可控式一井分層降水施工方法
2023-09-12 17:59:40 2
專利名稱：可控式一井分層降水施工方法
技術領域：
本發明涉及的是一種建築工程技術領域的施工方法，具體為一種可控式一井分層降水的施工方法。
背景技術：
高地下水位的軟土地基中的地下施工如基坑挖，施工中最大的問題是由於地下水的存在會引起基地湧水、湧砂等問題。因此，採用井點人工降低地下水位是基坑開挖施工中的常用而且有效的方法。基坑開挖的方法一般採用乾式開挖，即先將需要開挖部分的土體中的水抽乾(保持地下水位在開挖面以下0.5～1.0m)，然後再挖土的方法。另外，當基坑的開挖深度較大，接近承壓含水層時，為了防止基坑底部受到過大的承壓水壓力而破壞，須降低承壓含水層水頭。在我國，有很多地區淺部土層中(基坑開挖深度涉及範圍內)既有潛水又有承壓水，工程施工時，需要同時考濾潛水和承壓含水層的降水問題。
現有的基坑降水方法有輕型井點法、電滲井點法、噴射井點法、管井井點法等。其中管井井點法是現階段應用最為廣泛的降水方法。按照降水目的，管井分為潛水疏乾井和承壓水降壓井。在同時需要疏幹潛水和降低承壓水水頭的基坑降水工程中，一般兩種井分別布置，即布置一組潛水疏乾井，另外再布置一組承壓水降壓井。這兩組井分別工作潛水疏乾井在基坑開挖前開始降水，到基坑開挖結束後結束；承壓水降壓井自基坑開挖到一定深度(基坑開挖至承壓水有產生突湧的危險深度，按國家或地方相關規範、規程相關公式計算)時開始運行，到基坑底板結構強度達到要求後結束。此種分別布置疏乾井和承壓井的方法存在較大缺陷兩種井需分別成井、分別運行，工程成本大；基坑布井數量多，影響挖土施工進度，從而影響整個工程施工工期。
為解決潛水疏乾井和承壓水減壓井分別布置方案工程量大、成本高、影響工程施工進度的問題，曾有技術人員作過將疏乾井和降壓井合二為一的嘗試，但所採用的僅僅是用一口井將潛水含水層與承壓含水層連通，抽水時同時抽取潛水和承壓水的方法。前已述及，在基坑降水施工中，潛水的疏乾性降水和承壓水的降壓工作一般按下列順序進行在基坑尚未開始開挖之前，先進行潛水疏幹降水；在基坑開挖至需要降壓的深度後，再開始抽取承壓水以逐步降低承壓水的水頭，二者之間存在一個時間差。而該方法在進行潛水疏乾性降水的同時也開始抽取承壓水，承壓水抽水時間比前一種施工方法(即疏乾井和降壓井分別布置時)長，抽水量大。在很多基坑工程中，承壓含水層未被隔水帷幕完全隔斷，坑內外承壓含水層存在水力聯繫，基坑內抽取承壓水將導致坑外承壓水位下降，從而引起坑外地基變形、地面沉降等問題，抽水時間越長，對周圍環境影響越大。因此，該方法的主要缺點是在承壓含水層未被隔水帷幕完全隔斷條件下，應用該方法進行降水施工，在基坑外引起的地面沉降量會比前一種施工方法大一些，這是其不能推廣應用的重要原因。
經對現有的技術文獻檢索發現，申請號為200610086139.8，專利申請的名稱為「大面積軟地基處理分層分遍電滲降水聯合真空降水方法」，該技術採用分層分遍電滲降水聯合真空降水方法，應用於大面積軟地基的加固處理。該方法在深層布置電滲井點管電滲降水，淺層布置真空井點管抽真空降水，深層電滲井點管與淺層真空井點管間隔布置，分兩遍進行降水施工前一遍採用深層電滲井點管降水，後一遍在電滲降水施工區域採用淺層真空井點管降水。該降水方法井數量多、處理深度較小，工程造價高，只局限於軟土地基的降水加固處理，不適用於基坑降水。
發明內容
本發明針對現有技術的不足和缺陷，提供一種能綜合上述兩種施工方案優點的可控式一井分層降水的施工方法，通過對井結構進行改進性設計和採用相應的降水施工操作，實現使用一口井解決潛水的疏幹和承壓水的降壓(或疏幹)問題，既能大幅度降低施工費用，又能有效地減少對周圍環境的影響，同時縮短了基坑開挖周期，施工方法簡單可靠，經濟實用。該方法尤其適用於基坑開挖底面位於承壓含水層中的基坑降水工程。
本發明是通過以下技術方案實現的，包括以下步驟
(1)降水井採用兩段或者兩段以上濾水管設計，潛水含水層和承壓含水層中分別有一段或多段濾水管，慮水管與慮水管之間採用井管連接，降水井的最底端可根據需要設置沉澱管。
(2)降水井施工時，在井內，潛水含水層與承壓含水層之間的一段井管中安裝可控止水裝置，用該可控止水裝置隔絕潛水和承壓水在井內的聯繫，並實現降水的可控制性；(3)成井施工時，在井管外的井壁與孔壁之間、潛水含水層與承壓含水層之間的隔水層處設置止水段，用該止水段隔絕潛水含水層與承壓含水層在井外的水力聯繫；(4)降水施工時，先進行潛水疏乾性降水，在基坑開挖至承壓水有產生突湧的危險深度時，開啟井內止水裝置，抽取承壓水，並可繼續對潛水含水層進行疏乾性降水；抽水過程中，井內止水裝置可根據需要反覆開啟和關閉，實現對降水層次、降水過程、降水程度的控制。
所述濾水管，其口徑與井管相同，潛水含水層和承壓含水層中放置的濾水管長度和段數，可根據通用的水文地質計算方法結合工程經驗確定，濾水管型式不限，可以是橋式包網濾水管，也可以是其它適用的型式，強度和孔隙率滿足工程要求即可。
所述的井管，其口徑根據降水需要確定，一般在200～500mm之間選擇；井管可採用卷板管或其它強度和耐腐蝕性符合降水工程要求的管材。
所述沉澱管，採用與井管材質和規格相同管材，底部封閉，長度一般為0.5～2.0m。
所述可控止水裝置，其具體位置根據實際情況在井管內設定。可控止水裝置的型式不限，可以是各種型式的閥門(如錐體式閥門、板式閥門)，也可以是其它止水裝置，但無論採用那種止水裝置，均應滿足下列基本要求a、止水裝置在井內可以任意開啟和關閉；b、止水裝置關閉後不漏水；c、止水裝置通水部分的內徑尺寸能夠保證順利下入井泵；d、止水裝置通水部分的內徑尺寸能夠滿足洗井的要求。
所述的成井施工，包括以下步驟
①成孔根據地層情況，可以選擇各類迴轉鑽機鑽井、泥漿護壁或清水護壁成孔。鑽孔終孔孔徑應大於井管直徑400mm，以利於下管和回填濾料。
②下管採用分段吊裝、現場焊接法下管，下入孔內的井管應居中。
③回填濾料、止水段止水材料a、先回填承壓含水層濾水管段濾料，至預定高度；b、回填止水段止水材料至預定高度。如採用粘土，宜事先加工成直徑2.0～3.0cm球塊狀，風乾至可塑硬塑狀緩緩投入。
c、回填潛水含水層濾水管段濾料，至預定高度。
回填濾料和止水粘土時，應邊投邊測，防止超投。
④封孔孔口採用普通粘性土或水泥砂漿封填，防止地面雨水等進入井內。
⑤洗井採用活塞法或其它適用的方法洗井，以保證水路暢通。
所述回填承壓含水層、潛水含水層濾水管段濾料，是指在井管外濾水管所在位置回填濾料(砂)，回填高度不小於濾管長度。濾料規格根據含水層巖性按《供水管井技術規範》(GB50296-99)有關要求確定。
所述止水段高度視隔水層厚度確定，一般與隔水層厚度一致，最小不宜小於1.5m。止水材料可採用粘土(粘土的標準見《巖土工程勘察規範》GB50021-2001)，也可採用的滲透係數小於9.0×10-7cm/s其它材料。
所述的降水施工，包括以下步驟①成井施工工作完成後，關閉井內止水裝置，下入井泵，對潛水含水層進行疏乾性降水。
②在基坑開挖至承壓水有產生突湧的危險深度(按國家、地方或行業相關規範、規程有關要求確定)時，開啟止水裝置，抽取承壓水，並可繼續對潛水含水層進行疏乾性降水。抽水過程中，可不斷調整井泵在井中的位置，也可以更換井泵，直至降水任務完成。
降水過程中，可隨時根據需要，臨時關閉井內止水裝置，暫停承壓水的抽水，僅繼續疏幹潛水(或停止降水)，但關閉井內止水裝置前應將井泵提至止水裝置以上位置。當要再次抽取承壓水時，打開止水裝置，繼續抽取承壓水以降低水位。此過程可根據需要反覆進行，直至降水工作結束。
本發明通過對井結構進行改進性設計和採用相應的降水施工操作程序，將潛水疏乾井和承壓水降壓井的功能合二為一，在同一管井中實現潛水和承壓水的可控制分層降水，解決了困擾工程施工行業多年的技術難題，在一定程度上推動了工程施工中地下水控制技術發展；與已有施工方法相比，該方法能大幅度減少降水井的數量，降低工程成本，同時提高了挖土施工進度，方便結構施工；實踐證明，採用該施工方法，可減少1/3～1/2的布井數量，節省30～50％的降水施工費用，開挖施工效率也有不同程度地提高，經濟效益十分顯著；在基坑圍護結構未將承壓含水層隔斷的基坑工程中，採用本施工方法施工能最大限度地減小基坑降水對周圍環境的影響。
圖1為本發明的降水井基本構造及工作原理圖；圖2為本發明的降水井結構圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
圖1示意性的表示了地層結構(潛水含水層、承壓含水層、隔水層的相互位置關係)及本發明濾水管、止水段、井內可控止水裝置在地層中的基本位置。其中，濾水管必須是兩段(或兩段以上)，潛水含水層和承壓含水層分別有一段(或兩段以上)濾水管；止水段必須位於承壓含水層頂面以上、潛水含水層底面以下的隔水層中；井內止水裝置必須安裝在潛水含水層與承壓含水層之間的一段井管中。止水段和井內止水裝置的作用是隔絕潛水含水層與承壓含水層在井內外的水力聯繫，實現降水的可控制性。
圖2為本發明的降水井基本結構設計，表示了濾水管、井管、沉澱管、濾料段、止水段、井內止水閥門、封孔段的位置和相互關係。自下而上分別為(1)沉澱管位於降水井的最底部；(2)(下段)濾水管位於承壓含水層中，濾水管外回填濾料；(3)止水段位於潛水含水層與承壓含水層之間的隔水層中；(4)井內可控止水裝置位於潛水含水層與承壓含水層之間一段井管內；
(5)(上段)濾水管位於潛水含水層中，濾水管外回填濾料；(6)封孔段位於井口處井壁與孔壁之間。
某基坑工程開挖深度21.06m，採用地下連續牆圍護，地下連續牆深度36.50mm。工程場地分布有潛水和承壓水。潛水含水層主要由粉性土構成，水位埋深1.15～1.25m；承壓含水層頂面埋深19.59～23.03m，厚度10.5～41.80m，巖性以灰色砂質粉土為主，水位埋深4.5m左右m；潛水含水層與承壓含水層之間分布有厚9.0～12.0m粘土層，為隔水層。該工程施工時需疏幹潛水含水層中的地下水，並降低承壓含水層水位至基坑開挖底面以下0.5～1.5m。經計算，需要降壓的基坑開挖深度為10.30m。降水施工共布置了多口可控式一井分層降水管井，以下對其中一口降水井的施工作進一步描述1、井結構設計根據施工區域地層情況、水文地質條件和施工需要，採用如下設計方案(1)井管採用卷板鋼管，井管直徑250mm，壁厚3mm，單節長度4.0～5.3m，總長13.3m。
(2)採用三段濾水管設計，使用包網橋式濾水管，與井管同徑，單節長度4.0～5.0m。其中潛水含水層中放置兩段濾水管，安裝的位置是第一段埋深5.0～9.0m，第二段埋深14.0～18.0m。承壓含水層中設置一段濾水管，安裝在22.3～27.3m深度。濾水管之間用井管連接。
(3)終孔孔徑為保證下管和填料的順利進行，終孔孔徑採用750mm。
(4)可控式止水裝置安裝於潛水含水層與承壓含水層之間井管中，深度為19.0m處，採用板式閥門。
(5)止水段潛水含水層與承壓含水層之間隔水層的18.0～20.0m深度處設置止水段，止水材料採用施工用膨潤土，其飽和狀態下滲透係數小於1.0×10-7cm/s，止水段高度2.0m。
(6)沉澱管採用與井管相同材質和口徑的卷板管，度長度1.0m，底部焊封；(7)封孔採用普通粘性土。
2、成井施工
(1)成孔選用XY-4-3型鑽機鑽進，自然造漿護壁成孔。下管前清孔，並將泥漿比重調整至1.05左右，然後開始下管。
(2)下管採用分段吊裝、現場焊接法下管。
(3)回填濾料、止水段止水材料a、先回填承壓含水層濾水管段濾料，至預定20.5m處，濾料採用天然中粗砂。
b、下部濾料回填完畢後，回填止水段膨潤土，至18.5m處。膨潤土事先加工成直徑2.0～3.0cm球塊，風乾至可塑～硬塑狀緩緩投入。
c、止水段粘土回填後，回填上部(潛水含水層)濾水管段濾料，至4.0m處。
回填濾料和止水粘土時，邊投邊測，以準確掌握回填高度。
(4)封孔上部濾料層以上至孔口，採用普通粘性土封填。見圖2中封孔段。
(5)洗井採用活塞法洗井，洗至水清、砂淨，水路暢通。洗井後用空壓機吹出底部沉泥。
3、降水運行(1)成井施工完成後，關閉井內止水裝置，下入QDX3-35-2.2潛水泵，於開工前15天對潛水含水層進行疏乾性降水，基坑開挖時潛水水位已降至12.0m以下。
(2)在基坑開挖至10.0m時，開始抽取下部承壓含水層地下水。先提出原下入的潛水泵，換入15kw深井泵，打開止水裝置，開泵抽取承壓水進行降壓和降水。降水過程中，每天對出水量和地下水位進行觀測。
該工程在開挖後第16天已完成潛水疏乾性降水。此後的承壓水降壓、降水工作，根據水位觀測結果，通過停泵和開泵控制地下水位，與開挖進度保持一致。第72天開挖至基坑底面，第89天底板結構施工完成並達到強度要求，開始封井，降水任務完成。
權利要求
1.一種可控式一井分層降水施工方法，其特徵在於，包括以下步驟(1)降水井採用兩段或者兩段以上濾水管設計，潛水含水層和承壓含水層中分別有一段或多段濾水管，慮水管與慮水管之間採用井管連接；(2)降水井施工時，在井內，潛水含水層與承壓含水層之間的一段井管中安裝可控止水裝置，用該控止水裝置隔絕潛水和承壓水在井內的聯繫，實現降水的可控制性；(3)成井施工時，在井管外的井壁與孔壁之間、潛水含水層與承壓含水層之間的隔水層處設置止水段，用該止水段隔絕潛水含水層與承壓含水層在井外的水力聯繫；(4)降水施工時，先進行潛水疏乾性降水，在基坑開挖至承壓水有產生突湧的危險深度時，開啟井內止水裝置，抽取承壓水，並可繼續對潛水含水層進行疏乾性降水；抽水過程中，通過止水裝置反覆開啟和關閉，實現對降水層次、降水過程、降水程度的控制。
2.根據權利要求1所述的可控式一井可控分層降水施工方法，其特徵是，所述的井管，其口徑在200～500mm之間選擇。
3.根據權利要求1所述的可控式一井可控分層降水施工方法，其特徵是，所述濾水管，其口徑與井管相同。
4.根據權利要求1所述的可控式一井可控分層降水施工方法，其特徵是，所述可控止水裝置，滿足下列條件a、止水裝置在井內能任意開啟和關閉；b、止水裝置關閉後不漏水；c、止水裝置通水部分的內徑尺寸能夠保證順利下入井泵；d、止水裝置通水部分的內徑尺寸能夠滿足洗井的要求。
5.根據權利要求1所述的可控式一井可控分層降水施工方法，其特徵是，所述的成井施工，包括以下步驟①成孔鑽孔終孔孔徑大於井管直徑；②下管採用分段吊裝、現場焊接法下管，下入孔內的井管應居中；③回填濾料、止水段止水材料；④封孔孔口採用普通粘性土或水泥砂漿封填，防止地面雨水進入井內；⑤洗井。
6.根據權利要求5所述的可控式一井可控分層降水施工方法，其特徵是，所述③回填濾料、止水段止水材料，包括以下步驟a、先回填承壓含水層濾水管段濾料，至預定高度；b、回填止水段止水材料至預定高度；c、回填潛水含水層濾水管段濾料，至預定高度；回填濾料和止水粘土時，邊投邊測，防止超投。
7.根據權利要求5或6所述的可控式一井可控分層降水施工方法，其特徵是，所述止水段，其高度與隔水層厚度一致，最小為1.5m；所述止水材料採用粘土，或採用滲透係數小於9.0×10-7cm/s的粘土外的材料。
8.根據權利要求7所述的可控式一井可控分層降水施工方法，其特徵是，所述止水材料為粘土時，事先加工成直徑為2.0～3.0cm球塊狀，風乾至可塑硬塑狀緩緩投入。
9.根據權利要求1所述的可控式一併可控分層降水施工方法，其特徵是，所述的降水施工，包括以下步驟①成井施工工作完成後，關閉井內止水裝置，下入井泵，對潛水含水層進行疏乾性降水；②在基坑開挖至承壓水有產生突湧的危險深度時，開啟止水裝置，抽取承壓水，並可繼續對潛水含水層進行疏乾性降水；抽水過程中，調整井泵在井中的位置，或更換井泵，直至降水任務完成；在降水過程中，可隨時臨時關閉井內止水裝置，暫停承壓水的抽水，僅繼續疏幹潛水或停止降水，但關閉井內止水裝置前應將井泵提至止水裝置以上位置；當要再次抽取承壓水時，打開止水裝置，繼續抽取承壓水以降低水位；此過程反覆進行，直至降水工作結束。
10.根據權利要求1所述的可控式一井可控分層降水施工方法，其特徵是，在所述的降水井的最底端設置沉澱管，所述沉澱管採用與井管材質和規格相同管材，底部封閉，長度為0.5～2.0m。
全文摘要
一種建築工程技術領域的可控式一井分層降水施工方法，包括(1)降水井採用兩段或者兩段以上濾水管設計，潛水含水層和承壓含水層中分別有濾水管；(2)在井內，潛水含水層與承壓含水層之間的一段井管中安裝可控止水裝置；(3)成井施工時，在井管外的井壁與孔壁之間、潛水含水層與承壓含水層之間的隔水層處設置止水段；(4)降水施工時，先進行潛水疏乾性降水，在基坑開挖至承壓水有產生突湧的危險深度時，開啟井內止水裝置，抽取承壓水，並可繼續對潛水含水層進行疏乾性降水；抽水過程中，井內止水裝置反覆開啟和關閉，實現對降水層次、降水過程、降水程度的控制。本發明使用一口井解決潛水的疏幹和承壓水的降壓或疏幹問題。
文檔編號E02D19/10GK101070704SQ20071004160
公開日2007年11月14日 申請日期2007年6月4日 優先權日2007年6月4日
發明者高世軒, 蔡寬餘, 周松, 朱繼文, 瀋水龍, 朱火根, 孫加平, 王宏太, 姚海明, 施亞霖, 許鋒, 周俊峰 申請人:上海地礦工程勘察有限公司