真空深井降水(深層施工技術)

1、真空深井降水（深層）施工技術研究與應用在上海地區(qū)深基礎（-8m以下）施工中，常采用的降低地下水位的施工方法有：輕型井類多級分層降水施工法，噴射井類降水施工法及輕型井類與噴射井類相結合，綜合處理深基礎中的地下水等方法。在滲透系數(shù)50250m/d地區(qū)也采用深井降水施工法。近幾年來，上海市的基建項目基本上是高層建筑，其基礎較深，大多在-1015米之間，基礎施工面積一般在2000左右，由于建設項目均在市區(qū)，土方開挖不可能采用大開挖，所以都采用鋼筋硂地下連續(xù)坪或硂圍鏟樁等做圍護結構，且有大量的剛支撐。在這樣的情況下采用上訴降低地下水位的施工方法，要末不能很好的滿足施工要求，就是提高了降水施工成本。如用輕

2、型井類只能采用分層降水施工，其降水效果不理想，施工工期長；施工難度大（分段，交叉施工），運行管理不便，對施工進度影響較大。用噴射井類成本高，甲方、業(yè)主一般也很難接受。采用深井降水施工法也不理想，因為深井降水在滲透系數(shù)為50250m/d之間比較理想。而上海地區(qū)的舌頭系數(shù)一般在0.050.5m/d，所以采用深井降水將不能起到降水作用。總之采用后來比較成熟完善的降水施工方法，已不能適應現(xiàn)在建筑市坊的要求和發(fā)展需要。為滿足建筑市場要求及發(fā)展需要，真空深井降水施工技術經(jīng)研究應用，目前已是處理深層地下水最為理想的方法，尤其是對有圍護結構的深基礎降水。這種施工方法已在上海市建筑工程的深基礎施工中廣泛使用。二

3、十冶三公司在承包的上海市四川路上的“多倫大夏”、秦關大夏”基礎土方工程中，降水施工就是采用了真空深井降水，效果比較理想。真空深井降水施工技術是在深井降水施工技術和輕井降水（真空降水）施工技術的基礎上發(fā)展形成的，其特點是適用范圍廣，施工方便，性能可靠，運行管理簡單，施工成本低。本文將從以下幾個方面論述真空深井降水施工技術：1、 真空深井的基本原理。2、 真空深井井類降水的設計。3、 真空深井井類降水的施工。4、 真空深井井類運行管理。雖然本人從事井類降水工作時間較長，但對于真空深井降水這類新工藝、新技術施工至干過兩項工程（多倫多大夏、秦關大夏降水），在此之前無任何經(jīng)驗及參數(shù)資料，只是在后來的施工

4、實踐中摸索了一些經(jīng)驗，對真空深井有了一定的認識，在這種情況下論述真空深井降水施工技術，在認識一定十分粗淺，不妥之處，敬請指教。1、 真空深井的基本工作原理由于真空深井降水技術是在深井降水及真空降水技術的基礎上發(fā)展起來的，所以在論述真空深井降水工作原理之前，首先要論述真空降水工作原理及深井降水的工作原理。1、 真空降水的主要機理：真空降水的機理如圖所示，從圖示中不難看出，由于抽水裝量不斷的工作，在井類過濾器周圍土壤中形成（在一定范圍內）真空影響區(qū)，即負壓區(qū)。地下水在大企業(yè)里下，有高壓向低壓流動，流向井類管內（通過砂井、過濾器被強制吸入金磊系統(tǒng)），使井類附近的地下水位得到降低。于是井類附近的地下水

5、位與真空區(qū)外的地下水位之間，形成了一個水頭差，在該水頭差作用下 ，真空區(qū)外的地下水以重力方式流向真空區(qū)，再被強制吸入井類系統(tǒng)，排除地面，周而復始從而達到降低地下水位的目的。這里需要說明的是，真空降水洗出的地下水位的深度是有限的，理論上真空度max為760毫米銀柱（標準大氣壓下），相當于10.03米水柱，即可吸上-10米以上的地下水。但由于管路壓力損失，接頭處漏氣，土層透氣，設備等因素，真空度一般在600650mmHg，相當于8m水柱左右，所以真空降水所降低的地下水位被限制在-8米左右。2、 深井降水的機理：“水往低處流”這是在具有地心吸引力的地球上的客觀規(guī)律。深井降水就是利用了這一客觀規(guī)律。在

6、深井周圍的地下水，通過砂井，進入深井中，由深井排水泵排至地面，周圍的地下水位與原地下水位之間形成了一個水位差，原地下水位在該水位差的作用下進入深井中，神經(jīng)管排水泵不斷排出，使得深井周圍一定范圍內的地下水位不斷下降，從而達到降低地下水位的目的。根據(jù)這一降水機理可以看出，靠重力集水則要求被降水的土體滲透系數(shù)要大，即水平垂直滲透力要強，才能使用這種降水方式的要求。這種降水方式在理論上來說，是不受深度的影響，可以降低任何神的的地下水位。在實際施工中深井泵的排水揚程將決定降水深度，所以這種降水方式在深井泵的揚程范圍內可以降較深的地下水。3、 真空深井的降水機理及工作（工藝）原理（1） 真空深井的降水機理

7、如圖所示，真空深井降水技術就是在深井降水的基礎上加上真空，即給每個深井井類加上真空度，使深井井類具有真空集水的能力。同真空（輕型井類）降水的機理一樣，地下水同事收到真空，重力二種動力的影響，進入神經(jīng)中，排出地面，達到降水目的。真空深井降水技術是真空降水(輕型井類）和深井井類降水技術較為理想的相合，取長補短，簡單適用，可以在滲透系數(shù)較小的土層（0.150m/d）降較深層的地下水（-8米20米），若真空深井加上電滲技術它將適用于各種滲透系數(shù)的土層降水。（2） 真空深井降水的工作（工藝）原理真空深井降水設備的組成有：真空泵，深井管（帶過濾器）集水管，潛水排水泵，各種閥，排水管，透明管及自動排水控制裝

8、置等組成。如圖所示。工作原理是：啟動真空泵，在深井系統(tǒng)中形成真空，通過砂井在井類周圍形成一定范圍的真空區(qū)，在負壓及重力（水力坡度）作用下，地下水將不斷聚集匯入深井中。當深井中的水位升到一定的位置，即真空抽水的最大能力，開啟潛水排水泵，將聚集在深井中的地下水排出，直到潛水排水泵不出水為止，仃止泵運轉。由于真空泵不停止工作，地下水位將不斷進入深井中，如此循環(huán)下去，地下水位將不斷地被排出至地面。真空深井通過負壓及重力（水力坡度）將地下水急劇吸入深井中，這是真空深井運行工作的第一步，而后如何將吸入深井中的地下水位排至地面？這也是真空深井運行工作的關鍵。怒氣按真空深井的排水方式基本上有三種：a、 采用“

9、深井泵”排水b、 采用一般的潛水泵（揚程23米左右）排水c、 采用一般的潛水泵串聯(lián)真空泵排水 在真空深井中由泵排水，對于a、b排水方式，基排水泵揚程計算公式為：（圖所示） 式中：H排水泵選用揚程（米） h深井長度 Vd真空表讀數(shù) C為補償沿程阻力（管路，閥門）損失量，一般取23米對于c種排水方式揚程計算公式：（詳見第五頁圖示） H=h+C式中表示符號同式。從上述二式可以看出，對于a、b中真空深井要求排水泵的揚程要足夠打。不僅要大于井管長度還要有一部分揚程（壓力）來克服外界大氣壓，抵消井管內負壓（真空度），才能將地下水排至地面，而c種真空泵自帶排水泵來完成，所以要求排水泵的排水揚程相對而言要小很

10、多，選用一般的潛水泵即可將深井中的地下水排出。比較而言具有點是成本低，安裝方便，運行原理簡單，便于維護、維修。這里應說明的是c種真空深井降水的排水方式是我二十冶三公司首先發(fā)明使用的，早在89年我公司施工徐家匯地鐵時，就設想采用此方法降水，由于施工前沒有進行可行性試驗，在最終的施工中沒有采用。而在后來的降水施工中，如“多倫大夏”“秦關大夏”，在進行了可行性試驗后，就采用了這種排水方式，實踐證明這種排水方式性能可靠。下面通過多倫大夏實例進一步說明上訴的方式：多倫大夏基礎施工面積2115，深-11.20米（基礎底標高），設計井管長15米。若按a、b種真空深井排水方式，則要求 排水泵揚程為： 設Vd=

11、760 C=3米 則 若按c中排水方式，則H=h+C設C=2米 H=15+2=17米由此可以看出采用串聯(lián)排水，用一般的潛水泵（1723)即可，這種潛水泵我的使用很普遍，便于修理更換。而用大于28m揚程的深井泵，已是購量成本高，安裝也不方便，檢修難度大。所以對于1015米的基坑采用串聯(lián)排水最為經(jīng)濟。三、真空深井降水法設計 在真空深井井類設計之前與其它井點類降水設計之前一樣，需要掌握有關設計資料和數(shù)據(jù)。主要包括：由基礎工程所決定的降水區(qū)域平面圖，剖面圖，以確定是地下水位的降深及井點埋深，井類根數(shù)及集水管的布置形式。認真研究水文地質資料；土層結構，含水層，隔水層，含水層的含水量及含水層的土顆粒般配，

12、滲透系數(shù)等。掌握了上述資料及參數(shù)后，就可以確定降水區(qū)域內的總涌水量，單井出水量進而確定井類間距和埋深，并合理選用降水設備。 主要設計內容如下：1. 井類系統(tǒng)的平面布置；包括真空泵的位置，集水總管的走向等。2. 井管的埋深（長度），管徑確定。3. 換際降水區(qū)的引用半徑。4. 基坑總的涌水量計標。5. 單井出水量的計標。6. 單井數(shù)量與間距的確定。7. 井管過濾器的設計。8. 抽水設備的選擇。1、真空井類系統(tǒng)的平面布置 系統(tǒng)的平面布置，取決于降水工程的特點和場地條件，合理布置真空泵位置及集水總管的走向，排水方向，盡可能減少對其它專業(yè)施工對降水系統(tǒng)破壞性的影響。如多倫大廈井管的平面位置的確定是根據(jù)場

13、地砼灌樁位置及支撐系統(tǒng)圖而確定的，集水總管布置盡可能不設置在道路上，放在鋼砼連續(xù)坪內側，以減少不必要和重復工作。對于大面積真空深井降水工程，合理布置集水總管走向，將顯得尤為重要。2、真空深井埋深（長度）管徑確定。 井管長度確定應考慮下列因素：降水施工區(qū)域內最深挖據(jù)面的深度，降水后穩(wěn)定的地下水距離最深挖據(jù)面的距高，設計規(guī)范要求0.5米。封閉降水區(qū)域平面尺寸的大小，降水穩(wěn)定后水力坡度。方便于安裝，井管需露出地面一定的高度，一般為0.5米。 設井管長度為L（不包括濾管和沉砂管）則：Lh+H+ir+0.5m式中： h露出地面的高度（0.5m） H基坑底深度 r兩井之間距離 i水力坡度（一般取1/101

14、/8，對有圍護結構基坑取0） 對于上式應用有二種情況： a.無圍護結構的開挖降水。b.有圍護結構的開挖降水。 主要是i水力坡度取值不同；對于無圍護結構降水開挖取值與通常的真空井取值相同。對于有圍護結構降水開挖取值為零，因為維護結構通常以為是完全止水的，實際上好的圍護結構也是如此。又因為在上海地區(qū)垂直滲透極小，完全可以認為圍護結構內無充足水源，在這種情況下地下水位最終將穩(wěn)定在一條水平線上，即水利坡度為零。 井管管徑的確定 應按選用的深井排水泵的直徑而定。一般潛水泵的最大直徑不大于300mm，所以井管管徑一般為400mm左右。3、降水區(qū)域內的引用半徑換算 降水區(qū)一般為方形，矩形等。為了符合設計計算

15、的假定條件（大井理論），必須把井類圍起來的不同形狀的降水區(qū)域，用等值的圓形面積來代替，這個圓的半徑r0為引用計算半徑，基計算可按下式確定： a.降水區(qū)域為正方形時，引用半徑 ro=A/ 或 ro=0.56a式中： A井點圍起來的實際面積（m²） a為正方形的邊長（m） b.降水區(qū)域為矩形時 Ro=2（a+b）/2=a+b/ 且 a/b<3式中：a矩形降水區(qū)域長（m） b矩形降水區(qū)域寬（m）4、基坑總的涌水量計算Qw 流入基坑的涌水量計算是以裘布依集水涌水量方程為理論基礎，見圖。 對于基坑井類降水來講，由于井類怒之或封閉環(huán)形狀，因而把基坑視為一個“大井”，據(jù)“大井”涌水量的計算方

16、法也較多，一般常采用福爾赫格依麥爾計算公式：在上海地區(qū)一般按潛水完整井涌水量計算 Qw=1.366k（2H-S）S/R-ro式中: K滲透系數(shù)（m/日） S降水深度（m） R影響半徑（m） r 0計算半徑（m） 這個計算公式適用于無圍護結構（無止水結構）的基坑涌水量計算，而對于上海市區(qū)有圍護結構的基坑含水量（降水應抽出的水量）計算是不適合的，無法應用。從以下兩個重要數(shù)據(jù)可以說明： （1）K值是每日或每秒涌入基坑（視為大井）的涌水量流速，因視圍護結構全完止水，并且視為完整井，沒有水涌入，K值視為零，所以下式的最終結果將是零Qw=1.366k（2H-S）S/R-ro=0 （2）從上圖中可以看出，R

17、影響半徑等于ro，即式中R-ro=0,此式將無意義。 根據(jù)上述情況，對有圍護結構的基坑水量計算應從兩個方面考慮： a.根據(jù)水文地質報告中給出的已知參數(shù)，計算基坑中的含水總量。 b.應從含水總量中抽(挪)多少水量，才能滿足土方開挖施工要求。 根據(jù)這個思路有如下計算公式：基坑含水總量Qz為Qz=VtG1/1+e 或Qz=Vtr1/1+式中: G土顆粒比重(淤泥質粘取2.722.73，亞粘土取2.702.71) Vt基坑含水土體體積 天然土體容量t/m³ 含水量（含水率） e 孔隙比又根據(jù)資料介紹，土體在工程施工不產生流沙現(xiàn)象的條件之一是含水量不大于30%，所以基坑應挪出的水量為：Qp=V

18、tG1/1+e (-30%) 或Qp=Vt1/1+（-30%） 式中代表符號同上式。 公式的導出是以土體中30%的含水量作為不發(fā)生流砂現(xiàn)象的條件為依據(jù)，所以計算的Qp是土體中含水量30%以上部分的水量。但是經(jīng)過實踐驗證按上述公式計算的水量與實際排水量（已滿足施工要求）相差太大，計算出水量比實際水量大10倍以上。經(jīng)分析，原因依據(jù)不充分，因為發(fā)生流砂現(xiàn)象一般是下列各種因素組成的綜合效應：水層中的土組成是輕質亞粘土，粉細砂層。水利坡度大于0.5含水量大于30%孔隙率大于43% 所以應對上式進行評定 從寶鋼降水經(jīng)驗中可以得出一個經(jīng)驗數(shù)值；在淤泥質亞粘土中含水量的降低率一般為10%20%，而淤泥質粘土一

19、般為9%左右。這些數(shù)據(jù)與我在上海展覽中心北館降水試驗中得出的數(shù)據(jù)也比較吻合，淤泥質亞粘土降水前后的含水量降低率是17%。 降水率=前-后/前*100% 修訂的公式（經(jīng)驗公式）如下： Qp=VtG1/1+e* Qp=Vt1/1+* 式中各層土含量的降低率（在淤泥質亞粘土取20%，淤泥質土中取10%）。 用這個公式計算的排水量與實際抽水量比較接近，與上海同行們的說法比較吻合，他們說每個真實深井可降低150200m²降水面積的地下水，與采用上式計算的排水量而確定的井管根數(shù)接近。所以說此公式有一定的運用性。一 單井出水量計算q采用 阿布拉莫夫公式 q=120rL*4k 基哈德公式 q=2rL

20、k/15 式中：r井類過濾器半徑（m） L井類過濾器長度（m） K土的滲透系數(shù)（m/日） 根據(jù)寶鋼降水經(jīng)驗，按上式計算大大超過實際出水量。主要原因是k值小，k值小可采用： q=1.25kiDH式中：k土的滲透系數(shù)（m/日）i水力坡度D砂井直徑（m）H含水層厚度（m）6、井類間距與數(shù)量的井管數(shù)量確定 有兩種情況，有圍護結構，無圍護機構a有圍護機構（1）井管數(shù)量n（根）n=QqDQ基礎應排出的水量q單井每日排水量/dD排水天數(shù)（2030）（2）井管間距 現(xiàn)場清理情況，根據(jù)樁位圖，支撐系統(tǒng)圖，盡可能均勻分布。 b無圍護機構 （1）井管數(shù)量n根 n=Q/q Q每日涌入基坑的水量/日 q單井每日排水量/

21、日 （2）井管間距a米 a=L/n L基坑周長（米）7、深井過濾器的設計確定是 a、過濾器孔隙率的確定單井進水量q等于進水濾水器的流速與進水面積F的乘積q=vF F=RL q=VLRF-進水面積R-過濾器直徑L-過濾器的長度-過濾器孔隙率假設V1m/s 為1525 b、過濾器網(wǎng)的選擇通常選用尼龍過濾網(wǎng)。過濾網(wǎng)的孔眼直徑與土的顆粒組組成有關，其關系式 dcd50式中dc過濾網(wǎng)孔徑d50土顆粒粒徑，以土中小于此顆粒粒徑顆粒含量的50為準。c.濾網(wǎng)的確定。濾砂確定同樣根據(jù)土層的顆粒含量50為準四、真空深井井點降水施工真空深井施工步驟為：制作真空井點-成孔-洗孔-下井管-填砂-安裝排水泵，封堵井蓋-集

22、水總管接連式抽真空排水。同其他井點一樣，成孔洗孔填過濾砂施工質量的好壞是影響井點降水效果極為關鍵的因素。施工中要嚴格控制過幾道工序的施工質量。1.制作深井井管按降水深度確定井管長度，并計算過濾器尺寸后，制作要求詳圖（附圖一）2.成孔成孔一般在圍護結構或樁施工完后，采用鉆機成孔，成孔直徑D確定按下式：D=d+300mm400mm式中d為井管外徑3.洗孔鉆孔到設計深度后，孔中剩下的水泥密度極大，此時直接沉放井管，過濾器網(wǎng)的孔眼被堵塞，所填的砂可能填不到設計標高，砂井也將含有大量的泥漿，砂井的濾水效果也很差。如何將泥水的密度減少呢？注入清水不行清水的密度相比之下較小，不能將較重的泥漿排擠出，尤其是底

23、部。一般潛水泵的排密度較大的泥漿也有困難。這是采用反循環(huán)吸泥裝置較為理想其裝置由下列設備材料組成：（1）3-6空壓機一臺（2）空氣（壓縮）輸送管4一根（長度由井深決定）（3）吸泥管中48159mm鋼管一根（長度由井深決定）（4）卡件，吸盤，噴早在1989年9月，反循環(huán)吸泥漿裝置在寶鋼實驗成功，曾用于三公司地下連續(xù)墻清底吸泥，效果很好。具體工作原理為（附圖二）當容壓機工作，將大量的壓縮空氣注入吸泥管內，此時的壓縮空氣與管內的泥漿水充分混合，使管內的泥漿水比重減少（相對管外的泥漿而言）為r,設管外的泥漿水為r,則產生比重差r-r=r,，由于這個比重差r.從而產生一個水壓頭p=rh(井深)。在這個水壓頭的作用下，泥漿水得不斷從底部抽到地上（通過吸泥管），往井內注入（補充）清水，以達到減小孔中泥漿水的密度。這是吸泥裝置的主要工作原理，另一方面壓縮空氣對水體也有推動作用。4.沉設井管沉設井管一般來說比較簡單，若掌握