富水砂卵石地層深基坑降水成井工藝研究

張曉濤

摘 要：洛陽地鐵一號線某車站在深基坑開挖過程中發(fā)現(xiàn)地下水位遠高于設(shè)計階段勘察地下水位，地處洛河Ⅰ級臺地，地層為砂卵石地層。降水管井施工困難，縮頸、塌孔現(xiàn)象嚴重，結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)狀況，分析各類成孔鉆機特點，優(yōu)化降水井成井工藝，選用長螺旋鉆機壓灌泥漿護壁成孔，成功解決富水卵石地層成井措辭塌孔、縮頸等問題，且具有成井效率高、施工質(zhì)量可控、施工成本較低等優(yōu)點，長螺旋鉆機成井工藝的成功應(yīng)用為類似地質(zhì)情況下基坑降水施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：富水砂卵石;深基坑;降水井;長螺旋鉆機;泥漿護壁

中圖分類號：TU753.3 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2021）36-0059-04

Study on Dewatering Technology of Deep Foundation Pit in Water Rich Sandy Cobble Stratum

ZHANG Xiaotao

（Sinohydro ?Bureau11 Co.，Ltd，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract：The underground water level of a station of Luoyang Metro Line 1 during deep foundation pit excavation is much higher than that of the survey in the design stage.It is located in the class I platform of Luohe River，and the stratum is sandy pebble stratum.The construction of dewatering pipe well is difficult，necking and hole collapse are serious.Combined with the geological conditions of the site，the characteristics of various drilling rigs are analyzed，the well completion technology of dewatering well is optimized，and the long screw drilling rig is selected to fill mud to protect the wall for hole formation，which successfully solves the problems of hole collapse and necking in water rich pebble formation，and has the advantages of high well completion efficiency，controllable construction quality and low construction cost the successful application of rotary drilling well technology provides reference for foundation pit dewatering construction under similar geological conditions.

Keywords：sandy cobble stratum;deep foundation pit;dewatering well;long screw drill slurry wall protection

隨著越來越多深、大基坑的出現(xiàn)，我國對于深基坑工程技術(shù)的研究也逐漸深入。在進行深基坑開挖時，不可避免遇到地下水位較高的情況，為了防止地下水帶來的涌砂、地面變形、邊坡失穩(wěn)、地基承載力降低等情況的出現(xiàn)，對地下水的處理尤為重要?；拥拈_挖深度越大，地下水對施工的危害性就越大，地下水處理成功與否直接影響整個工程的進度，其中地下水是影響深基坑安全的重要因素之一，尤其是在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地區(qū)，必須要對地下水進行妥善處理，有效地減小地下水對深基坑的影響，以保證工程的可靠性與經(jīng)濟性。

洛陽地鐵1號線塔灣站施工場地的地勢平坦，所處地貌為洛河Ⅰ級階地，位于洛河古河道范圍內(nèi)。根據(jù)勘察報告，在塔灣站勘探深度內(nèi)自上而下依次為人工填土層、黃土狀粉質(zhì)黏土及黃土狀粉土，下部為圓礫、卵石，廣泛分布在該區(qū)，厚度15～30 m，地下水的類型主要為卵石孔隙潛水，地下水埋藏深度8.90～10.50 m，坑開挖深度17～18 m。為確保工程順利進行，結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì)情況，采用管井井點降水對基坑進行施工降水，能起到良好的降水效果[1]，有效降低地下水次生災(zāi)害的發(fā)生，確保質(zhì)量安全，保證施工進度。本文以塔灣站特殊的水文地質(zhì)條件為例，探討研究適合富水砂卵石地質(zhì)條件下降水井成井工藝[2-4]。

1 水文地質(zhì)情況

1.1 地質(zhì)情況

施工范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml），其下為第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）黃土狀粉質(zhì)黏土、黃土狀粉土、細砂、卵石、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）粉質(zhì)黏土、粉土、細砂、卵石。詳見圖1。

1.2 水文情況

施工范圍的地貌單元為洛河Ⅰ級階地，地下水類型主要為卵石孔隙潛水，主要賦存于②層卵石層中，地下水埋藏深度為8.90～10.50 m，水位標高為115.41～117.14 m。地下水主要接受大氣降水補給，局部受洛河河水影響形成側(cè)向補給，排泄方式主要為人工開采及側(cè)向徑流。工程區(qū)內(nèi)地下水位年變幅一般為1～3 m。

2 成井工藝選擇

2.1 成井工藝對比

2.1.1 沖擊鉆成井。降水井施工多采用沖擊鉆泥漿護壁成井，應(yīng)用廣泛，適用于各類地層，成井技術(shù)成熟。但存在著以下缺點：成井時間長;需要根據(jù)地質(zhì)情況及鉆進過程動態(tài)調(diào)節(jié)泥漿比重，泥漿制備量大;鉆渣為黏稠泥漿，排渣次數(shù)多，且處置困難;施工場地文明施工差;砂卵石地層中受沖擊振動影響極易產(chǎn)生塌孔、縮頸，成井質(zhì)量差。

2.1.2 旋挖鉆機成井。旋挖鉆泥漿護壁成井施工，施工速度快，適用性廣泛，適用于大多數(shù)地層條件。最近幾年旋挖鉆泥漿護壁成井施工在深基坑降水井施工中多有應(yīng)用。旋挖鉆機成井缺點如下：排渣次數(shù)多，對井壁擾動嚴重，尤其是在砂卵石地層中極易造成塌孔、縮頸現(xiàn)象;施工場地文明施工差;泥漿制備量大。

2.1.3 長螺旋鉆機成井。長螺旋鉆機成孔技術(shù)成熟。長螺旋鉆機適用于大多數(shù)地質(zhì)條件，多用于樁基施工，在降水井施工中應(yīng)用較少，參照長螺旋鉆機成樁工藝，在降水井施工應(yīng)用中效果明顯。成井速度快，通過鉆桿螺旋葉片排渣，無須提鉆排渣，對井壁擾動較小;提鉆過程泵送灌注泥漿護壁，降低塌孔、縮頸風(fēng)險;鉆渣不含泥漿，消納方便，降低環(huán)境污染，場地內(nèi)文明施工良好;井管安裝完成后，井內(nèi)泥漿可抽出重復(fù)利用，降低泥漿制備量，節(jié)能環(huán)保;機械成本低[5-8]。

2.2 工藝選擇

施工區(qū)域內(nèi)細砂、卵石、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）粉質(zhì)黏土、粉土、細砂、卵石地層性狀不穩(wěn)定，在成井過程中外力受擾動影響極易塌孔、縮頸。結(jié)合洛陽地鐵施工工籌、施工成本、文明施工情況綜合分析選用長螺旋鉆機成井施工[9-10]。各項參數(shù)對比見表1。

3 成井工藝

降水管井施工按照“施工作業(yè)準備→測量放樣→開孔與護筒埋設(shè)→設(shè)備就位→鉆進成孔→清孔換漿→井濾管安裝→濾料回填→止水回填→洗井→下泵試抽水驗收”流程進行。

3.1 施工作業(yè)準備

施工作業(yè)前應(yīng)根據(jù)施工場地布置圖設(shè)置施工作業(yè)場區(qū)、材料堆場、設(shè)備堆場等各類區(qū)域。將施工用水引至現(xiàn)場，選好排水口及聯(lián)系好排渣場地及車輛。施工作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)確保通水、通電、通路與場地平整，且符合下列規(guī)定：現(xiàn)場供水、供電能力應(yīng)滿足施工作業(yè)用水、用電的要求。

3.2 測量放樣

①基準線、基準點按要求設(shè)在不受施工影響的區(qū)域。放樣前應(yīng)復(fù)核測量基準線、基準點。施工過程中加強基準線、基準點的保護，以防止破壞。②井位放樣過程中，應(yīng)與前期掌握的場地條件進行校核，標明受地下障礙物等影響的井位。對于可清除的地下障礙物，應(yīng)當及時清除;不能清除的，及時與設(shè)計人員溝通后重新調(diào)整井位。③測量放樣后及時對井位進行標識，標識物做到清晰、牢固和不易破壞。④放樣完成后應(yīng)進行放樣復(fù)核，做好每個井位放樣復(fù)核記錄表。測量放樣后井位與設(shè)計井位的偏差應(yīng)控制小于200 mm。

3.3 開孔施工

開孔時應(yīng)輕探慢挖，確認無異物。開孔孔徑不得小于設(shè)計孔徑，開孔進入原狀土深度不應(yīng)少于200 mm。表層地質(zhì)條件不好的應(yīng)埋設(shè)護筒。

3.4 設(shè)備就位

成孔鉆機設(shè)備就位后，應(yīng)調(diào)整鉆機平整度，穩(wěn)固鉆機并落實作業(yè)安全防護措施。正式操作前應(yīng)校正鉆架垂直度，鉆桿與鉆具中心應(yīng)保持在同一鉛垂線上。鉆具中心應(yīng)對準孔位中心或護筒中心，與孔位中心或護筒中心偏差不應(yīng)大于200 mm。開鉆前應(yīng)復(fù)核鉆頭直徑、長度、鉆桿根數(shù)、長度、垂直度、機臺高度、計算機上余尺，并一一記錄在案，以確保孔深與孔徑。成孔鉆機設(shè)備移位時，應(yīng)先切斷電源再移動設(shè)備。移動期間應(yīng)有專人指揮，并應(yīng)由專人看護電纜線以防壓壞。

3.5 鉆進成孔

①鉆機就位。首先用定出井位中心，利用護樁檢查樁孔的中心位置是否正確，然后調(diào)整鉆機，使鉆頭中心和樁孔中心兩者在同一鉛垂線上，并測量鉆桿的垂直度，其偏差不得大于20 mm。②鉆孔前，根據(jù)地質(zhì)、水文資料制備適當比重的泥漿。③鉆機安裝就位后，底座和頂端要平穩(wěn)，不得產(chǎn)生位移和沉陷。初鉆時速度適當控制，采用緩慢鉆進，使最初成孔豎直、圓順，防止孔位偏心、孔口坍塌。進入正常鉆進后，可適當提高鉆進速度。鉆進過程中及時清理鉆渣，并保持鉆機周邊文明施工（見圖2）。

3.6 提鉆灌漿

鉆進至鉆孔設(shè)計底標高后，應(yīng)在原地空鉆5 s，使鉆頭保持在孔底標高處繼續(xù)轉(zhuǎn)動，進一步粉碎孔底泥塊并旋轉(zhuǎn)帶出，整平孔底。提鉆前將鉆桿提至離孔底50 cm，進行泥漿灌注，將孔內(nèi)的泥漿充盈系數(shù)逐步灌至1.10，然后緩慢正向旋轉(zhuǎn)提鉆并同時灌注泥漿。

3.7 井管安裝

①井濾管安裝應(yīng)在鉆機完全提出灌注完成泥漿后進行，遇塌孔時不得置入井管。②濾管、井管應(yīng)在平整地面上先行拼裝。鋼質(zhì)濾管、井管間應(yīng)用包箍套接并滿焊，套接高度上下不小于100 mm，確保濾管、井管的連接嚴密和牢固。③濾管部位應(yīng)包紗網(wǎng)。紗網(wǎng)包扎范圍應(yīng)超出濾管上下端各不少于200 mm，并應(yīng)用鍍鋅鐵絲扎緊。④濾管上下兩端應(yīng)各設(shè)置一套扶正器，扶正器直徑應(yīng)比孔徑小50 mm;井管上扶正器間距不宜大于10.0 m。⑤沉淀管底部應(yīng)采用鋼板焊封，封堵鋼板厚度不宜小于4.0 mm。

3.8 濾料回填

3.8.1 填濾料前在井管內(nèi)下入鉆桿至離孔底30～50 cm處，井管上口應(yīng)加悶頭密封，從鉆桿內(nèi)泵送泥漿邊沖孔邊逐步調(diào)漿，使孔內(nèi)的泥漿從濾水管內(nèi)向外由井管與孔壁的環(huán)狀間隙內(nèi)返出，將孔內(nèi)的泥漿比重逐步調(diào)到≤1.05時，然后開小泵量按井的構(gòu)造設(shè)計要求填入濾料，濾料應(yīng)沿井孔緩慢均勻回填。

3.8.2 濾料回填時宜采用動水回填。濾料回填過程中隨時計量回填量并測量填料高度，濾料最終回填量不得小于設(shè)計量的95%，回填高度不得小于設(shè)計高度。

3.9 止水回填

回填土以黏土、粉質(zhì)黏土為主，嚴禁用塊石、建筑廢料等其他固體雜質(zhì)回填。

3.10 抽出泥漿、洗井

回填完成后井內(nèi)泥漿抽至泥漿池，調(diào)制后用于下一成井灌注。隨后進行空氣壓縮機氣舉法洗井，不小于2 h。在提出鉆桿前利用井管內(nèi)的鉆桿接上空壓機抽水洗井，吹出管底沉淤，直到水清不明顯含砂為止?？諝鈮嚎s機氣舉法洗井后應(yīng)測量井內(nèi)沉淀物高度。最終管內(nèi)沉淀物高度不大于井深的5‰。

3.11 下泵試抽水驗收

洗井完成后應(yīng)安裝水泵進行試抽水，試抽水時間2～3 h。試抽水出水量不應(yīng)與計算出水量有很大出入，試抽成功，代表該井成井完畢，可以投入使用。試抽過程中應(yīng)觀測出水的水色并測量出水含砂量（單位體積水樣中所含的砂樣量），抽水穩(wěn)定后，應(yīng)當檢定出水含砂量體積比不得超過1/20 000。試抽過程中應(yīng)計量管井流量，抽水穩(wěn)定后，井內(nèi)的水位應(yīng)處于安全水位以下。對出水量小于同類井平均流量30%的管井，應(yīng)采取補救措施以達到設(shè)計要求。

4 成效分析

4.1 在地鐵車站深基坑降水井施工，采用長螺旋鉆機，明顯提高了工效，施工質(zhì)量得到了保證，地鐵車站深基坑降水設(shè)計64個降水井，井深28 m，沖擊鉆投入3臺，旋挖鉆機投入1臺，降水施工階段節(jié)省工期23 d。計算如下：

沖擊鉆成井時間-長螺旋鉆機成井時間=（28×64/3-0.6×64）/24=23.29 d

4.2 富水卵石地層長螺旋鉆機降水井施工與傳統(tǒng)的沖擊鉆將水井施工工藝相比，施工效率高，安全文明投入少，能更好地減少投入，效益更高，為項目帶來了顯著的經(jīng)濟效益。

計算依據(jù)如下：

人工費=人工每天費用×節(jié)省工期×人員總數(shù)=0.026×23×20=11.96萬元

用電費用=材料單價×數(shù)量=0.000 1×（23×15×24×64）=52.99萬元

機械費用=沖擊鉆單價×數(shù)量-螺旋鉆單價×數(shù)量=（0.025 5×64×28-0.014 2×64×28）=20.25萬元

管理費=項目管理人員×節(jié)省工期=8×0.03×23=5.52萬元

經(jīng)綜合測算節(jié)約成本約90.72萬元。較傳統(tǒng)降水施工方法降低了成本，經(jīng)濟效益顯著。

5 結(jié)語

長螺旋成孔工藝自身具有很多優(yōu)點，適用范圍廣，廣泛應(yīng)用于除巖層、超大粒徑卵石地層以外的各類地層中，長螺旋壓灌泥漿護壁成井工藝大大提高了降水井施工速度。通過調(diào)長螺旋中空鉆桿泵壓灌漿護壁，有效防止砂卵石地層成井過程塌孔。與傳統(tǒng)沖擊鉆成孔相比，在施工質(zhì)量、工期和經(jīng)濟效果等方面取得良好的效果，長螺旋鉆機施工降水井工藝具有極高的推廣使用價值，該工藝的成功應(yīng)用為其他工程深基坑降水提供借鑒依據(jù)。

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