气举法管井降水在深基坑工程中的应用

(上海市水利工程集团有限公司，上海 200030)

目前，上海地区挖深超过5m的基坑降水工程主要采用真空降水管井构造，利用真空泵进行降水。根据地层条件和工程需要在任意井段进行分段密封处理以实现分层降水，分段密封采用死管和黏土球进行处理；真空泵采用水环式真空泵，单个泵连接3～4口井，泵量较大的真空泵连接管井数量适当增加。真空管井的布置间距约9m，每口管井的有效降水面积约250m2。真空降水管井构造通过抽气创造真空条件，安装复杂，对管井的密封性要求高；降水过程中需要有专人看护，工艺性要求较高；有淤泥吸入管内容易造成堵管；真空降水管井采购、运行、维护成本较高。

为解决真空降水施工工艺复杂、运营维护成本高等缺陷，经过不断摸索、试验，基于气举作用和喷射泵工作原理，采用空压机进行管井降水。经多项工程实例验证，气举法管井降水施工方法具有降水效果好、综合成本低等优点，可在基坑降水工程中推广应用。

1 工程概况

1.1 项目应用介绍

张马泵站工程位于上海市青松控制片青浦区东泖河东岸的西长港支河口上，是青松片区外围一座排涝及引水调度双向功能的综合性泵站。本工程建设规模为双向引排水60m3/s。本次新建张马泵站工程主要功能为防汛排涝，同时兼顾改善水环境。受前期涵养林搬迁影响，本工程项目于2016年5月18日正式开工，工期滞后2个月，计划6月25日挖掘机进场进行土方作业，场地排水时间紧，任务重。项目部利用气举法管井降水施工方法进行场地内浅水及承压水的降水工作，降水耗时15天，地下水位即满足土方开挖要求，且水位稳定，为后期土方开挖节约了时间，同时保证了基坑安全性。

1.2 技术特点

本施工技术具有以下特点：

a.空压机降水装置制作简单、快捷，主要材料和设备易于采购。

b.降水设备对于完全密封的要求不高，环境的适应性强。

c.设备安装完成之后可24小时连续运行，降水效果好。

d.增加一个安全回路和单向闭气阀，无爆管、烧泵等风险。

e.运行成本低，能耗低，1台空压机可带动6口管井运行。

f.拆除方便，除管井外，均可回收利用，回收利用率高。

1.3 适用范围

工程条件：挖深大于5m的基坑降水工程。

地质条件：广泛适用于渗透系数1×10-5cm/s粉土、砂土，尤其适用于渗透系数大、地下水丰富的土层和砂层。

2 工艺原理

2.1 降水设备结构

深基坑管井降水设备具备以下特征：管井内进气管与排水管并行竖直安装，进气管上端与空压机连接，下端与排水管尾部连接，排水管上端与顶出水管连接，在管井外设置单向闭气阀门，防止排水管出现堵塞。

管井成孔采用回转钻孔法成孔，成孔直径650mm；管井采用钢管，外径273mm；气管采用橡胶软管，内径6mm；出水管采用普通塑料软管，内径25mm；空压机采用排量0.6m3/min，额定排气压力0.8MPa；配重采用28mm三级钢，长500mm；黏土填实段长3000mm；沉砂管长1000mm，见图1。

图1 空压机降水设备结构注 1-降水设备包括空压机；2-三通接管；3-顶出水管；4-备用排气管；5-井盖；6-黏土填实层；7-排水管；8-进气管；9-填砾；10-井管；11-滤管；12-滤网；13-配重；14-沉砂管

2.2 气举法降水原理

本降水方法基于气举作用和喷射泵工作原理，排水管端部构造见图2。

图2 降水设备端部细部构造

本降水设备，主要利用空压机的压缩空气，通过进气管送至排水管内，高压气与管内水混合，在排水管内形成水气混合物，同时向上高速运动，带走排水管内的空气，在排水管内形成一定程度的真空，需要抽取的地下水在大气压力和水压力的作用下被压进排水管，继续与进气管内的高速气流混合向上流动，形成流速、流量极大的排水通道，将地下水排出管井。

井盖部位增加备用气管，备用气管上设置单向闭气阀门，当排水管和顶出水管出水通道畅通时，阀门处于关闭状态。当出水通道因流量较大阻塞时，闭气阀门打开，将水气混合物从备用气管排出，减小排水管和顶出水管内的压力，防止出现爆管等情况。出水通道畅通后，闭气阀门再次关闭，正常排水，见图3。

图3 降水设备井盖部位细部构造

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

准备工作→钻机进场→钻井、下井管→填砂→洗井→安装进气管、排水管、闭气阀等→合理安排排水管路及电缆线路，连通空压机→降水试运行→降水运行→水位记录。

3.2 操作要点

3.2.1 准备工作

由项目部技术人员对地勘报告和设计图纸进行认真查看，对地下含水量和管井布置进行深化设计，要求深化设计合理，结果经原设计部门认可。

3.2.2 钻机进场

钻机进场后，对钻机的出厂合格证、年检合格证及特种作业人员操作证进行报验，监理审批后方可进行钻孔作业。

3.2.3 钻井

由测量员1名根据设计确认的优化图纸对管井进行定位，施工员1名辅助完成测量放样工作。由开挖钻工1名完成钻井工作，辅助工1名协助完成管井下放、回填滤砂、洗井等工作。

成孔方法采用回转钻孔法，成孔孔径比井管直径大300mm以上，井管采用外径273mm钢管，成孔孔径650mm，成孔后立即安装井管。井管安放前进行清孔，井管垂直，滤管部分放在含水层范围内，井管长度取决于含水层厚度、透水层渗透系数和降水的快慢，一般为3～9m，滤管外滤网采用单层40目尼龙网，井口下3m用黏土填实封口。

3.2.4 回填滤砂

井管与土壁间填充砂滤料，井管外填滤层的滤料选用磨圆度好、粒径均匀的硬质砂砾和砾石，填砾粒径为6～12倍含水层土体的平均粒径，底部设置沉砂段，沉砂管长度1m。

3.2.5 洗井

为防止泥皮硬化，回填滤砂后立即进行洗井，清除下管以后井壁残留泥皮，抽拉出滤水管周围含水层渗入的稠泥浆和部分杂质，增大含水层的渗透率，并使管外的砾料逐渐排列落实，形成一个稳定的过滤层。

3.2.6 安装进气管、排水管等

安装工作全部由2名安装工完成，重点做好备用气管和进气管的安装工作。备用气管一端与三通接管连接，然后在备用气管上安装单向闭气阀，另一端穿过井盖回到井内，形成备用保险回路，在排水管排水量大来不及排出，阻塞管道的情况下，单向闭气阀打开，将部分水气混合物通过备用排气管排出，防止排水管爆管。

将进气管端部与排水管端部进行连接，进气管采用橡胶软管，适应变形能力强，在排水管端部以上30cm处，进气管进行U形弯折，穿入排水管内，进气管端部朝上进行排气，连接部位用塑料薄膜包裹密封后，用透明胶带黏结牢固。

3.2.7 合理安排管线，连通空压机

将空压机的排气管进行分流，1台空压机可带动6台管井同时运行。同时将排水管进行汇流，集中排入三级沉淀池。

3.2.8 降水试运行及运行

各管路、线路连接完成后，开启空压机，查看各构造节点的连接效果以及出水情况，如存在漏气或渗漏点，及时进行检修。

运行期间，由1名安装工进行间歇性巡视，每隔3小时巡视1次，确保排水正常进行。

4 质量控制

4.1 管井施工

测量员根据设计图纸和管井优化方案，做好测量定位工作，中心点误差±20mm；成孔孔径650mm，误差+50mm，井深根据开挖深度和设计说明确定，将地下水位降至最终开挖面以下0.5～1m，井深误差+100mm；钻进过程中为防止井壁塌孔，采用泥浆护壁钻进成孔施工工艺，钻井过程中保持泥浆密度1.10～1.15g/cm3，泥浆采用地层自然造浆。护孔管中心、磨盘中心、大钩成一条垂线，钻孔孔斜不超过1%，终孔清孔后，返回泥浆内不含泥块。

安装井管前对井深和井径进行检查，保证井管顺利安装和滤料厚度均匀。根据井深和含水层厚度进行配管，滤管孔隙率大于15%，井管焊接确保完整无隙，接缝牢固。回填滤砂质量直接影响降水效果和维护成本，滤料选用磨圆度较好、粒径均匀的硬质砂砾和砾石，填砾粒径为6～12倍含水层土体的平均粒径，以确保渗透通道畅通。填砾前井内泥浆稀释至密度小于1.05g/cm3，地面以下3m至管井底范围内采用滤料徐徐填入，地面以下3m范围内采用黏土回填密实。

4.2 管件连接

将进气管、排水管、闭气阀、三通空压机等进行连接，进气管与排水管末端进行连接时，用塑料薄膜进行包裹，再用透明胶带黏结牢固，保证密封质量。进气管、备用气管与空压机、闭气阀、三通空压机等金属材料连接时，采用螺母旋紧，确保密封性良好。塑料管与三通空压机进行连接时，用铁丝绑扎牢固。

5 结 语

气举法管井降水施工方法具有综合成本低、降水效果好等优势，综合成本约为真空管井降水的2/3，可在基坑管井降水工程中推广应用。

未来，可对气举法管井降水设备进行进一步改造，以达到以下目标：

a.对该降水设备端部进行改造，以实现地下水位实时监控。

b.对停抽期间地下水向管井的汇集速度进行监控，根据管井收集数据对地下水位断面进行反演，辅助现场施工部署。