CN110847200B - 一种环基坑水平砂井降水疏干结构及降水疏干方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环基坑水平砂井降水疏干结构及降水疏干方法，其环基坑水平砂井降水疏干结构包括若干个环绕基坑间隔设置的竖向砂井和至少一个环绕基坑设置的水平砂井，水平砂井位于基坑所在的含水层中，水平砂井与竖向砂井相连，水平砂井还连接有若干个竖向管井，竖向管井包括滤水段和储水段，滤水段和储水段的分界线位于最下方水平砂井的底界面上或低于最下方水平砂井的底界面，储水段内设置有抽水设备。本发明在达到对基坑降水疏干目的时，采用的水平砂井结构底界面的位置很浅，其远小于垂直井点深度，从而避免抽取更多无关地下水，使因多抽取地下水、多抽取深层地下水而引发的一系列问题得到缓解，甚至得到较好的解决。

Description

一种环基坑水平砂井降水疏干结构及降水疏干方法

技术领域

本发明涉及建筑施工领域，具体涉及一种环基坑水平砂井降水疏干结构及降水疏干方法。

背景技术

基坑降水主要采用环绕基坑围边的垂直井点抽水方法来降低基坑水位，但是，由于垂直井点降水的漏斗深，致使要使基坑水位降低至工程要求的高程，井点深度往往很大，比如某地区的深7～9m的基坑降水井点通常设置达20～25m。这么深的井点，所穿越的含水层往往是多层的，而下部的一些含水层对基坑影响可以忽略不计，但仍需要抽取其地下水。不少地区都存在这种现象，即浅层含水层富水弱，而往深部则富水强。按目前业内这种办法进行基坑降水，有如下问题：井点深度大，抽水成本高；抽取了不必要抽取的地下水，浪费地下水资源，因此也易污染下部水资源；引起地面过大沉降，尤其是不均匀沉降，给工程周围环境造成严重的恶劣影响。

例如，公开号为CN201110224948的发明专利公开了一种井点定位抽水管井及井点定位抽水法，通过采用无砂管井段、储水管井段组成的降水管井，有效地集聚了基坑降水深度范围内含水层中的水源，利用抽水设备定水位抽取储水管井段储存的水源，可解决不多抽水、抽降水不污染基坑降水深度以下的独立含水层中地下水源以及含水层地下水不丰富时的“疏不干”条件下的“疏不干”的难题。但是其仍属于垂直井点降水结构范围，有效汇水面小，导致排水抽水时间长，抽取的地下水仍然过多，因不具有切断基坑内外水力联系的功能，当“疏不干”条件下的含水层地下水丰富时，“疏不干”的难题仍无法解决。

发明内容

本发明为克服现有技术中采用垂直井点抽水法进行基坑降水而产生的总降水量大、降水浸润线陡，易存在疏不干、管涌、地面不均匀沉降的问题，提供一种环基坑水平砂井降水疏干结构及降水疏干方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种环基坑水平砂井降水疏干结构，包括若干个环绕基坑间隔设置的竖向砂井和至少一个环绕基坑设置的水平砂井，所述水平砂井位于基坑所在的含水层中，水平砂井与竖向砂井相连，水平砂井还连接有若干个竖向管井，若干个所述竖向管井围绕基坑间隔设置，竖向管井包括滤水段和储水段，所述滤水段和储水段由上至下依次设置，滤水段和储水段的分界线位于最下方水平砂井的底界面上或低于最下方水平砂井的底界面，所述储水段内设置有抽水设备。

进一步地，所述水平砂井包括若干个首尾依次相连的圆柱形的砂柱和位于砂柱上方的护壁圈，相邻所述砂柱之间存在部分交割，砂柱与竖向砂井同心设置。

一种环基坑水平砂井降水疏干结构的降水疏干方法，包括以下步骤：

步骤A.根据基坑工程施工位置，确定含水层系，确定各含水层厚度、降深及下含水层位置；

步骤B.根据水渠地下水动力学理论公式，以基坑内的降水浸润线位于基坑坑底0.5m以下为条件，计算水平砂井位于下含水层的位置与尺寸；

步骤C.根据步骤B中水平砂井的位置与尺寸，确定竖向砂井的直径、砂柱的位置和尺寸及间距，以竖向砂井的直径和砂柱的间距为施工数据，在基坑的周围施工竖向直孔以形成竖向砂井的孔型；

步骤D.根据砂柱的位置和尺寸确定竖向直孔孔底的扩孔尺寸，采用水下土体扩搅器在步骤C的竖向直孔的底部内进行扩搅硬化，在砂柱部位的顶部制作护壁圈，形成的护壁圈为伞状，将扩搅范围内部的土取出，从而扩底空间，也即砂柱的空间形成；

步骤E.在步骤D中形成的扩孔及竖向直孔内填充高透水性材料，即形成砂柱和竖向砂井；

步骤F.计算基坑涌水量，确定竖向管井的数量、位置和尺寸，钻孔，在储水段外周填充隔水材料，在滤水段填充高透水性材料；

步骤G.在竖向管井的储水段中设置抽水设备，用于将渗入竖向管井中的水抽出；

步骤H.当基坑降水任务完成，对竖向管井填堵并封闭。

进一步地，在步骤B中，水平砂井的底界面位于含水层层底界面位置或靠近该界面位置时，水平砂井的底界面应下移至该含水层下方的隔水层中。

进一步地，最上层含水层水位线以上的所述竖向砂井采用隔水材料填充。

进一步地，若基坑工程位置的下含水层之上的一层或多层含水层水量丰富，且单水平砂井降水疏干结构无法将其疏干并会对基坑工程施工产生较严重影响时，则在此一层或多层含水层中增设一层或多层水平砂井，增设的所述水平砂井的底界面设置在该含水层下方的隔水层中。

进一步地，所述水下土体扩搅器固定设置在钻杆下端，所述钻杆为带芯管的双重管钻杆，水下土体扩搅器包括外管、内管、切削搅拌架、钻头和输浆系统，所述外管上端与钻杆固定连接，所述内管上下滑动套合在外管内下部，所述切削搅拌架圆周阵列设置在外管和内管之间，所述钻头固定设置在内管下端；

所述外管内上部设置有隔板，所述隔板上方连通有连接芯管，所述连接芯管与外管同轴固定设置；

所述切削搅拌架由上切削板和下切削板组成，所述上切削板上端与外管下端外壁铰接，所述下切削板上端与上切削板下端铰接、下端与内管下端外壁铰接；

所述输浆系统由上出浆孔、下出浆孔、⊥形孔、侧通孔、低通管、上通管和下通管组成，所述上出浆孔、下出浆孔、⊥形孔和侧通孔分别设置在上切削板、下切削板、钻头和内管内，所述上出浆孔一端位于上切削板上端中部、另一端位于上切削板下端侧面，所述下出浆孔一端位于下切削板下端中部、另一端位于下切削板上端侧面，所述⊥形孔的截面呈“⊥”形，⊥形孔上端位于钻头顶面中心处、下端位于钻头的圆周侧壁上，所述侧通孔圆周阵列设置在内管下部，侧通孔一端与⊥形孔下端连通、另一端通过下通管与下出浆孔连通，所述上通管和低通管均位于外管内，所述上通管一端连通至隔板、另一端穿过外管下部连通至上出浆孔，所述低通管上端连通至连接芯管、下端连通至⊥形孔上端。

进一步地，所述外管内侧壁圆周阵列设置有若干个竖直的凹槽，所述凹槽的数量等于上通管的数量，所述上通管位于凹槽内。

进一步地，所述上切削板远离上出浆孔的一侧和下切削板远离下出浆孔的一侧均设置有切削刃，上切削板的切削刃和下切削板的切削刃同向设置。

通过上述技术方案，本发明的有益效果为：

本发明位于含水层中的水平砂井由高透水性材料填充而成，形成的环基坑的水平砂井结构的渗透性大于其周围含水层的渗透性，含水层中的水向竖向砂井、水平砂井内渗透，并流动至竖向管井内，所以当在竖向管井中大量抽水，竖向管井内水位下降，进而引发高渗透性的水平砂井结构中的水流入到竖向管井中，水平砂井结构中的水位快速降低，从而使水平砂井结构内的水压降低，水平砂井水压降低又引起水平砂井周围的地下水向水平砂井中流动。

水平砂井降水疏干结构中的水平砂井可视为一环基坑的连续砂墙，当水平砂井底界面设置在该含水层的下方的隔水层中时，具有切断基坑内外水力联系的功能，所谓基坑内外指，水平砂井降水疏干结构所围部分即为内、所围部分之外即为外，切断基坑内外水力联系能彻底解决“疏不干”难题。水平砂井结构中竖向砂井可以将其所在的含水层中的地下水无任何限制条件地导入到水平砂井中，起着渗水井的作用，可以疏干其通过的含水层的地下水。因此，本发明的水平砂井降水疏干结构的设计，使得其各部分充分协作、密切配合，能很好地实现基坑降水疏干的目的。

当基坑工程的下含水层之上的一层或多层含水层水量丰富，且单水平砂井降水疏干结构无法将其疏干并会对基坑工程施工产生较严重影响时，则可以通过在此一层或多层含水层底界面处增设一层或多层水平砂井结构，增设的水平砂井结构的底界面位于在该含水层下方的隔水层中，从而实现基坑快速降水疏干的目的。对于基坑工程的这种多层富水含水层的情形，目前广泛使用的垂直井点降水方法的降水疏干效果不如人意，即使通过大幅缩减井点间距来改善效果，但垂直井点降水的缺点依旧存在，“疏不干”问题仍然难以避免。

绕基坑的水平砂井结构，使基坑内地下水的浸润线比其设置单个水渠时的更缓，从而在达到对基坑降水疏干目的时，采用的水平砂井结构底界面的位置也很浅，其远小于垂直井点深度，从而避免抽取更多无关地下水，使因多抽取地下水、多抽取深层地下水而引发的一系列问题得到缓解，甚至得到较好的解决。

附图说明

图1是本发明的竖向砂井、竖向管井、水平砂井和基坑的俯视结构示意图之一；

图2为实施例一的结构示意图；

图3是本发明的竖向砂井、竖向管井、水平砂井和基坑的俯视结构示意图之二；

图4是本发明图3的A-A剖面结构示意图之一；

图5是本发明图3的B-B剖面结构示意图；

图6是本发明图3的A-A剖面结构示意图之二；

图7是本发明的水下土体扩搅器的结构示意图之一；

图8是本发明的水下土体扩搅器的结构示意图之二；

图9是本发明的水下土体扩搅器的结构示意图之三；

图10是本发明的水下土体扩搅器的结构示意图之四；

图11是本发明的水下土体扩搅器的纵向剖视图；

图12是本发明的水下土体扩搅器的横向剖视图；

图13是本发明的切削搅拌架的剖视图；

图14是本发明的水下土体扩搅器的施工过程图之一；

图15是本发明的水下土体扩搅器的施工过程图之二；

图16是本发明的水下土体扩搅器的施工过程图之三；

图17是本发明的水下土体扩搅器的施工过程图之四；

图18是本发明实施例四中图3的A-A剖面结构示意图之三；

图19是本发明实施例五中图3的A-A剖面结构示意图之四；

图20是本发明实施例六中图3的A-A剖面结构示意图之五。

附图中标号为：20为竖向砂井，30为竖向管井，40为基坑，50为浸润线，60为护壁圈，70为水平砂井，80为砂柱；

101为第一隔水层，100为第一含水层，201为第二隔水层，200为第二含水层，301为第三隔水层，300为第三含水层，401为第四隔水层；

1为外管，2为内管，3为切削搅拌架，301为上切削板，302为下切削板，4为钻头，5为隔板，6为连接芯管，7为上出浆孔，8为下出浆孔，9为⊥形孔，10为侧通孔，11为低通管，12为上通管，13为下通管，14为定位箍。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

为便于描述，将地下的含水层由上至下依次称为第一含水层100、第二含水层200、第三含水层300等，将地面与第一含水层100、各含水层之间的隔水层依次称为第一隔水层101、第二隔水层201、第三隔水层301、第四隔水层401等。

实施例一

如图1所示，一种环基坑水平砂井降水疏干结构，包括若干个环绕基坑40间隔设置的竖向砂井20和至少一个环绕基坑40设置的水平砂井70，所述水平砂井70位于基坑40所在的含水层中，水平砂井70与竖向砂井20相连，水平砂井70还连接有若干个竖向管井30，若干个所述竖向管井30围绕基坑40间隔设置，竖向管井30包括滤水段和储水段，所述滤水段和储水段由上至下依次设置，滤水段和储水段的分界线位于最下方水平砂井70的底界面上或低于最下方水平砂井70的底界面，所述储水段内设置有抽水设备。

本实施例中，环绕基坑40设置的水平砂井70的数量为一个，作为一种优选的实施方式，如图2所示，水平砂井70位于基坑40所在的下含水层中，下含水层为对基坑施工有危害性影响的最深的含水层。

水平砂井70及竖向砂井20可由高透水性材料填充而成，其渗透性大于其周围含水层的渗透性。水平砂井70围绕基坑40设置，水平砂井70所在的下含水层中形成对基坑40进行排水疏干的砂墙，竖向砂井20的设置连通上下含水层，使竖向砂井20所在各含水层中的水通过竖向砂井20进入水平砂井70中，所以当在竖向管井30中大量抽水，竖向管井30内水位下降，进而引发高渗透性的水平砂井70中的水流入到竖向管井30中，水平砂井70结构中的水位快速降低，从而使水平砂井70结构内的水压降低，水平砂井70水压降低又引起水平砂井70和竖向砂井20周围的地下水及竖向砂井20的水向水平砂井70中流动，从而实现快速排水降水，且排水量大。

地下水动力学理论表明，水渠汇水快，两侧含水层中的浸润线缓，水渠水面和两侧地下水面形同蝶形，比垂直井点的降落漏斗形的浸润线平缓。基坑内地下水受周围形成的环形水平砂井排水的影响，浸润线比单个水渠时的更缓。也即是水平砂井70底界面的位置可以很浅，其远远小于垂直井点深度，从而避免抽取更多无关地下水，使因多抽取地下水、多抽取深层地下水而引发的一系列问题得到缓解，甚至得到较好的解决。

作为一种优选的实施方式，水平砂井70的截面采用矩形，如图2所示，进一步地提高单位面积的进水量，实现大排量、快排水。

实施例二

基于实施例一的基础上，由于截面为矩形的所述水平砂井70在实际施工中难度大、成本高，所以本实施例中，如图3至图5所示，所述水平砂井70包括若干个首尾依次相连的圆柱形砂柱80和位于砂柱80上方的护壁圈60，相邻所述砂柱80之间存在部分交割，砂柱80与竖向砂井20同心设置。本实施例中，砂柱80与竖向砂井20同心设置，在对竖向砂井20钻直孔接近水平砂井70位置时，采用水下土体扩搅器对水平砂井70部位的顶部土体进行扩搅硬化，制作形成护壁圈60，形成的护壁圈60为伞状，随后在护壁圈60护顶和泥浆护侧壁的作用下取出砂柱部位的土体，从而砂柱80空间形成，因护壁圈60要靠其下部扩孔空间的四周外壁砂土支撑，以防坠落下塌，因而护壁圈60下部直径大于砂柱80的直径，同时也可以防止扩砂柱80的孔时扩孔空间外壁沙土的散落而引发其顶部垮塌。相邻砂柱80之间存在交割，实现扩孔部位的连通，以形成相连通的与实施例一相似的水平砂井70中的水流路径，此外，由于相邻砂柱80之间存在交割，其交割部分的截面仍为矩形。

实施例三

在上述实施例的基础上，如图3～图5所示，一种环基坑水平砂井降水疏干方法，包括以下步骤：

步骤A.根据基坑工程施工位置，确定含水层系，确定各含水层厚度、降深及下含水层位置，判断各含水层的含水量的多少，本实施例中基坑工程范围内有两层含水层即第一含水层100和第二含水层200，根据对基坑施工有危害性影响的最深的含水层为下含水层的依据，判断第二层含水层200即为下含水层；

步骤B.根据水渠地下水动力学理论公式，以基坑内的降水浸润线位于基坑坑底0.5m以下为条件，计算水平砂井70位于下含水层的位置与尺寸；若计算得出水平砂井70的底界面高于下含水层的底界面，且不易使该含水层形成“疏不干”情况，则形成如图4所示的示意图，位于基坑40所在的下含水层的所述水平砂井70全部位于下含水层中，即水平砂井70全部位于第二含水层200中；若计算得出水平砂井70的底界面位于含水层层底界面位置或靠近该界面位置时，此种状态含水层易成为 “疏不干”含水层，为避免此种“疏不干”情况，水平砂井70的底界面应下移至该含水层下方的隔水层中，如图6所示，此时位于基坑40所在的下含水层中的所述水平砂井70部分位于下含水层中，该水平砂井70的底界面低于下含水层的底界面，并位于下含水层下方的隔水层中，也即是水平砂井70部分位于第二含水层200中，部分位于第三隔水层301中；

步骤C.根据步骤B中水平砂井70的位置与尺寸，确定竖向砂井20的直径、砂柱80的位置和尺寸及间距，以竖向砂井20的直径和砂柱80的间距为施工数据，在基坑40的周围施工竖向直孔以形成竖向砂井20的孔型；

步骤D.根据砂柱80的位置和尺寸确定竖向直孔孔底的扩孔尺寸，采用水下土体扩搅器在步骤C的竖向直孔的底部进行扩搅硬化，在砂柱80部位的顶部制作护壁圈60，形成的护壁圈60为伞状，随后在护壁圈60护顶和泥浆护侧壁的作用下取出砂柱80部位的土体，从而扩底空间，也即砂柱80的空间形成，因护壁圈60要靠其下部扩孔空间的四周外壁砂土支撑，以防坠落下塌，因而护壁圈60下部直径大于砂柱80的直径，同时也可以防止扩砂柱80的孔时扩孔空间外壁沙土的散落、其顶部垮塌；

步骤E.在步骤D中形成的扩孔及竖向直孔内填充高透水性材料，例如砾砂，即形成砂柱80和竖向砂井20，位于最上层含水层水位线以上的竖向砂井20采用隔水材料填充，如黏土，以防止地面水下灌；

步骤F.计算基坑涌水量，确定竖向管井30的数量、位置和尺寸，钻孔，在储水段外周填充隔水材料，如黏土，在滤水段外周填充高透水性材料，例如砾砂，位于最上层含水层水位线以上的竖向管井30滤水段外周可填充隔水材料，如黏土；

步骤G.在竖向管井30的储水段中设置抽水设备，如潜水泵，设置泵的启停控制水位，进行自动定位抽水，用于将渗入竖向管井30中的水抽出；

步骤H.当基坑降水任务完成，对竖向管井填堵并封闭。

在步骤B中，如图6所示，水平砂井70的底界面下移至该含水层下方的隔水层中，此时具有切断基坑内外水力联系的功能，所谓基坑内外指，水平砂井降水疏干结构所围部分即为内、所围部分之外即为外，切断基坑内外水力联系能彻底解决“疏不干”难题。水平砂井结构中竖向砂井可以将其所在的含水层中的地下水无任何限制条件地导入到水平砂井中，起着渗水井的作用，可以疏干其通过的含水层的地下水。因此，整个水平砂井结构的设计，使得其各部分充分协作、密切配合，能很好地实现基坑降水疏干的目的。

如图7～图17所示，在步骤D中砂柱80的扩搅制造护壁圈60的施工中，采用的水下土体扩搅器固定设置在钻杆下端，所述钻杆为带芯管的双重管钻杆，所述水下土体扩搅器包括外管1、内管2、切削搅拌架3、钻头4和输浆系统，所述外管1上端与钻杆固定连接，所述内管2上下滑动套合在外管1内下部，所述切削搅拌架3圆周阵列设置在外管1和内管2之间，所述钻头4固定设置在内管2下端；所述外管1内上部设置有隔板5，所述隔板5上方连通有连接芯管6，所述连接芯管6与外管1同轴固定设置；所述切削搅拌架3由上切削板301和下切削板302组成，所述上切削板301上端与外管1下端外壁铰接，所述下切削板302上端与上切削板301下端铰接、下端与内管2下端外壁铰接；所述输浆系统由上出浆孔7、下出浆孔8、⊥形孔9、侧通孔10、低通管11、上通管12和下通管13组成，所述上出浆孔7、下出浆孔8、⊥形孔9和侧通孔10分别设置在上切削板301、下切削板302、钻头4和内管2内，所述上出浆孔7一端位于上切削板301上端中部、另一端位于上切削板301下端侧面，所述下出浆孔8一端位于下切削板302下端中部、另一端位于下切削板302上端侧面，所述⊥形孔9的截面呈“⊥”形，⊥形孔9上端位于钻头4顶面中心处、下端位于钻头4的圆周侧壁上，所述侧通孔10圆周阵列设置在内管2下部，侧通孔10一端与⊥形孔9下端连通、另一端通过下通管13与下出浆孔8连通，所述上通管12和低通管11均位于外管1内，所述上通管12一端连通至隔板5、另一端穿过外管1下部连通至上出浆孔7，所述低通管11上端连通至连接芯管6、下端连通至⊥形孔9上端。

所述外管1的内径等于内管2的外径。

所述外管1下部内壁圆周阵列设置有若干个竖直的导槽，所述内管2上部外壁圆周阵列设置有若干个竖直的导条，所述导条与导槽一一对应，导条的截面形状与导槽的截面形状对应。

所述外管1内侧壁圆周阵列设置有若干个竖直的凹槽，所述凹槽的数量等于上通管12的数量，所述上通管12位于凹槽内。

所述内管2下部套合有若干个定位箍14，所述定位箍14的外径等于外管1的外径。

所述上切削板301远离上出浆孔7的一侧和下切削板302远离下出浆孔8的一侧均设置有切削刃，上切削板301的切削刃和下切削板302的切削刃同向设置。

水下土体扩搅器的具体施工步骤：

a、确定扩搅范围：根据扩底高程、扩底空间尺寸和拟设置的浆土护壁圈厚度确定扩搅区域的形状、尺寸和顶底高程；

b、确定水下土体扩搅器的尺寸：根据最大扩搅范围，确定外管1、内管2的高度和切削搅拌架3的尺寸；

c、选择钻杆：当扩搅高度与外管1高度相当时，选用常规钻杆；当扩搅高度大于外管1高度时，与外管1相接的钻杆宜选用螺旋叶片钻杆，螺旋叶片钻杆总长度与外管1高度之和不小于扩搅范围的高度，其它段的钻杆可为常规钻杆，也可以为螺旋叶片钻杆；

d、配制浆液：根据地质条件和工程要求综合确定浆土护壁圈固化强度和厚度，配制相配套的初凝时间的浆液；

e、钻直孔：按规范要求钻直孔到扩搅范围的上高程处；

f、进行扩搅：通过水下土体扩搅器对步骤e钻出的直孔进行扩搅；

g、取土：待施工前进方向上的邻孔扩搅完成后，采用常规的取土扩孔装置将扩搅范围内部的土取出，保留扩搅范围留下浆液形成的外圈，称为护壁圈2001。

步骤d中配制的浆液为两种，应确定每种单浆液，以及两种浆液混合后的合理初凝时间。

步骤f中通过钻杆将水下土体扩搅器送至步骤e钻出的直孔底部，切削搅拌架3张开至接触直孔壁，将步骤d中配制的两种浆液分别通过钻杆的芯管和芯管与钻杆内壁之间的间隙输送至上通管12和低通管11，通过钻杆对水下土体扩搅器旋压，外管1沿内管2向下滑动，切削搅拌架3旋切孔壁土体，两种浆液分别从上出浆孔7、下出浆孔8中带压流出，进入旋切松动的土体中，并随切削搅拌架3的搅动与土体进一步拌合并逐渐初凝，形成浆土合体，同时切削搅拌架3进一步张开并切削搅拌土体；如此一直到切削搅拌架3逐渐张开至最大时，也即当切削搅拌架3逐渐张开至最大时，加大钻杆压力，钻头4向下钻进，同时切削搅拌架3以最大张开度旋切孔周土体，并不断出浆拌合旋切松动的土体，如此直至到达了设计搅拌范围的底高程；扩搅完成后，水下土体扩搅器缓缓上提，停止步骤d中配制浆液输送，改为输送强度低的充填浆液，随着水下土体扩搅器缓缓上提，切削搅拌架3在旋转过程中搅拌与回拢，残留在水下土体扩搅器内的浆液对扩搅范围底部进行加固；随着充填浆液的到来，充填浆液将充填水下土体扩搅器移离而留下的空间，从而维持扩搅区域的稳定。

当扩搅器置于孔底，钻头4受到孔底土体阻挡而停止下行，切削搅拌架3张开并触碰到孔壁。启动浆液输送，对钻杆进行旋压，扩搅器的外管1沿其与内管2之间的套合面下行，切削搅拌架3旋切孔壁土体，浆液沿各自管道与路径从出浆孔中带压流出，并进入到旋切松动的土体中。在紧邻随后的切削板搅动中，浆液与土体进一步拌合并快速初凝与固化，同时切削搅拌架3进一步张开。此阶段，因受孔底土体阻力作用，钻头4下行阻力大于切削搅拌阻力，钻杆对扩搅器的旋压作用，主要是使切削搅拌架3逐渐张开到设计的开度钻头4因受压旋转，也会产生一定量的下行钻进。钻头4的锥角越大，孔底土体越密实，这种下行钻进量越小。当切削搅拌架3逐渐张开至最大时，加大钻杆压力，钻头4下行钻进，同时切削搅拌架3以最大张开度旋切孔周土体，并不断从出浆孔中出浆拌合旋切松动的土体，如此直至也就到达了设计搅拌的底高程，之后水下土体扩搅器上提移出孔外。

由于出浆孔位于上切削板301与下切削板302铰接处附近，所以在这个部位浆液固化最好，也即扩搅范围的外周将会形成一个强度相对高的硬圈层，而扩搅范围的内部虽有浆液渗入，强度增强相对弱些但整体性得到一定的加强，这正好为下一步扩底取土提供非常便利的条件。

扩搅完成后扩搅器上提时，仍需要原向旋转，并停止原浆液输送，改为输送固化后强度低的充填浆液。此时，随着扩搅器缓缓上提，切削搅拌架3在旋转过程中搅拌与回拢，残留在管内的原浆液刚好加固扩搅范围底部。之后随之而来的充填浆液将会充填扩搅器移离而留下的空间，从而维持扩搅区域的稳定，尤其是外周的高强度圈层的稳定。扩搅器上提时，应注意上提速度，过快则会造成扩搅器底部形成过大的真空吸力，对砂浆护壁圈2001的形成产生不利的影响。

在围绕基坑40周围的水平砂井70的施工过程中，竖向砂井20及其下方砂柱80的钻孔需一个挨着一个先行施工，孔中填砾工作后行，正在填充砾砂的竖向砂井20与砂柱80的孔与正扩孔的砂柱80空间的孔之间需要间隔不少于2个孔位。

在步骤F中，竖向管井30由滤水段和储水段组成。滤水段的钻扩孔同竖向砂井20的成孔和砂柱80段的扩孔，储水段的成孔同竖向砂井20的成孔，其具体施工步骤如下：

ⅰ、如前序叙步骤在竖向管井30的孔位上先形成同竖向砂井20和砂柱80的空间，砂柱80空间在原设计方案上宜向下延伸30~50cm；

ⅱ、待竖向管井30位置两侧的竖向砂井20和砂柱80的空间均形成后，采用同竖向砂井20的常规取土钻进方法，从砂柱80空间底面往下取土钻进至竖向管井30的设计底高程；

ⅲ、逐节下放储水管，直至储水管的孔口位于砂柱80空间的底界面或略低于该底界面；再下放滤水管至孔口，其中最下面一节储水管的底部为封闭状态，不透水；

ⅳ、储水管、滤水管的外管壁与钻孔的内壁之间存间隙，通过投料充填该间隙。由于储水段是不透水的，故该段间隙的充填料可以是不透水材料，也可以是与竖向砂井20或砂柱80相同的充填材料。当储水段下延至下含水层之下的含水层中时，应采用软流质不透水材料，如掺有膨胀剂和水泥的稠泥浆或粘土浆，此时可以通过置于储水管外壁随储水管下放至孔底的小直径PVC管进行定向定量输送填料，直至储水段填料的上端到达储水管的顶部，或者到达能切断下含水层地下水与下含水层之下的含水层地下水的水力联系的高程，以防止多抽水并保护地下水资源不受污染。滤水段的管壁与钻孔间隔的充填，可在其两侧砂柱80填料之前进行，填充材料与竖向砂井20与砂柱80相对应即可。滤水段位于最上层含水层水位线以上的部分采用隔水材料填充，如黏土，以防止地面水下灌；

ⅴ、待大部分降水结构施工完成后，按规范要求对竖向管井30进行洗井，然后下潜抽水装置如水泵进行抽排水。

实施例四

在实施例三的基础上，如图18所示，本实施例在步骤A中若对基坑工程施工位置勘测确定的含水层为一层，则第一含水层100即为下含水层，水平砂井70全部位于下含水层中。

实施例五

在实施例三的基础上，步骤A中若基坑工程的下含水层之上有一层或多层含水层的含水量丰富，且单个水平砂井降水疏干结构无法将其疏干并对基坑工程施工产生较严重影响时，则需在此一层或多层含水层中增设一层或多层水平砂井70，其增设的水平砂井70与下含水层的水平砂井70相对应，增设的所述水平砂井70的底界面设置在该含水层下方的隔水层中，用于切断基坑内外该含水层的水力联系。由此，多层水平砂井结构形成了横竖网格状的砂井结构，如图19所示。

本实施例中，下含水层为第三含水层300，第三含水层300与第二含水层200内均设置水平砂井70，两个水平砂井70相对应，下方的水平砂井70全部位于下含水层中。而该砂井结构的施工与上述实施例相比，仅在于单个竖向砂井施工不同，此时，钻扩孔施工顺序是由上而下，即直孔钻进-扩底-直孔钻进-扩底，也即可以采用扩搅器和常规取土扩孔装置先完成上层水平砂井70的扩孔，再顺序往下施工其下的多段水平砂井70的扩孔，再从下往上依次满填高渗透性的砾砂料。

对于基坑工程中的这种多层含水层富水的情形，现有技术中广泛使用的垂直井点降水方法的降水疏干效果不如人意，即使通过大幅缩减井点间距来改善效果，但垂直井点降水的缺点依旧存在，“疏不干”问题仍然难以避免，而本发明的本实施例中采用多层水平砂井70的形式能够较好地解决这个问题，从而实现基坑快速降水疏干的目的。

实施例六

本实施例与实施例五基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于，在步骤B中，当计算得出下含水层中的水平砂井70的底界面位于第三含水层300底界面位置或靠近该界面位置时，此种状态含水层易成为 “疏不干”含水层，为避免此种“疏不干”情况，水平砂井70的底界面下移至该含水层下方的隔水层中，即如图20所示，下方的水平砂井70部分位于下含水层中，其水平砂井70的底界面低于下含水层的底界面，并位于下含水层下方的隔水层中。

以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (8)

1.一种环基坑水平砂井降水疏干方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A.根据基坑工程施工位置，确定含水层系，确定各含水层厚度、降深及下含水层位置；

步骤B.根据水渠地下水动力学理论公式，以基坑内的降水浸润线位于基坑坑底0.5m以下为条件，计算水平砂井（70）位于下含水层的位置与尺寸；

步骤C.根据步骤B中水平砂井（70）的位置与尺寸，确定竖向砂井（20）的直径、砂柱（80）的位置和尺寸及间距，以竖向砂井（20）的直径和砂柱（80）的间距为施工数据，在基坑的周围施工竖向直孔以形成竖向砂井（20）的孔型；

步骤D.根据砂柱（80）的位置和尺寸确定竖向直孔孔底的扩孔尺寸，采用水下土体扩搅器在步骤C的竖向直孔的底部内进行扩搅硬化，在砂柱（80）部位的顶部制作护壁圈（60），形成的护壁圈（60）为伞状，将扩搅范围内部的土取出，从而扩底空间，也即砂柱（80）的空间形成；

步骤E.在步骤D中形成的扩孔及竖向直孔内填充高透水性材料，即形成砂柱（80）和竖向砂井（20）；

步骤F.计算基坑涌水量，确定竖向管井（30）的数量、位置和尺寸，钻孔，在储水段外周填充隔水材料，在滤水段填充高透水性材料；

步骤G.在竖向管井（30）的储水段中设置抽水设备，用于将渗入竖向管井中的水抽出；

步骤H.当基坑降水任务完成，对竖向管井填堵并封闭；

所述水下土体扩搅器固定设置在钻杆下端，所述钻杆为带芯管的双重管钻杆，水下土体扩搅器包括外管（1）、内管（2）、切削搅拌架（3）、钻头（4）和输浆系统，所述外管（1）上端与钻杆固定连接，所述内管（2）上下滑动套合在外管（1）内下部，所述切削搅拌架（3）圆周阵列设置在外管（1）和内管（2）之间，所述钻头（4）固定设置在内管（2）下端；

所述外管（1）内上部设置有隔板（5），所述隔板（5）上方连通有连接芯管（6），所述连接芯管（6）与外管（1）同轴固定设置；

所述切削搅拌架（3）由上切削板（301）和下切削板（302）组成，所述上切削板（301）上端与外管（1）下端外壁铰接，所述下切削板（302）上端与上切削板（301）下端铰接、下端与内管（2）下端外壁铰接；

所述输浆系统由上出浆孔（7）、下出浆孔（8）、⊥形孔（9）、侧通孔（10）、低通管（11）、上通管（12）和下通管（13）组成，所述上出浆孔（7）、下出浆孔（8）、⊥形孔（9）和侧通孔（10）分别设置在上切削板（301）、下切削板（302）、钻头（4）和内管（2）内，所述上出浆孔（7）一端位于上切削板（301）上端中部、另一端位于上切削板（301）下端侧面，所述下出浆孔（8）一端位于下切削板（302）下端中部、另一端位于下切削板（302）上端侧面，所述⊥形孔（9）的截面呈“⊥”形，⊥形孔（9）上端位于钻头（4）顶面中心处、下端位于钻头（4）的圆周侧壁上，所述侧通孔（10）圆周阵列设置在内管（2）下部，侧通孔（10）一端与⊥形孔（9）下端连通、另一端通过下通管（13）与下出浆孔（8）连通，所述上通管（12）和低通管（11）均位于外管（1）内，所述上通管（12）一端连通至隔板（5）、另一端穿过外管（1）下部连通至上出浆孔（7），所述低通管（11）上端连通至连接芯管（6）、下端连通至⊥形孔（9）上端。

2.根据权利要求1所述的一种环基坑水平砂井降水疏干方法，其特征在于，在步骤B中，水平砂井（70）的底界面位于含水层层底界面位置或靠近该界面位置时，水平砂井（70）的底界面应下移至该含水层下方的隔水层中。

3.根据权利要求1所述的一种环基坑水平砂井降水疏干方法，其特征在于，最上层含水层水位线以上的所述竖向砂井（20）采用隔水材料填充。

4.根据权利要求1所述的一种环基坑水平砂井降水疏干方法，其特征在于，若基坑工程位置的下含水层之上的一层或多层含水层水量丰富，且单水平砂井降水疏干结构无法将其疏干并会对基坑工程施工产生较严重影响时，则在此一层或多层含水层中增设一层或多层水平砂井（70），增设的所述水平砂井（70）的底界面设置在该含水层下方的隔水层中。

5.根据权利要求1所述的一种环基坑水平砂井降水疏干方法，其特征在于，所述外管（1）内侧壁圆周阵列设置有若干个竖直的凹槽，所述凹槽的数量等于上通管（12）的数量，所述上通管（12）位于凹槽内。

6.根据权利要求1所述的一种环基坑水平砂井降水疏干方法，其特征在于，所述上切削板（301）远离上出浆孔（7）的一侧和下切削板（302）远离下出浆孔（8）的一侧均设置有切削刃，上切削板（301）的切削刃和下切削板（302）的切削刃同向设置。

7.一种基于权利要求1~6任一所述的环基坑水平砂井降水疏干方法的降水疏干结构，其特征在于，包括若干个环绕基坑（40）间隔设置的竖向砂井（20）和至少一个环绕基坑（40）设置的水平砂井（70），所述水平砂井（70）位于基坑（40）所在的含水层中，水平砂井（70）与竖向砂井（20）相连，水平砂井（70）还连接有若干个竖向管井（30），若干个所述竖向管井（30）围绕基坑（40）间隔设置，竖向管井（30）包括滤水段和储水段，所述滤水段和储水段由上至下依次设置，滤水段和储水段的分界线位于最下方水平砂井（70）的底界面上或低于最下方水平砂井（70）的底界面，所述储水段内设置有抽水设备。

8.根据权利要求7所述的一种环基坑水平砂井降水疏干结构，其特征在于，所述水平砂井（70）包括若干个首尾依次相连的圆柱形的砂柱（80）和位于砂柱（80）上方的护壁圈（60），相邻所述砂柱（80）之间存在部分交割，砂柱（80）与竖向砂井（20）同心设置。