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岩土研究院

低渗透性黏土层中超真空双管疏干井降水技术的研究

46 2024-01-12 10:32:49

摘 要:在宁波轨道交通1号线一期工程V标樱花公园站施工中,通过对深基坑真空降水的研究,设计出一种双管疏干井结构,该结构是在传统的真空降水单井管基础上增加内管,形成内外腔结构。内腔顶部开放,外腔密封持续保持高真空状态,使低渗透性黏土地层与外腔形成压力差,加速土层中的水向外腔渗透,大大提高了深基坑降水的效率,取得了良好的降水效果,具有一定的推广价值。

目前国内地铁车站深基坑施工一般采用自渗井点、深井真空降水井点降水,但在低渗透性土层中降水时,降水效果并不理想。通过对深基坑真空降水的研究,设计出一种双管疏干井结构,取得了较好的降水效果。

1  工艺原理

低渗透性黏土层超真空双管疏干井将井管降水结合真空技术,采用双管构成内、外腔,内腔顶部开放,外腔密封保持高真空状态,低渗透性黏土地层与外腔形成压力差,加速土层中的水向外腔渗透,通过内、外腔的真空泵、潜水泵排出(图1)。

2  施工工艺流程及操作要点

2.1施工工艺流程

低渗透性黏土层超真空双管疏干井的施工工艺流程为:钻井成孔→清孔换浆→外管安装→滤料回填→井壁清理→内管安装→安装设备→加真空、抽水。

2.2操作要点

2.2.1钻井成孔

1)疏干井开孔孔径为550mm,一径到底。

2)开孔时轻压慢转,以保证开孔的垂直度。钻进时一般采用自然造浆钻进,泥浆密度控制在1.10~1.15g/cm3

2.2.2清孔换浆

钻至设计标高后,将钻具提升至距孔底20~50cm处,开动泥浆泵清孔,以清除孔内沉渣,孔内沉淤应小于20cm,同时调整泥浆密度至1.05g/cm3左右。

2.2.3外管安装

外管管壁周围包扎2层目滤网,外管采用分节下放,下放时管的中心线与孔径同心,管之间焊接连接,外管下放到标高后,管顶高出地面30~50cm。

2.2.4滤料回填

将钻杆提至滤水管下端,井管上口加闷头密封,从钻杆内泵送泥浆,使泥浆由井管和孔壁之间往上返,并逐渐调小泵量,待泵量稳定后开始投放滤料(滤料粒径2~3mm,含泥量≤3%),直至滤料下入预定位置为止,地表以下回填厚3.00m黏性土。

2.2.5井壁清理

采用高压清水与水泵联合洗井法,通过钻杆向井内注入高压清水,冲洗管壁泥皮,清除滤料段泥砂,水泵抽排管内泥浆,反复进行直至水清、砂净。

2.2.6内管安装

降水井内管采用φ150~φ200mm的圆钢管,施工时内管与外管同心,分节下放,管之间焊接连接,确保内管密实,内管底部安置于目标降水水位以下不小于1m。

2.2.7井口密封

井口密封采用法兰+密封垫,法兰包括上法兰和下法兰,上、下法兰为厚15mm环形钢板,上面开设有抽气孔和真空表孔;上法兰与内径200mm、壁厚3mm的内管连为一体,下法兰与内径273mm、壁厚4mm的外管连为一体,连接方式为焊接。上下法兰之间采用橡胶垫圈密封,并预留真空泵接口和真空计接口。如图2所示。

图1  工艺原理示意

图2  井口结构示意

2.2.8安装设备

分别将真空泵、真空计与预留接口连接,再安装内管潜水泵至设计标高,抽水泵进水口高于内管底部≥1m。

2.2.9加真空、抽水

启动真空泵,进行抽水,水位到设计标高后,开始基坑开挖。

3  工程应用

3.1井位设置

在樱花公园站3号线车站12~21轴基坑布置4口深井真空井和2口超真空双管疏干井。深井真空井编号分别为S47、S48、S51、S53;超真空双管疏干井编号分别为S49、S52,井深均为30m。

3.2抽水情况

对4口深井真空井抽水,其真空度维持在-0.04MPa,如表1所示;对2口超真空双管疏干井抽水,其真空度维持在-0.08MPa以上,如表2所示。

表1  深井真空井降水效果

表2  双管疏干井降水效果

3.3超真空双管疏干井应用中的问题及解决措施

1)超真空井内管采用钢管,质量过大,安装难度大。3号线12~21轴基坑采用30m深降水井,根据降水深度及工艺要求,内管长28m。降水深度越深,内管长度越长,质量越大,而内管的固定仅靠井口法兰支撑,对法兰的要求较高。为解决井深度增加对法兰受力增加的影响,将内管材料更换成材质较轻的PVC管,PVC管的连接接头均采用密封胶密封处理,确保内管密封良好和功能完整。

2)上部降水时,抽真空时伴随着水一起抽出,且真空度达不到最大。成井后,内管潜水泵先不抽水,只抽排外管内的空气,此时伴随着水一起排出,且真空度较低,随着降水的深度增加,真空度逐渐增大,直到最后稳定,且维持一个较大的真空度。

当外管进行抽真空时,真空度为ρ,内外管会形成水位差Δh,当Δh≥H+h时,在内管大气作用下,外管内的水位已超过管顶,抽真空时一起排出管外。因此,为达到外管保持持续较高的真空度,且有利于土体里的水向外管内渗透,需保持真空度,使形成的内外管压力差Δh<H+h,且保持外腔水位低于土体水位。因此,在工程实际应用中,将内腔潜水泵入水口位置设置好后,同时设置潜水泵自动启停水位线,该水位线设置高度略高于潜水泵入水口水位线,这样始终保持了Δh<H+h,且外管始终保持最低水位线,不仅有利于土体内渗水漏斗的形成,更可以达到超真空双管井的最佳降水状态(图4)。

3.4效果对比

1)深井真空井真空度维持在-0.04MPa,超真空双管疏干井真空度维持在-0.08MPa以上,比深井真空井真空度高达1倍。

2)深井真空井平均日抽水量为1.20m3;超真空双管疏干井平均日抽水量为1.91m3;为深井真空井的1.59倍。

图3  内外管水位示意

3)降水速率提高。深井真空井抽水50d,平均降水深度达16.43m,平均降水率为16.43/50=0.32m/d;超真空双管疏干井抽水50d,平均降水深度达19.21m,平均降水率为19.21/50=0.38m/d;超真空井降水速率为深井真空井的1.2倍。

4  结语

1)通过研究,解决了现有技术在低渗透性黏土层中抽水影响半径小及出水率低的技术问题,加快施工进度,缩短了施工工期。

2)双管真空疏干井设置了内外腔,抽水在内腔、抽真空在外腔,两者独立操作,从而保证了两者均能高效进行。

3)内井管可以重复使用,降低成本、节能环保。



作者:赵斌,陈朝文,王俊涛


单位:中铁上海工程局集团有限公司