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基坑降水施工方法及适用条件

355 2021-10-27 15:01:31

概述

当基坑开挖深度范围内有地下水或存在饱和软土层,或坑底以下一定范围内存在承压水时,需要选择合适的方法进行降水。降水的主要作用有∶保持坑内土体干燥便于施工,提高土体抗剪强度,提高边坡和坑底的稳定性,防止流砂或坑底突涌等。常用的降水方法和适用条件如表4-2 所示。

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4.9.2 轻型井点施工

轻型井点是以一定间距将井点管沉入地基含水层内,井点管上部与总管相连,通过总管利用抽水设备产生的真空吸力将地下水从井点管内不断抽出,使原有地下水位降低至坑底以下。系统由井点管、连接管、集水总管及抽水设备等组成,如图4-47 所示。

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轻型井点的施工流程∶

(1)排放集水总管。

(2)井点成孔施工

水冲法成孔;利用高压水流冲开泥土,冲孔管依靠自重下沉。砂性土中冲孔所需水流压力为0.4~0.5MPa,黏性土中冲孔所需水流压力为0.6~0.7MPa。

钻孔法成孔∶适用于坚硬地层或井点紧靠建筑物的情况,一般可采用长螺旋钻机成孔。

成孔孔径一般为 300mm,不宜小于250mm。成孔深度宜比滤水管底端设计埋深大0.5m左右。

(3)井点管埋设

水冲法成孔达到设计深度后,应尽快减低水压、拔出冲孔管,向孔内沉入井点管。或钻孔法成孔后,向孔内沉入井点管。

在井点管外壁与孔壁之间回填滤料(粗砂、砾砂),滤料的填灌质量是保证轻型井点顺利工作的关键。在距地表约1m 范围内,须采用黏土封口捣实,防止漏气。(4)井点管埋设完毕后,用连接管将井点管连接到集水总管上即可。

地下建(构)筑物施工结束并进行回填后,方可拆除井点系统。拔出井点管所留孔洞应用砂或土填实。对地基有防渗要求时,地表以下 2m 范围内应用黏土填实。

4.9.3 喷射井点施工

喷射井点系统由高压水泵、进水总管、井点管、喷射器、测真空管、回水总管及循环水箱组成,如图4-48所示。其主要优点是降水深度大,但由干需要双层井点管,喷射器设在井点管底部,需两根总管与各井点管相连,因此地面管网敷设复杂,施工效率低,成本高,管理困难。

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喷射井点的管路布置、井点管埋设方法等与轻型井点基本相同。为防止喷射器磨损,宜采用套管法成孔,加水及压缩空气排泥。当套管内含泥量经测定小于5%时,方可下井点管及灌砂,然后可拔套管。成孔直径一般为400~600mm,深度应比滤管底低 1.0m 以上。

下井点管时,水泵应先运转,以便每下好一根井点管,立即与总管接通(不接回水管),进行单根试抽排泥,待井点管出水变清后,地面测定真空度不宜小于93.3kPa。

全部井点管埋设完毕后,将井点管与回水总管连接,进行试抽使工作水循环后再正式工作。安装前应逐根对井点管进行冲洗,开泵压力不宜大于0.3MPa,以后再逐步加大,以防止损坏喷射器。如发现井点周围有翻砂、冒水现象,应立即关闭井管,进行检修。各套进水总管应用阀门隔开,各套回水管也应分开。为防止工作水反灌,在滤管下端应增设逆止球阀,当喷射井点发生故障时使工作水在井管内部循环,不致涌出滤管产生反灌现象。

工作水应保持清洁,不得含泥砂及其他杂物。试抽2d 后应更换清水,此后视水质污浊程度定期更换清水,以减轻对喷嘴及水泵叶轮的磨损。如果扬水装置已磨损则应及时更换。

采用喷射井点降水,扬水装置的质量十分重要。若有喷嘴直径加工不精确,或喷嘴、混合室、扩散室的轴线不重合等缺陷,都会影响抽水效果。

4.9.4 自流深井施工

自流深井主要由井管和水泵组成,深井之间用集水总管连接。其抽水量大。降水深度较深。深井施工的工艺流程包括成孔工艺和成井工艺,具体过程包括∶准备工作→钻机就

位→开孔→下护口管→钻进→终孔后冲孔换浆→下井管→稀释泥浆→填砂→止水封孔→洗井→下泵试抽→合理安排水电管线→试抽水→正式抽水→水位与流量记录。

1.成孔工艺

成孔工艺即指深井井身施工所采用的技术方法、措施和施工工艺过程。深井大多是在第四系松散地层中应用,选择深井的钻进方法时,应考虑钻进地层的性质和钻进设备的特性等因素。一般对以卵石或漂石为主的地层宜采用冲击钻进或潜孔锤钻进,对其他第四系地层宜采用回转钻进。此外还有反循环钻进、空气钻进等方法。

钻进过程中为防止井壁坍塌、掉块、漏失,以及钻进含高压水、气层时可能发生的喷涌等失稳事故,应采取护壁措施。保持井内液柱压力与土体侧向压力的平衡是维持井壁稳定的基本方法。对易坍塌的地层,应注意经常维持和调整压力平衡关系。

对遇水不稳定的地层,选用的冲洗介质类型和性能应能避免水对地层的影响。冲洗介质是钻进时用于携带岩屑、清洗井底、冷却和润滑钻具及保护井壁的物质。常用的冲洗介质有清水、泥浆、空气、泡沫等。

清水的优点是取材容易、经济,黏度和密度低,洗井效果好,缺点是较易渗入地层,不宜用于水敏性地层,一般用于井壁压力不大的稳定地层。泥浆的优点是能在井壁上形成泥皮护壁,停钻时能悬浮钻屑,且泥浆性能可在较大范围内调节,以适应在不同地层中钻进的要求,是降水井施工中主要使用的冲洗介质,其缺点是黏度和密度较大。钻进效率相对较低,且对环境有定污染。空气具有取材容易,黏度和密度小,钻进效率较高的优点,但需要专门的空气压缩机,且遇到含水层时使用困难,因此适用于干旱缺水地区和气动潜孔锤钻进。

除上述冲洗介质外,还有乳状液、无黏土冲洗液等,适用于小口径钻进。当其他护壁措施无效时,可采用套管护壁。

2.成井工艺

成井工艺是指成孔结束后,安装井内装置的施工工艺,包括探井、换浆、安装井管、填砾、止水、洗井、试验抽水等工序。这些工序完成的质量直接影响到成井后的井损失大小、井水含砂量大小等各项设计指标能否实现,严重的可引起大量出砂或出水量降低甚至不出水。因此严格做好成井工艺中的各道工序是保证成井质量的关键。

探井是检查井深和井径的工序,目的是检查井身是否圆整、垂直,以保证井管顺利安装和滤料厚度均匀。探井采用探井器进行,探井器直径应大于井管直径,小于井径 25mm 左右,长度宜为20~30倍井径。探井器应能在井内的任一深度上灵活转动,如发现井身质量不符合要求,应立即进行修整。

换浆是将井内稠泥浆更换为稀泥浆的工序。成孔结束并经探井和修整井壁后,井内泥浆稠度很大,含有大量泥屑,可能堵塞滤水管进水孔,井管也可能沉不到预定深度造成滤水管与含水层错位,因此安装井管前应进行换浆。换浆不应加入清水,换浆的浓度应根据井壁的稳定情况和计划填入的滤料粒径大小确定。一般稀泥浆黏度为 16~18s,相对密度为1.05~1.10。

安装井管的方法应根据管材强度、埋设深度和起重设备的能力等因素选择。提吊下管法用于井管自重(或浮重)小于管材允许拉力和起重设备安全负荷的情况。白流深井井管自重一般不大,可采用提吊下管法。对井管自重较大或井深较大的情况,可选用托盘(或浮板)下管法或多级下管法。

填砾是将滤料投入到滤水管与井壁间的环状空隙中的工序。填砾方法应根据井壁的稳定性、冲洗介质的类型和深井结构等因素确定。常用的填砾方法有静水填砾法、动水填砾法和抽水填砾法。

洗井应在下管填砾之后立即进行,以防止泥皮硬化。洗井方法应根据含水层特性、深井结构及管材强度等因素进行选择。常用的洗井方法有水泵洗井、活塞洗井、空压机洗井、化学洗井、二氧化碳洗井以及两种或两种以上方法组合的联合洗井法。一般应尽量采用活塞和空压机联合洗井,当深井的管材强度较低时,可采用空压机洗井或水泵洗井。试验抽水是为了检验自流深井出水量的大小,确定深井设计出水量和设计动水位。试验抽水的类型应为稳定流抽水试验,水位下降次数为1 次,抽水量不小于深井的设计出水量,稳定抽水时间为6~8h。试验抽水稳定标准为∶在抽水稳定的延续时间内,井的出水量、动水位仅在一定范围内波动,没有持续上升或下降的趋势。抽水过程中应考虑自然水位的变化和其他干扰因素的影响。试验抽水结束前应进行井水含砂量的测定。

3.质量控制

成孔时,井身直径不小于设计井径,井身顶角偏斜不超过1°。成井时。井管应安装在井正中,坐落在原状土层上,不得悬空。井管连接应圆直、牢固,偏斜度小于1°。滤水管安装位置偏差小于±300mm。

滤料应按设计的规格进行筛分,不符合规格的滤料不得超过设计数量的15%。滤料的磨圆度要好,棱角状砾石不应过多。滤料严禁采用碎石,不应含泥土和杂物。

深井施工完毕应进行竣工验收。竣工验收质量标准主要应有下述四个方面∶

1)在设计降深时的实测出水量,应不小于设计出水量。当具有位于同一水文地质单元且深井结构基本相同的已建深井资料时,新建深井的单位出水量应与已建深井接近。

2)抽水稳定后,井水含砂量体积比应小于1/20000~1/10000。3)实测井管的斜度应小于1°。

4)井管内沉淀物的高度应小于井深的5%。

4.9.5 真空管井施工

真空管井在自流深井的基础上,通过形成真空压力提高土层中的水力梯度,促进重力水的释放,一般用于以低渗透性的黏性土为主的弱含水层。

真空管井的施工方法与自流深井基本相同。但真空管井施工尚应满足下述要求∶宜采用真空泵抽气集水,深井泵或潜水泵排水。井管应严格密封,并与真空泵吸气管相连。单出水口与排水总管的连接管路中应设置单向阀。对于分段设置滤水管的真空管井,应对开挖后暴露的井管、滤水管、填砾层等采取有效封闭措施。井管内真空度不宜小于0.065MPa,宜在井管与真空泵吸气管的连接处安装高灵敏度的真空压力表进行监测。

4.9.6 电渗井点施工

电渗井点一般与轻型井点或喷射井点结合使用,即利用轻型井点或喷射井点本身作为阴极,另以φ20~25 的钢筋或d50~70的钢管或铝棒等材料作为阳极,利用电渗现象加速黏性土中水的排出,如图 4-49所示。

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电渗井点的理设程序一般是先埋设轻型井点或喷射井点,预留出布置电渗井点阳极的位置。当轻型井点或喷射井点不能满足降水要求时,再埋设电渗阳极,改善降水效果。因此电渗井点阴极的施工即为轻型井点或喷射井点的施工过程。阳极的埋设可采用75mm 旋叶式电钻钻孔埋设,钻进时加水和高压空气循环排泥。阳极就位后,利用下一钻孔排出的泥浆回灌填孔,以使阳极与土体接触良好,减小电阻,利于电渗。当埋设深度不大时,也可直接用锤击法打入。

阳极应埋设在井点管内侧,并与井点管平行交错排列。阳极埋设必须垂直,严禁与相邻阴极相碰,以免造成短路损坏设备。阴、阳极的数量宜相等,必要时阳极数量可多干阴极数量。阴、阳极间的距离,当采用轻型井点时为0.8~1.0m,当采用喷射井点时为1.2 ~1.5m。阳极外露地面以上的高度为200~400mm,入土深度应比井点管深 500mm,以保证水位能降到要求深度。

为防止大部分电流从土体表层通过而降低电渗效果,通电前应清除阴、阳极间地面上的导电物质,并使地面保持干燥,有条件时可涂一层沥青绝缘。此外,可在不需要通电的范围内,如渗透系数较大的土层中的阳极表面涂二层沥青绝缘,以减少耗电。

阴、阳极应分别与直流发电机或直流电焊机的相应电极可靠连接。通电时,工作电压不宜大于60V,土体中电流密度宜为0.5~1.0A/m²。工作时宜采用间歇通电,即每通电24h后停电2~3h,以避免因电解作用产生的气体积聚于电极附近使电阻增大而引起的电能消耗。

降水过程中应对电压、电流密度、耗电量及预设观测孔的水位等进行监测和记录。