氣舉法管井降水在深基坑工程中的應(yīng)用

(上海市水利工程集團有限公司，上海 200030)

目前，上海地區(qū)挖深超過5m的基坑降水工程主要采用真空降水管井構(gòu)造，利用真空泵進行降水。根據(jù)地層條件和工程需要在任意井段進行分段密封處理以實現(xiàn)分層降水，分段密封采用死管和黏土球進行處理；真空泵采用水環(huán)式真空泵，單個泵連接3～4口井，泵量較大的真空泵連接管井數(shù)量適當增加。真空管井的布置間距約9m，每口管井的有效降水面積約250m2。真空降水管井構(gòu)造通過抽氣創(chuàng)造真空條件，安裝復(fù)雜，對管井的密封性要求高；降水過程中需要有專人看護，工藝性要求較高；有淤泥吸入管內(nèi)容易造成堵管；真空降水管井采購、運行、維護成本較高。

為解決真空降水施工工藝復(fù)雜、運營維護成本高等缺陷，經(jīng)過不斷摸索、試驗，基于氣舉作用和噴射泵工作原理，采用空壓機進行管井降水。經(jīng)多項工程實例驗證，氣舉法管井降水施工方法具有降水效果好、綜合成本低等優(yōu)點，可在基坑降水工程中推廣應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 項目應(yīng)用介紹

張馬泵站工程位于上海市青松控制片青浦區(qū)東泖河東岸的西長港支河口上，是青松片區(qū)外圍一座排澇及引水調(diào)度雙向功能的綜合性泵站。本工程建設(shè)規(guī)模為雙向引排水60m3/s。本次新建張馬泵站工程主要功能為防汛排澇，同時兼顧改善水環(huán)境。受前期涵養(yǎng)林搬遷影響，本工程項目于2016年5月18日正式開工，工期滯后2個月，計劃6月25日挖掘機進場進行土方作業(yè)，場地排水時間緊，任務(wù)重。項目部利用氣舉法管井降水施工方法進行場地內(nèi)淺水及承壓水的降水工作，降水耗時15天，地下水位即滿足土方開挖要求，且水位穩(wěn)定，為后期土方開挖節(jié)約了時間，同時保證了基坑安全性。

1.2 技術(shù)特點

本施工技術(shù)具有以下特點：

a.空壓機降水裝置制作簡單、快捷，主要材料和設(shè)備易于采購。

b.降水設(shè)備對于完全密封的要求不高，環(huán)境的適應(yīng)性強。

c.設(shè)備安裝完成之后可24小時連續(xù)運行，降水效果好。

d.增加一個安全回路和單向閉氣閥，無爆管、燒泵等風險。

e.運行成本低，能耗低，1臺空壓機可帶動6口管井運行。

f.拆除方便，除管井外，均可回收利用，回收利用率高。

1.3 適用范圍

工程條件：挖深大于5m的基坑降水工程。

地質(zhì)條件：廣泛適用于滲透系數(shù)1×10-5cm/s粉土、砂土，尤其適用于滲透系數(shù)大、地下水豐富的土層和砂層。

2 工藝原理

2.1 降水設(shè)備結(jié)構(gòu)

深基坑管井降水設(shè)備具備以下特征：管井內(nèi)進氣管與排水管并行豎直安裝，進氣管上端與空壓機連接，下端與排水管尾部連接，排水管上端與頂出水管連接，在管井外設(shè)置單向閉氣閥門，防止排水管出現(xiàn)堵塞。

管井成孔采用回轉(zhuǎn)鉆孔法成孔，成孔直徑650mm；管井采用鋼管，外徑273mm；氣管采用橡膠軟管，內(nèi)徑6mm；出水管采用普通塑料軟管，內(nèi)徑25mm；空壓機采用排量0.6m3/min，額定排氣壓力0.8MPa；配重采用28mm三級鋼，長500mm；黏土填實段長3000mm；沉砂管長1000mm，見圖1。

圖1 空壓機降水設(shè)備結(jié)構(gòu)注 1-降水設(shè)備包括空壓機；2-三通接管；3-頂出水管；4-備用排氣管；5-井蓋；6-黏土填實層；7-排水管；8-進氣管；9-填礫；10-井管；11-濾管；12-濾網(wǎng)；13-配重；14-沉砂管

2.2 氣舉法降水原理

本降水方法基于氣舉作用和噴射泵工作原理，排水管端部構(gòu)造見圖2。

圖2 降水設(shè)備端部細部構(gòu)造

本降水設(shè)備，主要利用空壓機的壓縮空氣，通過進氣管送至排水管內(nèi)，高壓氣與管內(nèi)水混合，在排水管內(nèi)形成水氣混合物，同時向上高速運動，帶走排水管內(nèi)的空氣，在排水管內(nèi)形成一定程度的真空，需要抽取的地下水在大氣壓力和水壓力的作用下被壓進排水管，繼續(xù)與進氣管內(nèi)的高速氣流混合向上流動，形成流速、流量極大的排水通道，將地下水排出管井。

井蓋部位增加備用氣管，備用氣管上設(shè)置單向閉氣閥門，當排水管和頂出水管出水通道暢通時，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。當出水通道因流量較大阻塞時，閉氣閥門打開，將水氣混合物從備用氣管排出，減小排水管和頂出水管內(nèi)的壓力，防止出現(xiàn)爆管等情況。出水通道暢通后，閉氣閥門再次關(guān)閉，正常排水，見圖3。

圖3 降水設(shè)備井蓋部位細部構(gòu)造

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

準備工作→鉆機進場→鉆井、下井管→填砂→洗井→安裝進氣管、排水管、閉氣閥等→合理安排排水管路及電纜線路，連通空壓機→降水試運行→降水運行→水位記錄。

3.2 操作要點

3.2.1 準備工作

由項目部技術(shù)人員對地勘報告和設(shè)計圖紙進行認真查看，對地下含水量和管井布置進行深化設(shè)計，要求深化設(shè)計合理，結(jié)果經(jīng)原設(shè)計部門認可。

3.2.2 鉆機進場

鉆機進場后，對鉆機的出廠合格證、年檢合格證及特種作業(yè)人員操作證進行報驗，監(jiān)理審批后方可進行鉆孔作業(yè)。

3.2.3 鉆井

由測量員1名根據(jù)設(shè)計確認的優(yōu)化圖紙對管井進行定位，施工員1名輔助完成測量放樣工作。由開挖鉆工1名完成鉆井工作，輔助工1名協(xié)助完成管井下放、回填濾砂、洗井等工作。

成孔方法采用回轉(zhuǎn)鉆孔法，成孔孔徑比井管直徑大300mm以上，井管采用外徑273mm鋼管，成孔孔徑650mm，成孔后立即安裝井管。井管安放前進行清孔，井管垂直，濾管部分放在含水層范圍內(nèi)，井管長度取決于含水層厚度、透水層滲透系數(shù)和降水的快慢，一般為3～9m，濾管外濾網(wǎng)采用單層40目尼龍網(wǎng)，井口下3m用黏土填實封口。

3.2.4 回填濾砂

井管與土壁間填充砂濾料，井管外填濾層的濾料選用磨圓度好、粒徑均勻的硬質(zhì)砂礫和礫石，填礫粒徑為6～12倍含水層土體的平均粒徑，底部設(shè)置沉砂段，沉砂管長度1m。

3.2.5 洗井

為防止泥皮硬化，回填濾砂后立即進行洗井，清除下管以后井壁殘留泥皮，抽拉出濾水管周圍含水層滲入的稠泥漿和部分雜質(zhì)，增大含水層的滲透率，并使管外的礫料逐漸排列落實，形成一個穩(wěn)定的過濾層。

3.2.6 安裝進氣管、排水管等

安裝工作全部由2名安裝工完成，重點做好備用氣管和進氣管的安裝工作。備用氣管一端與三通接管連接，然后在備用氣管上安裝單向閉氣閥，另一端穿過井蓋回到井內(nèi)，形成備用保險回路，在排水管排水量大來不及排出，阻塞管道的情況下，單向閉氣閥打開，將部分水氣混合物通過備用排氣管排出，防止排水管爆管。

將進氣管端部與排水管端部進行連接，進氣管采用橡膠軟管，適應(yīng)變形能力強，在排水管端部以上30cm處，進氣管進行U形彎折，穿入排水管內(nèi)，進氣管端部朝上進行排氣，連接部位用塑料薄膜包裹密封后，用透明膠帶黏結(jié)牢固。

3.2.7 合理安排管線，連通空壓機

將空壓機的排氣管進行分流，1臺空壓機可帶動6臺管井同時運行。同時將排水管進行匯流，集中排入三級沉淀池。

3.2.8 降水試運行及運行

各管路、線路連接完成后，開啟空壓機，查看各構(gòu)造節(jié)點的連接效果以及出水情況，如存在漏氣或滲漏點，及時進行檢修。

運行期間，由1名安裝工進行間歇性巡視，每隔3小時巡視1次，確保排水正常進行。

4 質(zhì)量控制

4.1 管井施工

測量員根據(jù)設(shè)計圖紙和管井優(yōu)化方案，做好測量定位工作，中心點誤差±20mm；成孔孔徑650mm，誤差+50mm，井深根據(jù)開挖深度和設(shè)計說明確定，將地下水位降至最終開挖面以下0.5～1m，井深誤差+100mm；鉆進過程中為防止井壁塌孔，采用泥漿護壁鉆進成孔施工工藝，鉆井過程中保持泥漿密度1.10～1.15g/cm3，泥漿采用地層自然造漿。護孔管中心、磨盤中心、大鉤成一條垂線，鉆孔孔斜不超過1%，終孔清孔后，返回泥漿內(nèi)不含泥塊。

安裝井管前對井深和井徑進行檢查，保證井管順利安裝和濾料厚度均勻。根據(jù)井深和含水層厚度進行配管，濾管孔隙率大于15%，井管焊接確保完整無隙，接縫牢固?；靥顬V砂質(zhì)量直接影響降水效果和維護成本，濾料選用磨圓度較好、粒徑均勻的硬質(zhì)砂礫和礫石，填礫粒徑為6～12倍含水層土體的平均粒徑，以確保滲透通道暢通。填礫前井內(nèi)泥漿稀釋至密度小于1.05g/cm3，地面以下3m至管井底范圍內(nèi)采用濾料徐徐填入，地面以下3m范圍內(nèi)采用黏土回填密實。

4.2 管件連接

將進氣管、排水管、閉氣閥、三通空壓機等進行連接，進氣管與排水管末端進行連接時，用塑料薄膜進行包裹，再用透明膠帶黏結(jié)牢固，保證密封質(zhì)量。進氣管、備用氣管與空壓機、閉氣閥、三通空壓機等金屬材料連接時，采用螺母旋緊，確保密封性良好。塑料管與三通空壓機進行連接時，用鐵絲綁扎牢固。

5 結(jié) 語

氣舉法管井降水施工方法具有綜合成本低、降水效果好等優(yōu)勢，綜合成本約為真空管井降水的2/3，可在基坑管井降水工程中推廣應(yīng)用。

未來，可對氣舉法管井降水設(shè)備進行進一步改造，以達到以下目標：

a.對該降水設(shè)備端部進行改造，以實現(xiàn)地下水位實時監(jiān)控。

b.對停抽期間地下水向管井的匯集速度進行監(jiān)控，根據(jù)管井收集數(shù)據(jù)對地下水位斷面進行反演，輔助現(xiàn)場施工部署。