北石澗溝倒虹降水管井施工坍孔的解決方法

孫敬超

【摘要】文中介紹了該倒虹吸降水井的設計方案及運行中出現的問題，主要闡述了新增降水井施工時遇到的新問題，通過一系列的原因分析采取了一系列的措施，最終鉆井成功，降排水成功，順利實現了后期的工程施工。

【關鍵詞】北石澗溝；倒虹；降水管井；施工；坍孔；解決方法

一、工程概況

北石澗溝排水倒虹吸總長218.98m，由進口段、管身段、出口段三部分組成，其中管身段水平投影長119.48m，由9節管身組成，其中7節為斜坡管身段，2節水平管身段，水平管身段位于倒虹最低處。管身橫向為2孔4m×4m（寬×高）的箱型斷面。倒虹吸建基面最低高程91.614m，地下水位高程102.4m。

工程區屬黃沁沖積平原，兩岸地面高程106.30～106.96m。

建筑物場區地層劃分為6個工程地質單元。由上至下分別為：①黃土狀重粉質壤土，層厚5.3～6.9m，滲透系數8.0×10-6cm/s；②粉質粘土，略具泥腥味，可見碎貝殼，層厚1.5～4.0m，滲透系數5.3×10-6cm/s；③黃土狀重粉質壤土，可見螺殼碎片，偶含小鈣質結核，層厚4.2～5.3m，滲透系數6.0×10-6cm/s；④黃土狀中粉質壤土，層厚2.6～3.0m，土質不均勻，下部含砂增多，局部夾薄層粉細砂，滲透系數8.0×10-5cm/s；⑤砂壤土，層厚2m左右，頂部夾有輕粉質壤土透棱體，滲透系數5.8×10-3cm/s；⑥細砂，層厚4m左右，底部高程85m左右，滲透系數2.0×10-2cm/s。

場區地下水主要為第四系松散層孔隙水，具承壓性，勘探期間測得地下水位高程102.40m，主要接受大氣降水入滲及河水補給，消耗于人工開采及側向徑流。地下水對混凝土不具腐蝕性。

二、降排水方案

倒虹吸工程基坑排水采用管井法與明排相結合的排水方案。由于倒虹吸工程承壓水水頭為15.48m，為防止承壓水對地基產生頂托破壞，設計管井時考慮了降壓排水措施，結合倒虹設計開挖情況，同時借鑒本標段其他倒虹吸排水經驗和類似工程排水經驗，經過計算后確定，北石澗倒虹吸基坑開挖采用管井排水后能夠滿足降壓排水需要。

排水井的布置是沿基坑軸線左右對稱布設，縱向間距20m、橫向間距25m、管徑為800mm的管井（井壁為無砂混凝土管），排水管井合計12口，其中降壓排水井8口（位于群井中間部位）、排水井4口（位于群井兩端頭部位）。降壓井設計時，為了既能減少抽水工作量，又能夠確保降低承壓水壓力，不致對地基產生頂托破壞，采用了承壓非完整井的管井方式，8口降壓井井底均位于砂層中部。另外4口排水井井底則位于第④層壤土層中。排水井底部高程為94.0m，降壓排水井底部高程90.0m。

三、施工中遇到的問題

1、降排水情況

北石澗溝倒虹吸在開挖施工之前，首先進行降排水施工，降水井施工后，即開始進行管井降水，至今已進行了兩個多月。

在倒虹開挖施工過程中，由于對降水井的保護、維護工作很不到位，至開挖工作結束時，井的狀況已經很不理想，8口降壓排水井有4口工作基本正常，4口井里已經有很深（高約5.0m左右）的細砂淤積，已經失去了降壓排水作用。

倒虹水平段管身基礎設計有水泥土攪拌樁基礎處理工程，因此在開挖施工結束后，要組織進行該項目施工，但因降水井目前的工作情況，已無法達到降排水效果，而且，此時水平段管身段建基面已經出現一處承壓水的冒出現象，導致建基面無法組織施工。

2、采取的措施

基于這種情況，經認真研究，決定立即在基坑里增加4口降壓井，用以加強基坑降水強度。這4口降壓井井底均處在細砂層以下（穿過細砂層，進入細砂層下的相對隔水層至少1.0m深），形成承壓完整井的工況。新增4口井布置詳見上圖：北石澗溝倒虹降水井布置示意圖。

3、新增降水井施工遇到的問題

新增降水井成井設備采用反循環鉆機及其配套設備，采用泥漿護壁的成孔工藝。

在鉆井施工過程中，當鉆井至設計深度后，即拔出鉆桿，拔出鉆桿后，砂層在大約10多分鐘之內，即把井孔淤積10m深左右（處于降水期間的地下水位以下），致使無砂混凝土井管無法安裝，該降壓井無法使用。同時，新增其他幾口降壓井也暫時無法組織施工。

四、原因分析

經過系統的分析、研究，結合前期12口井鉆井施工時并未出現這類現象的情況，認為主要存在以下幾個方面的原因：

1、地下水流動產生；

2、護壁泥漿流入砂層，與細砂產生換位現象。

這主要是因為：

（1）前期鉆井施工時，井底雖然已經進入細砂層，但當時為原始地下，初次受到擾動，砂層尚處于基本穩定狀態，雖然承壓水壓力從井孔中得到釋放，但因為承壓水壓力受到鉆井泥漿水的抵消，當時能表現出的壓力并不是很大，故只引起承壓水和井孔周圍少量的細砂的流動，而未引起井孔周圍大量的的細砂的流動，且較遠距離以外的砂層尚處于相對穩定狀態，不能夠流至井孔中，故而能夠成井。

（2）降水設施的運行情況

降水井施工后，即開始進行管井降水，至今已進行了兩個多月。降水剛開始時，有從井中抽出細砂的現象，后來就變為清水。但現在的平管段8口井的現狀是：4口工作基本正常，4口井里已經有很深（高約5.0m左右）的細砂淤積，已經失去了降壓排水作用。

（3）根據原降水設施運行情況分析，此時每口井降水影響曲線以內的砂層已經處于經過擾動的較松散狀態，而非原來的密實、穩定狀態，甚至已經出現了因細砂流走而產生的很小的地下空間。

鉆井過程中，采用的泥漿護壁技術，鉆進過程中沒有產生坍孔，因為采用了泥漿進行護壁，更重要的是鉆桿轉動帶動泥漿水的運動，產生的動水壓力尚能與承壓水壓力相抗衡，故沒有坍孔。而當鉆桿拔出后，孔內泥漿水處于靜止狀態，靜水壓力小于承壓水壓力，此時承壓水便帶著細砂以很大的流速向井孔內流入，產生嚴重淤積現象，無法成井。

3、鉆井沒有使用專門的泥漿制作池，而是向井中注水，靠鉆桿轉動帶動井孔中的天然土自然形成泥漿，而鉆到砂層時，砂層無法供應制作泥漿的天然土，故泥漿濃度很小，起不到護壁作用，致使坍孔。

五、解決方案及注意事項

1、解決方案

把原井用壤土回填，重新鉆井，鉆井過程中，抽水始終不能停止。

鉆到砂層時，降低鉆井速度，緩慢鉆進，同時人工向孔內倒土，以提供制備泥漿的土料，并使泥漿濃度相對增大，其用意：（1）相對增大泥漿濃度，可相對增大護壁強度；（2）因其它井抽水未停，所以地下水向正在抽水的井孔的方向流動，帶動泥漿填充砂層中的因細砂流走而產生的空間，從而使砂層恢復穩定狀態，然后以相同速度繼續鉆進，直至鉆井至設計高程。

2、應注意的事項

（1）再次鉆進至砂層后，必要時鉆頭在每一位置停止幾分鐘時間，反復轉動、護壁，然后再鉆進、停留、轉動、護壁，以此類推，反復進行。

（2）觀察臨近井有無泥水抽出，如有，則可把該井暫停抽水幾分鐘，使泥漿穩定，和砂層固結在一起，然后再抽水、再觀察，如此反復進行，直至抽出的水為清水。

（3）泥漿濃度大時，必然使井孔周圍井壁上的泥漿厚度增大，所以必須嚴格控制洗井質量，以免抽水時井中水量不大，影響降水效果。

（4）鉆至砂層后，在處理砂層的過程中，注意井孔內水面下降速度，因為其它井在抽水，下降速度較大時，說明泥漿在填充砂層中的空間，則繼續向井內加土，直至下降速度較慢；如下降速度較慢，接近正常鉆井時，說明砂層中的空間已得到填充，則繼續鉆進。

六、結語

根據分析出來的降壓井鉆井失敗的原因，采取了文中所述相關措施后，降壓井實現了成功施工，新增降壓井施工完成后，所有井全部開啟進行降排水，成功的降低了地下水位，使后期施工得以順利進行。