富水砂卵石地层深基坑降水成井工艺研究

张晓涛

摘 要：洛阳地铁一号线某车站在深基坑开挖过程中发现地下水位远高于设计阶段勘察地下水位，地处洛河Ⅰ级台地，地层为砂卵石地层。降水管井施工困难，缩颈、塌孔现象严重，结合现场地质状况，分析各类成孔钻机特点，优化降水井成井工艺，选用长螺旋钻机压灌泥浆护壁成孔，成功解决富水卵石地层成井措辞塌孔、缩颈等问题，且具有成井效率高、施工质量可控、施工成本较低等优点，长螺旋钻机成井工艺的成功应用为类似地质情况下基坑降水施工提供借鉴。

关键词：富水砂卵石;深基坑;降水井;长螺旋钻机;泥浆护壁

中图分类号：TU753.3     文献标识码：A     文章編号：1003-5168（2021）36-0059-04

Study on Dewatering Technology of Deep Foundation Pit in Water Rich Sandy Cobble Stratum

ZHANG Xiaotao

（Sinohydro  Bureau11 Co.，Ltd，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract：The underground water level of a station of Luoyang Metro Line 1 during deep foundation pit excavation is much higher than that of the survey in the design stage.It is located in the class I platform of Luohe River，and the stratum is sandy pebble stratum.The construction of dewatering pipe well is difficult，necking and hole collapse are serious.Combined with the geological conditions of the site，the characteristics of various drilling rigs are analyzed，the well completion technology of dewatering well is optimized，and the long screw drilling rig is selected to fill mud to protect the wall for hole formation，which successfully solves the problems of hole collapse and necking in water rich pebble formation，and has the advantages of high well completion efficiency，controllable construction quality and low construction cost the successful application of rotary drilling well technology provides reference for foundation pit dewatering construction under similar geological conditions.

Keywords：sandy cobble stratum;deep foundation pit;dewatering well;long screw drill slurry wall protection

随着越来越多深、大基坑的出现，我国对于深基坑工程技术的研究也逐渐深入。在进行深基坑开挖时，不可避免遇到地下水位较高的情况，为了防止地下水带来的涌砂、地面变形、边坡失稳、地基承载力降低等情况的出现，对地下水的处理尤为重要。基坑的开挖深度越大，地下水对施工的危害性就越大，地下水处理成功与否直接影响整个工程的进度，其中地下水是影响深基坑安全的重要因素之一，尤其是在地质条件较为复杂的地区，必须要对地下水进行妥善处理，有效地减小地下水对深基坑的影响，以保证工程的可靠性与经济性。

洛阳地铁1号线塔湾站施工场地的地势平坦，所处地貌为洛河Ⅰ级阶地，位于洛河古河道范围内。根据勘察报告，在塔湾站勘探深度内自上而下依次为人工填土层、黄土状粉质黏土及黄土状粉土，下部为圆砾、卵石，广泛分布在该区，厚度15～30 m，地下水的类型主要为卵石孔隙潜水，地下水埋藏深度8.90～10.50 m，坑开挖深度17～18 m。为确保工程顺利进行，结合现场实际地质情况，采用管井井点降水对基坑进行施工降水，能起到良好的降水效果[1]，有效降低地下水次生灾害的发生，确保质量安全，保证施工进度。本文以塔湾站特殊的水文地质条件为例，探讨研究适合富水砂卵石地质条件下降水井成井工艺[2-4]。

1 水文地质情况

1.1 地质情况

施工范围内上覆第四系全新统人工填土（Q4ml），其下为第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）黄土状粉质黏土、黄土状粉土、细砂、卵石、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）粉质黏土、粉土、细砂、卵石。详见图1。

1.2 水文情况

施工范围的地貌单元为洛河Ⅰ级阶地，地下水类型主要为卵石孔隙潜水，主要赋存于②层卵石层中，地下水埋藏深度为8.90～10.50 m，水位标高为115.41～117.14 m。地下水主要接受大气降水补给，局部受洛河河水影响形成侧向补给，排泄方式主要为人工开采及侧向径流。工程区内地下水位年变幅一般为1～3 m。

2 成井工艺选择

2.1 成井工艺对比

2.1.1 冲击钻成井。降水井施工多采用冲击钻泥浆护壁成井，应用广泛，适用于各类地层，成井技术成熟。但存在着以下缺点：成井时间长;需要根据地质情况及钻进过程动态调节泥浆比重，泥浆制备量大;钻渣为黏稠泥浆，排渣次数多，且处置困难;施工场地文明施工差;砂卵石地层中受冲击振动影响极易产生塌孔、缩颈，成井质量差。

2.1.2 旋挖钻机成井。旋挖钻泥浆护壁成井施工，施工速度快，适用性广泛，适用于大多数地层条件。最近几年旋挖钻泥浆护壁成井施工在深基坑降水井施工中多有应用。旋挖钻机成井缺点如下：排渣次数多，对井壁擾动严重，尤其是在砂卵石地层中极易造成塌孔、缩颈现象;施工场地文明施工差;泥浆制备量大。

2.1.3 长螺旋钻机成井。长螺旋钻机成孔技术成熟。长螺旋钻机适用于大多数地质条件，多用于桩基施工，在降水井施工中应用较少，参照长螺旋钻机成桩工艺，在降水井施工应用中效果明显。成井速度快，通过钻杆螺旋叶片排渣，无须提钻排渣，对井壁扰动较小;提钻过程泵送灌注泥浆护壁，降低塌孔、缩颈风险;钻渣不含泥浆，消纳方便，降低环境污染，场地内文明施工良好;井管安装完成后，井内泥浆可抽出重复利用，降低泥浆制备量，节能环保;机械成本低[5-8]。

2.2 工艺选择

施工区域内细砂、卵石、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）粉质黏土、粉土、细砂、卵石地层性状不稳定，在成井过程中外力受扰动影响极易塌孔、缩颈。结合洛阳地铁施工工筹、施工成本、文明施工情况综合分析选用长螺旋钻机成井施工[9-10]。各项参数对比见表1。

3 成井工艺

降水管井施工按照“施工作业准备→测量放样→开孔与护筒埋设→设备就位→钻进成孔→清孔换浆→井滤管安装→滤料回填→止水回填→洗井→下泵试抽水验收”流程进行。

3.1 施工作业准备

施工作业前应根据施工场地布置图设置施工作业场区、材料堆场、设备堆场等各类区域。将施工用水引至现场，选好排水口及联系好排渣场地及车辆。施工作业现场应确保通水、通电、通路与场地平整，且符合下列规定：现场供水、供电能力应满足施工作业用水、用电的要求。

3.2 测量放样

①基准线、基准点按要求设在不受施工影响的区域。放样前应复核测量基准线、基准点。施工过程中加强基准线、基准点的保护，以防止破坏。②井位放样过程中，应与前期掌握的场地条件进行校核，标明受地下障碍物等影响的井位。对于可清除的地下障碍物，应当及时清除;不能清除的，及时与设计人员沟通后重新调整井位。③测量放样后及时对井位进行标识，标识物做到清晰、牢固和不易破坏。④放样完成后应进行放样复核，做好每个井位放样复核记录表。测量放样后井位与设计井位的偏差应控制小于200 mm。

3.3 开孔施工

开孔时应轻探慢挖，确认无异物。开孔孔径不得小于设计孔径，开孔进入原状土深度不应少于200 mm。表层地质条件不好的应埋设护筒。

3.4 设备就位

成孔钻机设备就位后，应调整钻机平整度，稳固钻机并落实作业安全防护措施。正式操作前应校正钻架垂直度，钻杆与钻具中心应保持在同一铅垂线上。钻具中心应对准孔位中心或护筒中心，与孔位中心或护筒中心偏差不应大于200 mm。开钻前应复核钻头直径、长度、钻杆根数、长度、垂直度、机台高度、计算机上余尺，并一一记录在案，以确保孔深与孔径。成孔钻机设备移位时，应先切断电源再移动设备。移动期间应有专人指挥，并应由专人看护电缆线以防压坏。

3.5 钻进成孔

①钻机就位。首先用定出井位中心，利用护桩检查桩孔的中心位置是否正确，然后调整钻机，使钻头中心和桩孔中心两者在同一铅垂线上，并测量钻杆的垂直度，其偏差不得大于20 mm。②钻孔前，根据地质、水文资料制备适当比重的泥浆。③钻机安装就位后，底座和顶端要平稳，不得产生位移和沉陷。初钻时速度适当控制，采用缓慢钻进，使最初成孔竖直、圆顺，防止孔位偏心、孔口坍塌。进入正常钻进后，可适当提高钻进速度。钻进过程中及时清理钻渣，并保持钻机周边文明施工（见图2）。

3.6 提钻灌浆

钻进至钻孔设计底标高后，应在原地空钻5 s，使钻头保持在孔底标高处继续转动，进一步粉碎孔底泥块并旋转带出，整平孔底。提钻前将钻杆提至离孔底50 cm，进行泥浆灌注，将孔内的泥浆充盈系数逐步灌至1.10，然后缓慢正向旋转提钻并同时灌注泥浆。

3.7 井管安装

①井滤管安装应在钻机完全提出灌注完成泥浆后进行，遇塌孔时不得置入井管。②滤管、井管应在平整地面上先行拼装。钢质滤管、井管间应用包箍套接并满焊，套接高度上下不小于100 mm，确保滤管、井管的连接严密和牢固。③滤管部位应包纱网。纱网包扎范围应超出滤管上下端各不少于200 mm，并应用镀锌铁丝扎紧。④滤管上下两端应各设置一套扶正器，扶正器直径应比孔径小50 mm;井管上扶正器间距不宜大于10.0 m。⑤沉淀管底部应采用钢板焊封，封堵钢板厚度不宜小于4.0 mm。

3.8 滤料回填

3.8.1 填滤料前在井管内下入钻杆至离孔底30～50 cm处，井管上口应加闷头密封，从钻杆内泵送泥浆边冲孔边逐步调浆，使孔内的泥浆从滤水管内向外由井管与孔壁的环状间隙内返出，将孔内的泥浆比重逐步调到≤1.05时，然后开小泵量按井的构造设计要求填入滤料，滤料应沿井孔缓慢均匀回填。

3.8.2 滤料回填时宜采用动水回填。滤料回填过程中随时计量回填量并测量填料高度，滤料最终回填量不得小于设计量的95%，回填高度不得小于设计高度。

3.9 止水回填

回填土以黏土、粉质黏土为主，严禁用块石、建筑废料等其他固体杂质回填。

3.10 抽出泥浆、洗井

回填完成后井内泥浆抽至泥浆池，调制后用于下一成井灌注。随后进行空气压缩机气举法洗井，不小于2 h。在提出钻杆前利用井管内的钻杆接上空压机抽水洗井，吹出管底沉淤，直到水清不明显含砂为止。空气压缩机气举法洗井后应测量井内沉淀物高度。最终管内沉淀物高度不大于井深的5‰。

3.11 下泵试抽水验收

洗井完成后应安装水泵进行试抽水，试抽水时间2～3 h。试抽水出水量不应与计算出水量有很大出入，试抽成功，代表该井成井完毕，可以投入使用。试抽过程中应观测出水的水色并测量出水含砂量（单位体积水样中所含的砂样量），抽水稳定后，应当检定出水含砂量体积比不得超过1/20 000。试抽过程中应计量管井流量，抽水稳定后，井内的水位应处于安全水位以下。对出水量小于同类井平均流量30%的管井，应采取补救措施以达到设计要求。

4 成效分析

4.1 在地铁车站深基坑降水井施工，采用长螺旋钻机，明显提高了工效，施工质量得到了保证，地铁车站深基坑降水设计64个降水井，井深28 m，冲击钻投入3台，旋挖钻机投入1台，降水施工阶段节省工期23 d。计算如下：

冲击钻成井时间-长螺旋钻机成井时间=（28×64/3-0.6×64）/24=23.29 d

4.2 富水卵石地层长螺旋钻机降水井施工与传统的冲击钻将水井施工工艺相比，施工效率高，安全文明投入少，能更好地减少投入，效益更高，为项目带来了显著的经济效益。

计算依据如下：

人工费=人工每天费用×节省工期×人员总数=0.026×23×20=11.96万元

用电费用=材料单价×数量=0.000 1×（23×15×24×64）=52.99万元

机械费用=冲击钻单价×数量-螺旋钻单价×数量=（0.025 5×64×28-0.014 2×64×28）=20.25万元

管理费=项目管理人员×节省工期=8×0.03×23=5.52万元

经综合测算节约成本约90.72万元。较传统降水施工方法降低了成本，经济效益显著。

5 结语

长螺旋成孔工艺自身具有很多优点，适用范围广，广泛应用于除岩层、超大粒径卵石地层以外的各类地层中，长螺旋压灌泥浆护壁成井工艺大大提高了降水井施工速度。通过调长螺旋中空钻杆泵压灌浆护壁，有效防止砂卵石地层成井过程塌孔。与传统冲击钻成孔相比，在施工质量、工期和经济效果等方面取得良好的效果，长螺旋钻机施工降水井工艺具有极高的推广使用价值，该工艺的成功应用为其他工程深基坑降水提供借鉴依据。

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