桩加固。即先打入板桩加固，板桩绕井一圈，板桩深至井底以下约0.5m。也可以采用混凝土管集水井，采用沉井法或水射振动法施工，井底标高在槽底以下1.5~2.0米，为防止井底出现管涌，可用卵石或碎石封底。•为保证集水井附近的槽底稳定，集水井与槽底有一定距离，沟槽与集水井间设进水口，进水口的宽度一般为1～1.2m。为防止水流对集水井的冲刷，进水口的两侧应采用木板、竹板或板桩加固。排水沟、进水口需要经常疏通，集水井需要经常清除井底的积泥，保持必要的存水深度以保证水泵的正常工作。明沟排水常用的水泵有离心泵、潜水泵和潜污泵。1、离心泵:根据流量和扬程选型，安装时应注意吸水管接头不漏气及吸水头部至少沉入水面以下0.5m，以免吸入空气，影响水泵的正常使用。2、潜水泵:这种泵具有整体性好、体积小、重量轻、移动方便及开泵时不需灌水等优点，在施工排水中广泛应用。使用时，应注意不得脱水空转，也不得抽升含泥砂量过大的泥浆水，以免烧坏电机。3、潜污泵:潜污泵的泵与电动机连成一体潜入水中工作，由水泵、三相异步电动机、以及橡胶圈密封和电器保护装置4部分组成。该泵的叶轮前部装有一搅拌叶轮，它可将作业面下的的泥沙等杂质搅起抽吸排送。2.1.4明沟排水设备选择•明沟排水是一种常用的简易的降水方法，适用于槽内少量的地下水、地表水和雨水的排除。对软土、淤泥层或土层中含有细砂、粉砂的地段以及地下水量较大的地段均不宜采用。2.1.4明沟排水设备选择•人工降低地下水位是在含水层中布设井点进行抽水，地下水位下降后形成降落漏斗。如果槽底标高位于降落漏斗以上，就基本消除了地下水对施工的影响。地下水位是在沟槽开挖前人为预先降落的,并维持到沟槽土方回填，因此这种方法称为人工降低地下水位，如图2-3所示。图2-3人工降低地下水位示意图1、抽水时水位2、原地下水位3、井点管4、沟槽第二节人工降低地下水位人工降低地下水位一般有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点、深井井点等方法。•轻型井点是目前降水效果显著，应用广泛的降水系统，并有成套设备可选用,根据地下水位降深的不同，可分为单层轻型井点和多层轻型井点2种。在市政管道的施工降水时,一般采用单层轻型井点系统,有时可采用双层轻型井点系统,三层及三层以上的轻型井点系统则很少采用。1.适用条件•轻型井点系统适用于粉砂、细砂、中砂、粗砂等土层，渗透系数为0.1～50m/d，降深小于6m的土层。2.2.1轻型井点2.组成•轻型井点系统由井点管、弯联管、总管和抽水设备四部分组成，井点管包括滤水管和直管,如图2-4所示。图2-4轻型井点系统组成1-直管；2-滤水管；3-总管；4-弯联管；5-抽水设备；6-原地下水位线；7-降低后地下水位线（1）滤水管•滤水管也称过滤管，是轻型井点的重要组成部分，一般采用直径38～55mm，长1～2m的镀锌钢管制成，管壁上呈梅花状开设直径为5.0mm的孔眼，孔眼间距为30～40mm，常用定型产品有1.0m、1.2m、2.0m三种规格。滤水管埋设在含水层中，地下水经孔眼涌入管内，滤水管的进水面积按下式计算:•(2-2)•式中：A——滤水管进水面积,m2；•m——孔隙率,一般取20%～30%；•ｒ——滤水管半径,m；•LL——滤水管长度,m。LLrmA2•滤水管下端应用管堵封闭，也可安装沉砂管，使地下水中夹带的砂粒沉积在沉砂管内。滤水管的构造，如图2-5所示。为了防止土颗粒涌入井内，提高滤水管的进水面积和土的竖向渗透性，可在滤水管周围建立直径为400～500mm的过滤层（也称为过滤沙圈），如图2-6所示。（2）直管•直管一般也采用镀锌钢管制成，管壁上不设孔眼，直径与滤水管相同，其长度视含水层埋设深度而定，一般为5~7米，直管与滤水管间用管箍连接。图2-5滤水管构造图2-6井点的过滤砂层1-钢管；2-孔眼；3-缠绕的塑料管；4-细滤网；1-粘土；2-填料；3-滤水管；5-粗滤网；6-粗铁丝保护网；7-直管；8-铸铁堵头4-直管；5-沉砂管（3）弯联管•弯联管用于连接井点管和总管，一般采用长度为1.0m,内径38～55mm的加固橡胶管，内有钢丝，以防止井点管与总管不均匀沉陷时被拉断。该种弯联管安装和拆卸方便，允许偏差较大,套接长度应大于100mm，套接后应用夹子箍紧。有时也可用透明的聚乙烯塑料管，以便观察井管的工作情况。金属管件也可作为弯联管，虽然气密性较好，但安装不方便，施工中使用较少。（4）总管•总管一般采用直径为100～150mm的钢管，每节长为4～6m，总管之间用法兰盘连接。在总管的管壁上开设三通以连接弯联管，三通的间距应与井点布置间距相同，但是由于不同的土质，不同降水要求，所计算的井点间距与三通的间距可能不同，因此应根据实际情况确定三通间距。总管上三通间距通常按井点间距的模数而定，一般为1.0～1.5m。（5）抽水设备•轻型井点通常采用射流泵或真空泵抽水设备，也可采用自引式抽水设备。•真空式抽水设备是由真空泵和离心泵组成的联合机组，地下水位降落深度可达5.5～6.5m。但抽水设备组成复杂、占地面积大、管道连接较多，不能保证降水的可靠性，目前很少采用。•自引式抽水设备是用离心水泵直接自总管抽水，地下水位降落深度仅为2～4m，适用于降水深度较小的情况。•射流式抽水设备包括水射器和水泵，其设备组成简单，使用方便，工作安全可靠，便于设备的保养和维修。•射流式抽水设备的工作原理为：运行前将水箱加满水，离心水泵2从水箱抽水，水经水泵加压后，高压水在射流器3的喷口出流形成射流，产生真空，使地下水经井点管，弯联管和总管进入射流器，经过能量变换，将地下水提升到水箱内，一部分水经过水泵加压，使射流器工作，另一部分水经排水口4排除。如图2-7所示。图2-7射流泵系统1-水箱；2-加压泵；3-射流器；4-总管；5-隔板；6-出水口；7-压力表•为了提高水位降落深度，保证抽水设备的正常工作，无论采用哪种抽水设备，除保证整个系统连接的严密性外，还要在井点管外地面下1.0m深度处填粘土密封，避免井点与大气相通，破坏系统的真空。3.涌水量计算•井点涌水量通常采用裘布依公式近似地按单井涌水量计算。实际上井点系统是各单井之间相互干扰的井群，井点系统的涌水量显然比数量相等互不干扰的单井涌水量的总和要小。工程上为应用方便，往往按“单井”涌水量作为整个井群的总涌水量，而这个“单井”的半径应按井群中各个井点所围的面积的半径进行计算，该半径称为假想半径。由于轻型井点的各井点间距较小，这种假想是可行的，即用假想环围面积的半径代替“单井”半径计算涌水量。1.涌水量计算公式图2-8潜水完整井图2-9潜水非完整井•潜水完整井如图2-8所示，其涌水量按下式计算：(2-3)•式中：Q——井点系统总涌水量，m3/d；•K——渗透系数，m；•S——水位降深，m；•H——含水层厚度，m；•R——影响半径，m；•X0——井点系统的假想半径，m。•潜水非完整井如图2-9所示，其涌水量按下式计算：（2-4）•式中：H0——含水层有效带的深度，m；•其它参数意义同式（2-3）。0lglg)2(366.1XRSSHKQ00lglg)2(366.1xRSSHKQ（2）涌水量计算公式中有关参数的确定1)渗透系数K•K值以现场抽水试验确定较为可靠，若无抽水试验资料时可参见表2-1数值选用。•当含水层不是均一土层时，渗透系数可按各层不同渗透系数的土层厚度加权平均计算。（2-5）•式中：K1,K2,……Kn——不同土层的渗透系数，m/d；•n1,n2,……nn——含水层不同土层的厚度，m。nnncpnnnnKnKnKK2122112)影响半径R•确定影响半径通常有直接观察法、用经验公式法和经验数据法3种方法。直接观察是精确可靠的方法，但需设置观察井，不宜于指导实际工程；经验数据法不适用于非均一土层；实际工程中经常采用经验公式法计算影响半径。•对于潜水完整井：(2-6)•对于潜水非完整井：KHSR95.1095.1KHSR3）假想半径•当沟槽采用单排线状井点降水时，其假想半径可按下式计算：（2-7）•式中：B1——沟槽底距井点最