CN103031850B - 一种低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井及施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地下工程降水技术领域，具体是一种低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井及其工艺，其特征在于井身结构采用钢管，分外管和内管。外管由死管和滤水管组成，其上、下段管壁为不透气的死管，中段管壁为开有滤水孔的滤水管，外管管顶、管底均密封。内管管壁密封，管顶、管底开放。内管与外管之间的真空腔顶部通过管道连接真空泵。内管内腔中安装潜水泵，潜水泵连接管道作为内腔出水口。本发明利用了真空效应，井管结构中设置了内外腔，外腔为独立的真空夹层，持续保持较高的真空度，疏干井的集水效率高，单井影响半径大；潜水泵安放在内腔，抽真空在外腔，相互不影响，工艺简单；大面积区域降水时，井的布置数量大大减少，预降水时间短。

Description

一种低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井及施工工艺

[技术领域]

本发明涉及地下工程降水技术领域，具体是一种低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井及施工工艺。

[背景技术]

随着我国经济的飞速发展，地铁行业日新月异，在我国十二五规划中，地铁逐步从大型城市走向中型城市，地铁建设环境也越来越复杂，已形成在各种地层中进行地铁车站建设。在地铁车站深基坑开挖前，通常采用基坑降水来固结土体，以提高坑内土体强度，减少坑底隆起和围护结构的变形量。在降水施工中，目前国内采用较多的方法：自渗井降水法、深井真空降水法。但是在低渗透性土层中，此类方法都不能满足工程降水需求。

1. 自渗井降水法：在低渗透性淤泥质粘土层降水时，施工中虽然采用了减小井距、增加井深和延长降水时间的措施，并且采取了多种工艺成井、多种方法洗井等办法，但降水效果仍然不明显，降水井抽不出水或出水量很小。同时，增加井深会导致上层滞水下渗，造成深层地下水资源污染。另外，不加限制的、大量的抽取地下水，不仅增加电耗，也加大地面沉降并浪费地下水资源，难以满足城市地铁施工等特定工程条件的降水工程。

2. 深井真空降水法：深井真空降水法是一种新技术，近年来在我国南方地区得到推广应用。目前应用较多的深井真空降水法有三种：深井泵+真空泵降水系统、潜水泵+真空泵降水系统和喷射器置入深井降水系统。但在工程实践中凸显密封性差、真空度不足、疏干效果不佳。

[发明内容]

本发明的目的就是为了解决现有技术中在低渗透性粘土层中抽水影响半径小和出水率低等技术问题和缺陷，提供一种能够弥补传统真空管井的不足，提高降水效果、降低工程成本和人工劳动强度的低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井，其特征在于井身结构采用钢管，分外管和内管，所述的外管由死管和滤水管组成，所述的外管上、下段管壁为不透气的死管，中段管壁为开有滤水孔的滤水管，滤水管管壁周围设有过滤层，所述的外管管顶和外管管底为密封结构，所述的内管管壁采用不透气的密封结构，内管管顶及内管管底均为开放式结构，降水时内管管底被水密封，所述的内管与外管之间的空间为真空腔，真空腔顶部通过管道连接真空泵，真空泵通过管道连接外腔出气口和外腔出水口，所述的内管内的空间为内腔，内腔内设有潜水泵，潜水泵连接管道为内腔出水口。

所述的外管直径为273mm、管壁厚度为4mm，内管直径为150～200mm、管壁厚度为3mm。

所述的外管上段死管长度不小于4.0m、外管下段死管长度为0.5m～1.0m。

所述的过滤层为40～60目的纱网。

所述的外管顶部的密封采用法兰和密封垫结构，法兰包括上法兰和下法兰，上法兰与内管连接，下法兰与外管连接，法兰上面开设有抽气孔和真空表孔，上下法兰之间采用橡胶垫圈密封。

所述的内管管底设置于目标降水水位以下不小于1m、抽水过程中内管内水位不低于内管管底从而被水密封。

所述的潜水泵进水口高于内管底部不小于1m。

本发明还包括一种低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井降水的施工工艺，其步骤包括：

a.护筒埋设: 按放样定好的井位埋设护筒，确保护筒的中心与井位的中心一致，护孔管插入原状土层中，管外用粘性土封堵，护孔管高出地面10～30cm;

b.钻机就位：钻机底座安装稳固水平，大钩对准孔中心，大钩、转盘、与孔中心成三点一线；

c.钻进成孔：疏干井开孔孔径直径为550mm，一径到底。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；

d.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1.05 g/cm³左右;

e.外管安装: 外管采用直径273mm的圆钢管，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;

f.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，直至滤料下入预定位置为止，地表以下回填3.00m厚粘性土；

g.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；

h.内管安装：降水井内管采用直径150～200mm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；

i.封井：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15mm厚环形钢板，上面开设有抽气孔和真空表孔；上法兰与内径200mm，壁厚3mm的内管联为一体，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；

j.安装真空泵、抽水设备：分别将真空泵、真空计与预留的接口连接，再安装内管潜水泵至设计标高；

k.加真空、抽水：启动真空泵，进行抽水。

本发明同现有技术相比，其优点在于：

1．降水井结构中设置了内外腔，外腔为独立的真空夹层结构，易于持续保持较高的真空度，真空度可达-0.07MPa至-0.09MPa之间。

2．降水井外腔保持着持续较高的真空度，疏干井的集水效率高，高达常规疏干井的5倍；单井影响半径是同条件下常规疏干井的1.2～1.5倍。

3．降水井内腔为开放式，底部采用水封，只需在设计安装时保持井管底部在目标降水水位以下即可。潜水泵安放在内腔，抽真空在外腔，相互不影响。

4．大面积区域降水时，井的布置数量大大减少；预降水时间短。

[附图说明]

图1是本发明的超真空疏干井主要结构示意图；

图2是本发明的井口结构示意图；

图3是本发明的工艺流程图；

如图所示，图中：1.上法兰  2.下法兰  3.橡胶垫圈  4.外管5.内管  6.锁紧螺栓  7.抽气孔  8.真空表孔  9.外腔出气口和外腔出水口  10. 外腔出水水表 11.出水口  12.内腔出水水表  13.真空泵  14.地下水  15.井管外腔  16.井管内腔  17.井管内壁  18.围填滤料  19.井管外壁  20.围填膨胀粘土  21.潜水泵  22.真空表；

指定图1为本发明的摘要附图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明作进一步说明，这种装置和方法的结构及原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

井成孔直径大于等于0.55m。其井身结构采用钢管，分外管和内管。外管直径273mm，由死管和滤水管组成，其上、下段管壁为不透气的死管，上段死管长度不小于4.0m、下段管长为0.5～1.0m；中段管壁为开有滤水孔的滤水管，滤水管管壁周围包扎砂网，一般40～60目滤网包扎2层。外管管顶密封，管底死头封堵。内管直径150～200mm，管壁密实不透气，管顶、管底均开放，管底设置于目标降水水位以下不小于1m、抽水过程中内管内水位不低于内管管底而被水密封。内管与外管之间的空间为真空腔，真空腔顶部通过管道连接真空泵，真空泵连接管道作为外腔出气口和外腔出水口。内管内的空间为内腔，内腔内安装潜水泵，潜水泵进水口高于内管底部不小于1m，潜水泵连接管道作为内腔出水口。

外腔井口密封采用法兰+密封垫，法兰包括上法兰和下法兰，上、下法兰均为15mm厚环形钢板，上面开设有抽气孔和真空表孔；上法兰与内径200mm，壁厚3mm的内管联为一体，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，如图2所示。

回填材料包括透水滤料和密封段材料。透水滤料采用2～4mm的砾石。密封段材料一般采用粘土，为回填便利应采用粘土球，最好采用优质膨润土球。

工艺流程分三步，分别为：钻孔、安装井管、降水，工艺流程图见图3。其主要操作为：

（1）平整场地、施工准备、井位定位

平整施工场地，钻机及各种施工材料进场，井位测量定位。

（2）护筒埋设

按放样定好的井位埋设护筒，确保护筒的中心与井位的中心一致，护孔管插入原状土层中，管外用粘性土封堵，护孔管高出地面10～30cm。

（3）钻机就位

钻机底座稳固水平，大钩对准孔中心，大钩、转盘、与孔中心成三点一线。

（4）钻进成孔

疏干井开孔孔径直径为550mm，一径到底。

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。

（5）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。

（6）外管安装

外管采用直径273mm的圆钢管，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。

（7）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，直至滤料下入预定位置为止，地表以下回填3.00m厚粘性土。

（8）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。

（9）内管安装

降水井内管采用直径150～200mm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。

（10）封井

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15mm厚环形钢板，上面开设有抽气孔和真空表孔；上法兰与内径200mm，壁厚3mm的内管联为一体，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。

（11）安装真空泵、抽水设备

分别将真空泵、真空计与预留的接口连接，再安装内管潜水泵至设计标高。

（12）加真空、抽水

启动真空泵，进行抽水。

成井施工质量控制标准为：

（1）井深误差：小于井深的2%；

（2）孔斜：每50 m小于0.5o；

（3）井水含砂量：抽水稳定后，小于1/20000（体积比）；

（4）井中水位降深：抽水稳定后，井中水位处于安全水位以下。

本发明在工程上的实施例试验情况如下：该试验站为某模拟地铁站试验站，为两条线路的换乘车站，两条线路中间设联络线，该试验车站共7个出入口，4个风井。试验车站场地地貌属海相沉积平原类型。

地基土物理力学性质指标统计表见表1。

本技术实施例试验于该试验车站的某出入口，基坑长31m，宽7.2m，基坑开挖深度约12m , 开挖深度范围内的地层分别为：①1-1杂填土①1-2粘土  ①1-3淤泥质粘土  ②2-1淤泥  ②2-2淤泥质粘土  ③粉质粘土夹粉砂  ④粘土  ⑤5-1 粘土  ⑤5-2 粉质粘土  ⑤5-3 砂质粘土  ⑥6-1 粉质粘土  ⑥6-2 粉质粘土  ⑥6-3 砂质粘土  ⑥6-2T 粘土  ⑦粉质粘土  ⑧8-1粉细砂  ⑧8-1T 粉质粘土。

拟降水深度13m。在该基坑内布设了2口超真空双管疏干井，抽水时间为9天，降水深度达13.2 m，最大涌水速率达0.167 m³/h，为常规降水试验的5倍以上。在基坑开挖时，基坑内土体固结效果较好。基坑施工稳定、安全。

Claims (8)

1.一种低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井，其特征在于井身结构采用钢管，分外管和内管，所述的外管由死管和滤水管组成，所述的外管上、下段管壁为不透气的死管，中段管壁为开有滤水孔的滤水管，滤水管管壁周围设有过滤层，所述的外管管顶和外管管底为密封结构，所述的内管管壁采用不透气的密封结构，内管管顶及内管管底均为开放式结构，降水时内管管底被水密封，所述的内管与外管之间的空间为真空腔，真空腔顶部通过管道连接真空泵，真空泵通过管道连接外腔出气口和外腔出水口，所述的内管内的空间为内腔，内腔内设有潜水泵，潜水泵连接管道为内腔出水口。

2.如权利要求1所述的一种低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井，其特征在于所述的外管直径为273mm、管壁厚度为4mm，内管直径为150～200mm、管壁厚度为3mm。

3.如权利要求1所述的一种低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井，其特征在于所述的外管上段死管长度不小于4.0m、外管下段死管长度为0.5m～1.0m。

4.如权利要求1所述的一种低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井，其特征在于所述的过滤层为40～60目的纱网。

5.如权利要求1所述的一种低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井，其特征在于所述的外管顶部的密封采用法兰和密封垫结构，法兰包括上法兰和下法兰，上法兰与内管连接，下法兰与外管连接，法兰上面开设有抽气孔和真空表孔，上下法兰之间采用橡胶垫圈密封。

6.如权利要求1所述的一种低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井，其特征在于所述的内管管底设置于目标降水水位以下不小于1m、抽水过程中内管内水位不低于内管管底从而被水密封。

7.如权利要求1所述的一种低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井，其特征在于所述的潜水泵进水口高于内管底部不小于1m。

8.一种如权利要求1所述的低渗透性淤泥质粘土层超真空双管疏干井降水的施工工艺，其特征在于所述的工艺步骤包括：

a.护筒埋设: 按放样定好的井位埋设护筒，确保护筒的中心与井位的中心一致，护孔管插入原状土层中，管外用粘性土封堵，护孔管高出地面10～30cm;

b.钻机就位：钻机底座安装稳固水平，大钩对准孔中心，大钩、转盘、与孔中心成三点一线；

c.钻进成孔：疏干井开孔孔径直径为550mm，一径到底。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；

d.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1.05 g/cm³左右;

e.外管安装: 外管采用直径273mm的圆钢管，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;

f.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，直至滤料下入预定位置为止，地表以下回填3.00m厚粘性土；

g.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；

h.内管安装：降水井内管采用直径150～200mm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；

i.封井：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15mm厚环形钢板，上面开设有抽气孔和真空表孔；上法兰与内径200mm，壁厚3mm的内管联为一体，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；

j.安装真空泵、抽水设备：分别将真空泵、真空计与预留的接口连接，再安装内管潜水泵至设计标高；

k.加真空、抽水：启动真空泵，进行抽水。