深层淤泥地质条件下深基坑超级压吸联合降水施工关键技术.pdf

1、深层淤泥地质条件下深基坑超级压吸联合降水施工关键技术深层淤泥地质条件下深基坑超级压吸联合降水施工关键技术1 前言1 前言降水工程是基坑土方开挖过程中最重要的一个工序，直接决定着土方开挖顺利与否。佛山市城市轨道交通三号线工程高村站及高村至北滘明挖区间，淤泥层达到了 40 余米，具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、承载力低、抗剪强度低、灵敏度高等特点。本工程降水工程采用超级压吸联合降水，高村站共设置降水井 30 口，高北明挖区间 57 口，降水井深度平均22 米，井底位于底板下 3 米位置，降水位置为开挖面以下 1 米。根据项目特点，结合建筑与市政工程地下水控制技术规范判断降水工程为复杂程度，地下水

2、控制设计施工的安全等级为一级。通过此技术降水得到了业主及业内人士的高度评价，在佛山地铁三号线顺德段得到广泛推广应用。2 工法特点2 工法特点2.1 该技术成井快速高效，施工机具较为简单，劳动强度低，每天成井 1 口；由于采用智能管控后期维护费用更为低廉；设备结构简单，摒弃潜水泵及辅助管线，降水运行受人为、设备影响因素大大减少。2.2 真正意义的真空抽水，整套管路系统密闭，实现不间断抽水，疏干效果大大提高。2.3 适用于各类口径和材质的疏干深井，水中含少量砂等条件下均可适宜，适用性广。2.4 针对淤泥质土、淤泥质粉细砂、淤泥等软土降水效果好，有效的保证了土方开挖过程中基坑内土体干燥。2.5 井内

3、不用放置水泵，只采用真空泵进行抽水，用电量及电缆数量大幅度降低，起到节能减排的作用。3 适用范围3 适用范围3.1 本技术适用于淤泥质土、淤泥质粉细砂、淤泥等软土降水工程施工。3.2 本技术应用过程中，不受季节、环境等因素制约。4 工艺原理4 工艺原理本技术在井管外部设置空气压缩机和真空泵，空气压缩机的风管接入井管中的水中，出水管接入井管中，出水管的进水口伸入水中，风管与出水管连通，连通处稍高于出水管的进水口。启动时空气压缩机产生的压缩空气通过风管进入水管，压缩空气与出水管内的水混合成水汽混合物，出水管内的水充满气泡比重减轻，出口管内水压低于出水管外的水压，即产生压力差。在压力差作用下出水管内

4、的水逐渐上升排出。随着井管内的水不断被排出，井管中的水位相应下降，产生了动水位，当动水位低于含水层的水头高度就形成水头压力差，含水层的水在负压作用下不断涌入井管中。超级压吸联合抽水系统实现了真正意义上的真空抽水。整套管路系统密闭，出水效果大大提高，确保降水效果。在整个降水过程中采用智能控制进行分时送气，通过可编程控制器控制送气系统的送气压力、送气量、送气时间，在确保真空疏干深井内真空度的条件下实现不同降水深度工况下的最佳降水效率。根据佛山特有的地层淤泥质粉细砂、淤泥质土层等地质特点，把传统的井点降水优化为真空负压降水，其原理为采用超级压吸联合抽水系统实施，既是一种集送气系统真空抽水系统为一体的

5、不间断式抽水方式，超级压吸联合抽水系统的方法降低潜水位，经过计算现场采用每 6 口井可配备 1 台真空泵，预抽水期间真空管路的真空度大于-0.06MPa，整个降水过程中采用智能控制进行分时送气，通过可编程控制器控制送气系统的送气压力、送气量、送气时间，在确保真空疏干深井内真空度的条件下实现不同降水深度工况下的最佳降水效率。可以大大提高功效，提高基坑安全，加快施工进度，降低施工费用。送 气 系 统 排 水 沟 送 气 管 排 水 管 井 口 密 封 真 空 抽 水 系 统 图 2降水井井管大样图图 3超级压吸联合抽水系统图5 5 施工工艺流程及操作要点施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程图

6、 4成井施工步序图5.2 施工方法5.2.1 成井设备选型成孔采用正循环钻机，泥浆护壁回转钻进成孔，钻头选用带保径圈的三翼钻头，钻头直径按设计及规范要求选用，根据施工经验，使用这些钻头施工稳定性好，能确保成孔质量，能有效控制成孔中的缩颈现象，为确保工程质量奠定基础。5.2.2 进出场、定位、埋设护孔管现场“三通一平”，钻机进场。钻井井位确定后应放在硬粘土或碎石道渣上。钻机安放稳固、水平、护孔管中心、磨盘中心、大钩应成一垂线。埋设护孔管要求垂直，并打入原状土中 1020cm，外围用粘土填实夯实，井管、砂料到位后才能开钻，钻孔孔斜不超过 1（对转盘采用水平尺校平），要求整个钻孔孔壁圆整光滑，钻进时

7、不允许采用有弯曲的钻杆。5.2.3 钻进清孔钻进中保持泥浆比重在 1.101.15，尽量采用地层自然造浆，整个钻进过程中要求大钩吊紧后徐徐给进（始终处于减压钻进），避免钻具产生一次弯曲，特别是开孔口不能让机上钻杆和水接头产生大幅摆动。每钻进一根钻杆应重复扫孔一次，并清理孔内泥块后再接新钻杆，终孔后应彻底清孔，直到返回泥浆内不含泥块，返出的泥浆含砂量12%后提钻。5.2.4 下井管及滤管按设计井深事先将井管排列、组合，下管时所有深井的底部按标高严格控制，并且保持井口标高一致。井管应平稳入孔，每节井管的两埠要找平，其下端有 45 度坡角，焊接时二节井管应从方向找直，并对称焊接，确保焊接垂直，完整无

8、隙，保证焊接强度，以免脱落。为了保证井管不靠在井壁上和保证填砂厚度，在滤水管上下部各加一组扶正器，保证环状填砂间隙厚度大于 150mm，过滤器应刷洗干净。桥式过滤器缝隙（约 1.52.0mm）均匀，圆孔过滤器孔径约 10-15mm，外包一层 60 目滤网。下管要准确到位，自然落下，稍转动落到位，不可强力压下，以免损坏过滤器结构。图 5 降水井井管大样图图 6 密目网外包示意图5.2.5 填砂将填砂（中粗砂）沿井壁四周均匀徐徐填入，并随填随测填砂顶面的高度，不得超高。水平向填砂厚度不小于 150mm，垂向填砂高度严格按设计图纸进行。5.2.6 洗井降水井采用空压机洗井，当压缩空气通过进气管通到排

9、水管下部时，排水管中变成气水混合物密度小于排水管外的泥水混合物密度，这样管内外产生压力差，排水管外的泥水混合物，在压力差作用下流进排水管内，于是井管内就变成气、水、土三相混合物，其密度随掺气量的增加而降低，三相混合物不断被带出井外，滤料中的泥土成分越来越少，直至清洗干净，含砂率1/1000。洗井完毕后，可以下泵试抽，试抽成功，代表该井成井完毕，可以投入使用。5.2.7 试抽水成井后应进行试抽水。试抽水可以结合洗井工作同时开展。一级基坑降水工程尚应进行群井试抽水，且应在止水帷幕龄期满足设计要求后进行。试抽水应符合以下要求：（1）试抽水应将井内水位降至设计要求的最大目的水位处，抽水泵功率应满足提水

10、量、扬程及降深需要；（2）水泵应安置在目的水位标高以下 1.01.5m 处；（3）试抽水时，井内动水位及井口出水量观测，宜在抽水开始后第 5、10、15、30min各测一次，以后每隔 30min 测一次；（4）试抽水的稳定延时时间宜符合下列要求：粘性土为主潜水含水层不小于 24h；粉土粉砂为主潜水含水层不小于 16h；承压含水层不小于 8h。（5）试抽水进行过程中，应绘制水位降深及出水量历时曲线，成果整理后应及时提供给监理，作为成井验收资料。5.2.8 降水运行管理（1）开挖范围内淤泥质粉细砂及淤泥质土透水性差，为保证疏干效果，降水井应尽量提前 20 天进行真空抽水（真空度大于-0.06MPa

11、），确保在开挖前降低开挖范围内土体含水量。（2）降水运行前，降水井应合理布设排水管道并便于接入施工现场排水设施；做好降水供电系统，配备独立的电源线。（3）所有抽水井、控制箱、排水管上做好对应的标示，并在每次发生变动时进行相应的标示变更，便于抽水运行管理；供电电箱应定期进行检查并备有检查记录。（4）降水工人熟悉水泵开启、电路切换，以确保降水连续进行，避免因供电原因造成基底突水。每天监测地下水水位变化，巡视降水井出水情况等。（5）坑外水位监测由专业监测单位进行监测，资料须及时共享，以便绘制相关的图表、曲线，分析降水运行，必要时调控降水运行。（6）基坑开挖过程中，施工机械严禁碰撞降水井，保证降水系统

12、的完好性。降水井壁外粘贴反光条。（7）降水停止抽水并提泵后，应及时将降水井封井。5.2.9 封井基坑开挖至设计标高时，根据现场降水井出水量大小，留设部分水量较大的降水井继续抽水，该部分降水井在底板施工过程中，需将基底附近的滤管更换为钢实管，并穿过底板；其余降水井可在垫层或底板施工过程中，直接浇筑与底板之下。预留的降水井在结构满足抗浮要求后，采用注浆封堵。主要工艺流程：准备封井设备材料调配水泥浆注浆检查封井效果割除井管焊接封口钢板封井完毕。具体封井步骤如下：（1）根据降水井剩余深度，准备好水泥，根据经验，每包水泥可充填约 0.8m 的井管（若井深较深，可先充填瓜子片、小石子至底板下 23m，同时

13、下好注浆管）。（2）安装好注浆设备、电缆及注浆管并试运行，以保证注浆系统完好。（3）先预搅拌 23m3 左右的水泥浆，水灰比 0.81.0，井内下入注浆管，注浆管口距井管底部约 1.5m 左右。（4）开始注浆，边注浆边缓慢上提注浆管，并且保证注浆管口位于水泥浆液面 1m 之下。注浆时要求水泥浆通过滤管进入降水井周围，将滤管缝隙堵死，注浆压力 0.10.4MPa，可根据实际调整。（5）待水泥浆高出底板底面或高出滤管顶面 12m 后，即可停止注浆。（6）水泥浆达到初凝时间后，抽出井管内残留水，并及时观测井管内的水位深度或标高变化情况。一般观测 24 小时后，井管内的水位无明显的升高，说明注浆效果较

14、好。（7）当注浆效果达到要求、水泥浆终凝后，即可割除基坑底板以上降水井管。（8）井管内回填与底板同标号的混凝土，其顶面略低于底板顶面，并在井内焊接一块厚46mm 的钢板。图 7降水井封井示意图6 6 材料与设备材料与设备6.1 材料井管：降水井及备用井采用钢管，管径 273mm。滤管：管径 273mm，孔隙率30%。包网：采用 60 目单层尼龙网。填砾：采用标准级配砂（中粗砂），粒径可按下式考虑：D50=(812)d50（式中：D50 为填砾粒径；d50 为滤管周围含水层颗粒粒径。）止水：填砾上方要求采用止水粘土封堵。沉淀管：采用钢管，管径 273mm，高度 1m，底口用同厚钢板焊接。6.2

15、施工主要设备表 1施工主要设备表设备名称规格型号单位数量工程钻机GPS-10 型，K-Y2套2泥浆泵3PN台2真空泵JSJ-80台25深井泵QD6-50-1.5台5空压机0.6m3台37 7 质量控制质量控制7.1 成孔规格、垂直度、泥浆及孔底沉渣等质量控制符合方案规定的设计要求。7.2 成井质量（井管深度、滤水管及位置、管外填料、封孔等关键工序质量）符合工艺技术要求。7.3 降水井的抽水达到设计要求。7.4 确保基坑降水系统正常运行，并满足降水方案的预期要求和效果。7.5 降水井质量验收标准（1）井口高度：井口宜高于地表以上 0.200.50m，以防止地表污水渗入井内。（2）回填滤料：滤料采

16、用中粗砂，回填滤料至地面下约 5m。（3）成孔偏差：井孔尽量靠近支撑布置，井深（孔深）偏差50cm；井孔应圆正。（4）井管偏差：井身应圆正，上口保持水平，井管的顶角及方位角不能突变，井管安装倾斜度不能超过 1 度；井管截面尺寸偏差2mm，井管长度偏差20cm。（5）出水含砂量：抽水稳定后，出水含砂量满足规范要求：粗砂含量1/50000、中砂含量1/20000，细砂含量1/10000。8 8 安全措施安全措施降水成功与否直接关系到整个基坑开挖工程的安全，所以在施工过程中不能忽视一些影响降水安全的因素。8.1 为保证基坑安全，降水运行期间总包应对降水运行应配备独立的供电系统，且供电系统应配备两路以

17、上不同变电站的独立电源。降水运行中应保证一路工业用电停电后另一路工业用电能及时使用，保证停电内能将确保降水井的电源得到更换，确保在基坑开挖过程中降水不得长时间中断，否则造成的后果无法估量，影响基坑的安全。降水用电组织应符合“三级配电，两级保护”的安全用电要求。8.2 现场用电机具较多，电线不得乱拖、乱拉。材料运输、堆放时，一定要注意保护好电线，防止碰砸电线，造成电线包皮破碎剥落，一经发现有电线露芯或电线包皮破损要及时修调。8.3 加强巡视保证正常抽水，并保证每天固定时间段采用人工监测水位的方法测量开挖过程中基坑内外的水位变化，在降水未运行前按照 24h/次，在降水运行后按照 12h/次。同时加

18、强现场值班人员的配备和巡视，保证在正常抽水运行期间，现场 24 小时均有降水操作人员巡视，同时管理人员和电工 24 小时轮流值班配置。9 9 环保节能措施环保节能措施9.1 井管安装后应及时进行填砾，根据地下水监测站所处位置和含水层情况选用不同粒径和级配磨圆度较好的硅质砂、砾石为主的滤料进行填充，填砾厚度不小于 150mm。充填滤料顶端至井口井段的环状间隙进行封闭和止水，封闭和止水的材料选用粒径为 2030mm 的半干状黏土球，阻止各含水层之间的联系。9.2 施工结束后，清理场地，联系车辆将现场废浆、废渣运走，避免对周边水土进行污染。9.3 钻井时钻井泥浆循环使用，成井后钻井泥浆回收利用。老井

19、钻井泥浆用于新井钻井，一口井完井后，用一台罐车配合一台水泥车将该井的废钻井泥浆运至附近的另一井位（两井井深、结构大体相同，所需钻井液类型相同），加入一些处理剂调节钻井泥浆性能，达到设计要求后，继续使用。9.4 施工现场油污落在地面及时处理，以免污染地面，渗入地下。9.5 井内不用放置水泵，只采用真空泵进行抽水，用电量及电缆数量大幅度降低，起到节能减排的作用。1 10 0 技术经济效益分析技术经济效益分析采用800mm 普通管井降水，高村站设置 28 口，高村至北滘明挖区间设置 45 口。经过同济启明星基坑支护结构专用软件 FRWS7.2 计算，采用超级压吸联合抽水系统，高村站设置降水井 30

20、口，高北明挖区间设计 57 口。经过计算普通管井降水安拆费为 0.71 万元/口，运营费为 0.03 万元/口/天，合计费用0.71*73+0.03*73*180=446.03 万元（运营期按照 180 天考虑）。采用超级压吸联合抽水系统安拆费为 1.5 万元/口，运营费用为 0.005 万元/口/天,合计费用 1.5*87+0.01*87*180=287.1 万元（运营期按照 180 天考虑）。虽然成井费用超级压吸联合抽水系统较传统管井降水成本要高，但后期维护费用较传统管井大大降低，综合考虑节省 446.03-287.1=158.93 万元1 11 1 应用实例应用实例11.1 工程概况佛山

21、市城市轨道交通三号线工程高村站及高村至北滘明挖段。地层主要为回填土、淤泥质粉细砂、淤泥质土、淤泥等，具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、承载力低、抗剪强度低、灵敏度高等特点。施工过程中揭露的地下水的水位埋深 0.404.00m；稳定水位埋藏深度0.005.60m，根据实测的砂层稳定水位为 2.11m。高村站共设置降水井 30 口，高北明挖区间57 口，降水井深度平均 22 米，井底位于底板下 3 米位置，降水位置为开挖面以下 1 米。11.2 应用情况对采用超级压吸联合抽水系统和传统方法抽水的疏干抽水能力进行了相应的对比试验。数据如下：原状土体平均含水率 31%，超级压吸疏干后土体平均含水率 20%，传统疏干后土体平均含水率 26%。充分的降水使得基坑开挖施工顺利完成，为佛山市城市轨道交通工程的顺利贯通打下了坚实的基础。11.3 存在问题采用此技术进行降水施工，需要提前进行降水 20-30 天，需要合理安排机械进场施工时间，避免耽误工期。