真空深井降水(深层施工技术).doc

真空深井降水（深层）施工技术研究与应用在上海地区深基础（8m以下）施工中,常采用的降低地下水位的施工方法有：轻型井类多级分层降水施工法,喷射井类降水施工法及轻型井类与喷射井类相结合，综合处理深基础中的地下水等方法。在渗透系数50250m/d地区也采用深井降水施工法。近几年来，上海市的基建项目基本上是高层建筑，其基础较深，大多在-1015米之间,基础施工面积一般在2000左右，由于建设项目均在市区，土方开挖不可能采用大开挖，所以都采用钢筋硂地下连续坪或硂围铲桩等做围护结构，且有大量的刚支撑。在这样的情况下采用上诉降低地下水位的施工方法，要末不能很好的满足施工要求,就是提高了降水施工成本。如用轻型井类只能采用分层降水施工，其降水效果不理想，施工工期长；施工难度大（分段，交叉施工），运行管理不便，对施工进度影响较大.用喷射井类成本高,甲方、业主一般也很难接受。采用深井降水施工法也不理想,因为深井降水在渗透系数为50250m/d之间比较理想。而上海地区的舌头系数一般在0.050。5m/d，所以采用深井降水将不能起到降水作用.总之采用后来比较成熟完善的降水施工方法，已不能适应现在建筑市坊的要求和发展需要.为满足建筑市场要求及发展需要，真空深井降水施工技术经研究应用，目前已是处理深层地下水最为理想的方法，尤其是对有围护结构的深基础降水。这种施工方法已在上海市建筑工程的深基础施工中广泛使用。二十冶三公司在承包的上海市四川路上的“多伦大夏”、秦关大夏”基础土方工程中，降水施工就是采用了真空深井降水，效果比较理想。真空深井降水施工技术是在深井降水施工技术和轻井降水(真空降水）施工技术的基础上发展形成的，其特点是适用范围广，施工方便,性能可靠,运行管理简单,施工成本低。本文将从以下几个方面论述真空深井降水施工技术：一、 真空深井的基本原理.二、 真空深井井类降水的设计。三、 真空深井井类降水的施工.四、 真空深井井类运行管理。虽然本人从事井类降水工作时间较长，但对于真空深井降水这类新工艺、新技术施工至干过两项工程（多伦多大夏、秦关大夏降水），在此之前无任何经验及参数资料，只是在后来的施工实践中摸索了一些经验，对真空深井有了一定的认识，在这种情况下论述真空深井降水施工技术，在认识一定十分粗浅，不妥之处，敬请指教.一、 真空深井的基本工作原理由于真空深井降水技术是在深井降水及真空降水技术的基础上发展起来的，所以在论述真空深井降水工作原理之前，首先要论述真空降水工作原理及深井降水的工作原理。1、 真空降水的主要机理：真空降水的机理如图所示，从图示中不难看出,由于抽水装量不断的工作，在井类过滤器周围土壤中形成（在一定范围内)真空影响区，即负压区.地下水在大企业里下，有高压向低压流动，流向井类管内（通过砂井、过滤器被强制吸入金磊系统），使井类附近的地下水位得到降低。于是井类附近的地下水位与真空区外的地下水位之间,形成了一个水头差，在该水头差作用下 ，真空区外的地下水以重力方式流向真空区，再被强制吸入井类系统，排除地面，周而复始从而达到降低地下水位的目的。这里需要说明的是，真空降水洗出的地下水位的深度是有限的，理论上真空度max为760毫米银柱（标准大气压下），相当于10.03米水柱,即可吸上-10米以上的地下水。但由于管路压力损失,接头处漏气，土层透气，设备等因素，真空度一般在600650mmHg,相当于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、 深井降水的机理:“水往低处流”这是在具有地心吸引力的地球上的客观规律。深井降水就是利用了这一客观规律。在深井周围的地下水,通过砂井，进入深井中，由深井排水泵排至地面,周围的地下水位与原地下水位之间形成了一个水位差，原地下水位在该水位差的作用下进入深井中，神经管排水泵不断排出,使得深井周围一定范围内的地下水位不断下降,从而达到降低地下水位的目的。根据这一降水机理可以看出，靠重力集水则要求被降水的土体渗透系数要大,即水平垂直渗透力要强，才能使用这种降水方式的要求。这种降水方式在理论上来说,是不受深度的影响，可以降低任何神的的地下水位。在实际施工中深井泵的排水扬程将决定降水深度，所以这种降水方式在深井泵的扬程范围内可以降较深的地下水。3、 真空深井的降水机理及工作（工艺）原理（1） 真空深井的降水机理如图所示，真空深井降水技术就是在深井降水的基础上加上真空,即给每个深井井类加上真空度，使深井井类具有真空集水的能力。同真空(轻型井类）降水的机理一样，地下水同事收到真空，重力二种动力的影响,进入神经中，排出地面，达到降水目的。真空深井降水技术是真空降水（轻型井类）和深井井类降水技术较为理想的相合，取长补短，简单适用，可以在渗透系数较小的土层（0.150m/d）降较深层的地下水（8米20米），若真空深井加上电渗技术它将适用于各种渗透系数的土层降水。（2） 真空深井降水的工作（工艺）原理真空深井降水设备的组成有：真空泵，深井管（带过滤器）集水管，潜水排水泵，各种阀，排水管，透明管及自动排水控制装置等组成.如图所示。工作原理是：启动真空泵，在深井系统中形成真空，通过砂井在井类周围形成一定范围的真空区，在负压及重力（水力坡度）作用下，地下水将不断聚集汇入深井中.当深井中的水位升到一定的位置，即真空抽水的最大能力,开启潜水排水泵,将聚集在深井中的地下水排出，直到潜水排水泵不出水为止,仃止泵运转。由于真空泵不停止工作,地下水位将不断进入深井中，如此循环下去，地下水位将不断地被排出至地面。真空深井通过负压及重力(水力坡度）将地下水急剧吸入深井中，这是真空深井运行工作的第一步，而后如何将吸入深井中的地下水位排至地面？这也是真空深井运行工作的关键。怒气按真空深井的排水方式基本上有三种：a、 采用“深井泵”排水b、 采用一般的潜水泵（扬程23米左右）排水c、 采用一般的潜水泵串联真空泵排水 在真空深井中由泵排水,对于a、b排水方式,基排水泵扬程计算公式为：(图所示） -式中：H排水泵选用扬程（米) h深井长度 Vd真空表读数 C为补偿沿程阻力（管路,阀门）损失量，一般取23米对于c种排水方式扬程计算公式：(详见第五页图示） H=h+C式中表示符号同式.从上述二式可以看出，对于a、b中真空深井要求排水泵的扬程要足够打。不仅要大于井管长度还要有一部分扬程(压力）来克服外界大气压,抵消井管内负压（真空度），才能将地下水排至地面，而c种真空泵自带排水泵来完成，所以要求排水泵的排水扬程相对而言要小很多，选用一般的潜水泵即可将深井中的地下水排出。比较而言具有点是成本低,安装方便，运行原理简单，便于维护、维修。这里应说明的是c种真空深井降水的排水方式是我二十冶三公司首先发明使用的，早在89年我公司施工徐家汇地铁时，就设想采用此方法降水，由于施工前没有进行可行性试验，在最终的施工中没有采用。而在后来的降水施工中，如“多伦大夏“秦关大夏”，在进行了可行性试验后，就采用了这种排水方式,实践证明这种排水方式性能可靠。下面通过多伦大夏实例进一步说明上诉的方式：多伦大夏基础施工面积2115，深-11.20米(基础底标高），设计井管长15米。若按a、b种真空深井排水方式,则要求 排水泵扬程为：设Vd=760 C=3米 则若按c中排水方式,则H=h+C设C=2米 H=15+2=17米由此可以看出采用串联排水，用一般的潜水泵(1723)即可，这种潜水泵我的使用很普遍，便于修理更换。而用大于28m扬程的深井泵，已是购量成本高,安装也不方便，检修难度大.所以对于1015米的基坑采用串联排水最为经济.三、真空深井降水法设计 在真空深井井类设计之前与其它井点类降水设计之前一样,需要掌握有关设计资料和数据。主要包括:由基础工程所决定的降水区域平面图,剖面图，以确定是地下水位的降深及井点埋深，井类根数及集水管的布置形式。认真研究水文地质资料；土层结构，含水层,隔水层，含水层的含水量及含水层的土颗粒般配,渗透系数等。掌握了上述资料及参数后，就可以确定降水区域内的总涌水量，单井出水量进而确定井类间距和埋深,并合理选用降水设备。 主要设计内容如下：1. 井类系统的平面布置；包括真空泵的位置,集水总管的走向等。2. 井管的埋深（长度)，管径确定。3. 换际降水区的引用半径.4. 基坑总的涌水量计标。5. 单井出水量的计标。6. 单井数量与间距的确定。7. 井管过滤器的设计.8. 抽水设备的选择.1、真空井类系统的平面布置 系统的平面布置,取决于降水工程的特点和场地条件，合理布置真空泵位置及集水总管的走向，排水方向，尽可能减少对其它专业施工对降水系统破坏性的影响.如多伦大厦井管的平面位置的确定是根据场地砼灌桩位置及支撑系统图而确定的，集水总管布置尽可能不设置在道路上，放在钢砼连续坪内侧,以减少不必要和重复工作。对于大面积真空深井降水工程，合理布置集水总管走向,将显得尤为重要。2、真空深井埋深(长度）管径确定. 井管长度确定应考虑下列因素：降水施工区域内最深挖据面的深度，降水后稳定的地下水距离最深挖据面的距高，设计规范要求0。5米.封闭降水区域平面尺寸的大小，降水稳定后水力坡度。方便于安装,井管需露出地面一定的高度，一般为0.5米。 设井管长度为L（不包括滤管和沉砂管）则:Lh+H+ir+0。5m式中： h-露出地面的高度(0.5m） H-基坑底深度 r两井之间距离 i-水力坡度(一般取1/101/8，对有围护结构基坑取0） 对于上式应用有二种情况： a.无围护结构的开挖降水。b。有围护结构的开挖降水。 主要是i水力坡度取值不同；对于无围护结构降水开挖取值与通常的真空井取值相同.对于有围护结构降水开挖取值为零，因为维护结构通常以为是完全止水的，实际上好的围护结构也是如此.又因为在上海地区垂直渗透极小，完全可以认为围护结构内无充足水源,在这种情况下地下水位最终将稳定在一条水平线上,即水利坡度为零。 井管管径的确定 应按选用的深井排水泵的直径而定。一般潜水泵的最大直径不大于300mm，所以井管管径一般为400mm左右。3、降水区域内的引用半径换算 降水区一般为方形,矩形等。为了符合设计计算的假定条件（大井理论），必须把井类围起来的不同形状的降水区域，用等值的圆形面积来代替，这个圆的半径r0为引用计算半径，基计算可按下式确定： a.降水区域为正方形时，引用半径 ro=A/ 或 ro=0。56a式中: A-井点围起来的实际面积（m) a为正方形的边长(m） b.降水区域为矩形时 Ro=2（a+b)/2=a+b/ 且 a/b3式中：a矩形降水区域长（m） b-矩形降水区域宽（m）4、基坑总的涌水量计算Qw 流入基坑的涌水量计算是以裘布依集水涌水量方程为理论基础，见图. 对于基坑井类降水来讲,由于井类怒之或封闭环形状,因而把基坑视为一个“大井”，据“大井涌水量的计算方法也较多,一般常采用福尔赫格依麦尔计算公式：在上海地区一般按潜水完整井涌水量计算 Qw=1.366k(2HS）S/R-ro式中： K渗透系数（m/日) S降水深度（m） R影响半径(m） r 0计算半径（m） 这个计算公式适用于无围护结构（无止水结构)的基坑涌水量计算，而对于上海市区有围护结构的基坑含水量(降水应抽出的水量）计算是不适合的，无法应用。从以下两个重要数据可以说明： （1)K值是每日或每秒涌入基坑（视为大井）的涌水量流速，因视围护结构全完止水，并且视为完整井,没有水涌入，K值视为零,所以下式的最终结果将是零Qw=1.366k（2HS）S/Rro=0 （2）从上图中可以看出，R影响半径等于ro,即式中R-ro=0，此式将无意义。 根据上述情况，对有围护结构的基坑水量计算应从两个方面考虑: a.根据水文地质报告中给出的已知参数，计算基坑中的含水总量。 b.应从含水总量中抽（挪）多少水量，才能满足土方开挖施工要求。 根据这个思路有如下计算公式:基坑含水总量Qz为Qz=VtG1/1+e 或Qz=Vtr1/1+-式中: G土颗粒比重(淤泥质粘取2。722。73,亚粘土取2.702.71） Vt基坑含水土体体积 天然土体容量t/m 含水量（含水率） e 孔隙比又根据资料介绍,土体在工程施工不产生流沙现象的条件之一是含水量不大于30，所以基坑应挪出的水量为：Qp=VtG1/1+e (30%）- 或Qp=Vt1/1+（-30%) 式中代表符号同上式. 公式的导出是以土体中30的含水量作为不发生流砂现象的条件为依据，所以计算的Qp是土体中含水量30以上部分的水量。但是经过实践验证按上述公式计算的水量与实际排水量（已满足施工要求）相差太大，计算出水量比实际水量大10倍以上。经分析，原因依据不充分,因为发生流砂现象一般是下列各种因素组成的综合效应：水层中的土组成是轻质亚粘土，粉细砂层。水利坡度大于0.5含水量大于30孔隙率大于43% 所以应对上式进行评定 从宝钢降水经验中可以得出一个经验数值；在淤泥质亚粘土中含水量的降低率一般为1020%，而淤泥质粘土一般为9左右。这些数据与我在上海展览中心北馆降水试验中得出的数据也比较吻合，淤泥质亚粘土降水前后的含水量降低率是17. 降水率=前后/前*100 修订的公式（经验公式）如下: Qp=VtG1/1+e* - Qp=Vt1/1+* 式中各层土含量的降低率(在淤泥质亚粘土取20，淤泥质土中取10)。 用这个公式计算的排水量与实际抽水量比较接近，与上海同行们的说法比较吻合，他们说每个真实深井可降低150200m降水面积的地下水，与采用上式计算的排水量而确定的井管根数接近。所以说此公式有一定的运用性。一 单井出水量计算q采用 阿布拉莫夫公式 q=120rL4k 基哈德公式 q=2rLk/15 式中：r井类过滤器半径（m） L-井类过滤器长度（m） K土的渗透系数（m/日） 根据宝钢降水经验，按上式计算大大超过实际出水量。主要原因是k值小，k值小可采用： q=1。25kiDH式中：k土的渗透系数（m/日)i水力坡度D砂井直径（m）H含水层厚度(m)6、井类间距与数量的井管数量确定 有两种情况，有围护结构，无围护机构a有围护机构（1)井管数量n（根)n=QqDQ基础应排出的水量q-单井每日排水量/dD-排水天数(2030）（2）井管间距 现场清理情况，根据桩位图，支撑系统图,尽可能均匀分布. b无围护机构 (1)井管数量n根 n=Q/q Q每日涌入基坑的水量/日 q单井每日排水量/日 （2）井管间距a米 a=L/n L基坑周长（米)7、深井过滤器的设计确定是 a、过滤器孔隙率的确定单井进水量q等于进水滤水器的流速与进水面积F的乘积q=vF F=RL q=VLRF进水面积R-过滤器直径L-过滤器的长度过滤器孔隙率假设V1m/s 为1525 b、过滤器网的选择通常选用尼龙过滤网。过滤网的孔眼直径与土的颗粒组组成有关,其关系式 dcd50式中dc过滤网孔径d50土颗粒粒径，以土中小于此颗粒粒径颗粒含量的50为准。c。滤网的确定。滤砂确定同样根据土层的颗粒含量50为准四、真空深井井点降水施工真空深井施工步骤为：制作真空井点成孔-洗孔下井管填砂-安装排水泵,封堵井盖集水总管接连式抽真空排水。同其他井点一样，成孔洗孔填过滤砂施工质量的好坏是影响井点降水效果极为关键的因素。施工中要严格控制过几道工序的施工质量.1.制作深井井管按降水深度确定井管长度,并计算过滤器尺寸后，制作要求详图（附图一）2.成孔成孔一般在围护结构或桩施工完后，采用钻机成孔，成孔直径D确定按下式：D=d+300mm400mm式中d为井管外径3。洗孔钻孔到设计深度后，孔中剩下的水泥密度极大,此时直接沉放井管，过滤器网的孔眼被堵塞，所填的砂可能填不到设计标高，砂井也将含有大量的泥浆，砂井的滤水效果也很差.如何将泥水的密度减少呢？注入清水不行清水的密度相比之下较小,不能将较重的泥浆排挤出,尤其是底部。一般潜水泵的排密度较大的泥浆也有困难.这是采用反循环吸泥装置较为理想其装置由下列设备材料组成：（1)36空压机一台（2）空气（压缩）输送管4一根（长度由井深决定)（3)吸泥管中48159mm钢管一根(长度由井深决定）（4）卡件,吸盘,喷早在1989年9月，反循环吸泥浆装置在宝钢实验成功，曾用于三公司地下连续墙清底吸泥，效果很好。具体工作原理为（附图二）当容压机工作，将大量的压缩空气注入吸泥管内，此时的压缩空气与管内的泥浆水充分混合,使管内的泥浆水比重减少（相对管外的泥浆而言)为r,设管外的泥浆水为r,则产生比重差r-r=r,，由于这个比重差r。从而产生一个水压头p=rh(井深)。在这个水压头的作用下，泥浆水得不断从底部抽到地上（通过吸泥管），往井内注入（补充）清水，以达到减小孔中泥浆水的密度.这是吸泥装置的主要工作原理，另一方面压缩空气对水体也有推动作用。4.沉设井管沉设井管一般来说比较简单，若掌握不好也会有一定困难.a沉设井管内注清水的方法，加速下沉.b沉设时间不宜过长,清孔后时间越长，塌孔的危险性越大。由于井管较长，一般为二到三节，沉设时采用焊接连接时，焊接速度要快c沉设井管过程中要尽可能保持井管居中，避免滤头与孔壁相擦，堵塞过滤网眼，影响降水效果。5。填砂 a要迅速，充分， b考虑到在成孔过程中有塌方及其他原因,计算填砂量将少于实际填砂量。应按实际情况而定，一般为计算量的1。11.3倍。6.安装排水桩，单井排水 当以上工序完成后要尽快安装排水泵，进行单井排水。尽快将井中的泥沙排出,减少沉淀物（泥砂)，要反复单井排水,直到排清水为佳。7.连接集水总管及试抽水 当一组（56个深井）井管沉没完毕（单井排水良好)后,及时封堵井盖，各井与集水总管联接(要求井与集水总管的连接管,其中有一段透明塑料管，以便观察每个单井在正常运转时是否上水）起初真空设备进行试抽水，排水,并检查降水系统的施工质量，发现问题及时采取措施处理。 真空深井的排水是间歇排水,在试抽过程中应确定间歇时间，一般规律是在开始时，间歇时间短，以后越来越长。间歇时间可采用自动控制的控制或人工控制。五、真空深井降水的运行管理 真空深井的运行管理，要求工作人员基本了解降水的原理及装备的性能，掌握一定的操作规程和维修技术。认真收集分析降水有关数据,为降水效果的判定提供依据。 管理工作的主要内容有：1。及时观测降水设备运转情况，并按要求记录有关数据,填写表格.2。观测井管抽水降水过程中出现的量的变化，地下水位的变化,以供专业技术人员分析降水效果及降水过程中出现的问题.3.及时通过塑料透明管观察每个井管是否上水，以判断排水泵工作是否正常.结语：本文涉及到的许多论点，不一定十分准确，尤其是对有围护结构降水的排量计算公式是本人自己推导的，不足之处敬请专家指出. 1995年七月十五日