氣舉法管井降水在深基坑工程中的應用

(上海市水利工程集團有限公司，上海 200030)

目前，上海地區挖深超過5m的基坑降水工程主要采用真空降水管井構造，利用真空泵進行降水。根據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。真空降水管井構造通過抽氣創造真空條件，安裝復雜，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雜、運營維護成本高等缺陷，經過不斷摸索、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、綜合成本低等優點，可在基坑降水工程中推廣應用。

1 工程概況

1.1 項目應用介紹

張馬泵站工程位于上海市青松控制片青浦區東泖河東岸的西長港支河口上，是青松片區外圍一座排澇及引水調度雙向功能的綜合性泵站。本工程建設規模為雙向引排水60m3/s。本次新建張馬泵站工程主要功能為防汛排澇，同時兼顧改善水環境。受前期涵養林搬遷影響，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，場地排水時間緊，任務重。項目部利用氣舉法管井降水施工方法進行場地內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，且水位穩定，為后期土方開挖節約了時間，同時保證了基坑安全性。

1.2 技術特點

本施工技術具有以下特點：

a.空壓機降水裝置制作簡單、快捷，主要材料和設備易于采購。

b.降水設備對于完全密封的要求不高，環境的適應性強。

c.設備安裝完成之后可24小時連續運行，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。

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

2 工藝原理

2.1 降水設備結構

深基坑管井降水設備具備以下特征：管井內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，在管井外設置單向閉氣閥門，防止排水管出現堵塞。

管井成孔采用回轉鉆孔法成孔，成孔直徑650mm；管井采用鋼管，外徑273mm；氣管采用橡膠軟管，內徑6mm；出水管采用普通塑料軟管，內徑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 空壓機降水設備結構注 1-降水設備包括空壓機；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；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，排水管端部構造見圖2。

圖2 降水設備端部細部構造

本降水設備，主要利用空壓機的壓縮空氣，通過進氣管送至排水管內，高壓氣與管內水混合，在排水管內形成水氣混合物，同時向上高速運動，帶走排水管內的空氣，在排水管內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，繼續與進氣管內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，閥門處于關閉狀態。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的壓力，防止出現爆管等情況。出水通道暢通后，閉氣閥門再次關閉，正常排水，見圖3。

圖3 降水設備井蓋部位細部構造

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

由項目部技術人員對地勘報告和設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計，要求深化設計合理，結果經原設計部門認可。

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人員操作證進行報驗，監理審批后方可進行鉆孔作業。

3.2.3 鉆井

由測量員1名根據設計確認的優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名協助完成管井下放、回填濾砂、洗井等工作。

成孔方法采用回轉鉆孔法，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，井管長度取決于含水層厚度、透水層滲透系數和降水的快慢，一般為3～9m，濾管外濾網采用單層40目尼龍網，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，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，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，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，查看各構造節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 質量控制

4.1 管井施工

測量員根據設計圖紙和管井優化方案，做好測量定位工作，中心點誤差±20mm；成孔孔徑650mm，誤差+50mm，井深根據開挖深度和設計說明確定，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。填礫前井內泥漿稀釋至密度小于1.05g/cm3，地面以下3m至管井底范圍內采用濾料徐徐填入，地面以下3m范圍內采用黏土回填密實。

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，再用透明膠帶黏結牢固，保證密封質量。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 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用。

未來，可對氣舉法管井降水設備進行進一步改造，以達到以下目標：

a.對該降水設備端部進行改造，以實現地下水位實時監控。

b.對停抽期間地下水向管井的匯集速度進行監控，根據管井收集數據對地下水位斷面進行反演，輔助現場施工部署。