深水區(qū)域打井取水的施工技術(shù)探討

(上海城投航道建設(shè)有限公司，上海 200940)

1 工程概況

長江口水文監(jiān)測站網(wǎng)工程位于上海市長江口區(qū)域，主要由陳行、長興島、三甲港、沒冒沙等監(jiān)測站組成，監(jiān)測站工程建設(shè)主要包括測亭、通信鐵塔、防撞警示墩、沉降觀測點及水上打井取水等。其中陳行水文監(jiān)測站位于陳行水位大堤與寶鋼水位交界處東北方向外海，區(qū)域水深約7m；長興島水文監(jiān)測站位于長興島西部中央沙大堤外側(cè)，區(qū)域水深約19m；三甲港水文監(jiān)測站位于浦東機(jī)場外側(cè)灘涂圈圍工程綠波圍堤外側(cè)，區(qū)域水深約10.5m；沒冒沙水文監(jiān)測站位于浦東機(jī)場外側(cè)灘涂圈圍工程3號圍區(qū)外海，區(qū)域水深約5.6m。

取水深井緊貼陳行、長興島、三甲港和沒冒沙監(jiān)測站房，作為工程的重要組成部分之一，其主要功能是長期為各測站提供可靠、穩(wěn)定、足量的清潔淡水，以滿足監(jiān)測設(shè)備日常清洗和維護(hù)等需要。

圖1 深井剖面

2 影響打井施工質(zhì)量及進(jìn)度的關(guān)鍵因素

2.1 水文氣象

本工程位于長江入?？诙危芴煳暮３?、臺風(fēng)影響較大，河床分汊多變，且海風(fēng)較大，受潮汐影響明顯。潮汐為非正規(guī)半日淺海潮。已建水文站潮位特征表顯示：各站多年平均高潮位為3.33～3.51m，最大潮差為5.94～6.77m，平均漲潮歷時4.6～5.35h，平均落潮歷時4.7～7.85h。

長江口潮汐屬非正規(guī)半日淺海潮，其日潮不等現(xiàn)象較為顯著，多年平均漲落潮歷時比值為1∶33。最大潮差可達(dá)6m，最大流速可達(dá)6m/s。漲潮時，海水由外海流入，落潮時流向外海，基本為往復(fù)流。在口內(nèi)，中潮垂線平均流速為0.5～0.8m/s、最大流速為0.63～1.92m/s，一般為落潮流速大于漲潮流速，屬于中等強(qiáng)度的非正規(guī)半日淺海潮。

長江口區(qū)域附近波浪以風(fēng)浪為主，其盛行浪向與盛行風(fēng)向一致，冬季以偏北浪為主，夏季以偏南浪為主，春秋兩季為浪向交替過渡季節(jié)，只有在NE至SE風(fēng)向上有涌浪傳入。

各測站點均勻分布在長江口水域，分布較廣，離岸較遠(yuǎn)，自然條件惡劣，綜合考慮，主要施工時間安排在6—9月份。

2.2 地質(zhì)條件

地勘資料顯示，工程區(qū)域從上到下分布的土層主要為：①層淤泥、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層淤泥質(zhì)黏土、⑤-1層粉質(zhì)黏土、⑤-3層粉質(zhì)黏土、⑦層細(xì)砂。其中淤泥質(zhì)土層厚度平均為7.8～11.25m，細(xì)砂層主要位于標(biāo)高-52.0以下。區(qū)域地質(zhì)條件較差，鋼管護(hù)筒的埋設(shè)深度以及打井深度對深井取水的水質(zhì)有較大影響。

2.3 原材料及中間產(chǎn)品

進(jìn)場鋼護(hù)筒的防腐層厚度、熱鍍鋅鋼管的質(zhì)量、濾水管的過濾性以及粗砂的透水性等同樣也會對深井及打井取水的水質(zhì)帶來一定影響。

3 施工方案確定

深水打井的施工重點主要有以下幾個：?鋼管護(hù)筒埋設(shè)長度的控制；?鋼管護(hù)筒的沉樁及焊接質(zhì)量；?樁孔的精確定位和垂直度控制；?樁壁穩(wěn)定性監(jiān)測。

本工程在成井之前，首先應(yīng)將鋼管護(hù)筒埋設(shè)就位。為避免成井過程中發(fā)生孔壁坍塌、江水內(nèi)灌等現(xiàn)象，保證成井的質(zhì)量，鋼管護(hù)筒底部一定要深入有效土層。護(hù)筒頂部高程根據(jù)設(shè)計要求應(yīng)與測亭靠船側(cè)樓梯平臺齊平。結(jié)合工程實際情況，將成井施工分為四個階段進(jìn)行。

第一階段：利用150t駁船，將鋼管護(hù)筒運至施工指定區(qū)域，然后利用浮吊船將鋼管護(hù)筒按指定位置沉入土中，直至設(shè)計深度。

第二階段：利用浮吊船將鉆機(jī)吊裝至測亭靠船側(cè)樓梯中間平臺位置，并通過槽鋼支架及輔助方木墊板固定牢固后再鉆孔成井，直至井底設(shè)計高程。

第三階段：借用鉆機(jī)進(jìn)行下井管施工，然后對下井管的周邊區(qū)域采用干凈的中粗砂進(jìn)行密實填充，粗砂濾料上部采用黏土球?qū)诠芡庾龊梅忾]工作，最后對成井孔進(jìn)行洗井工作。

第四階段：對深井原水水質(zhì)進(jìn)行水質(zhì)化驗，待水質(zhì)化驗合格后再進(jìn)行水質(zhì)凈化設(shè)備、水箱、給水管的采購和安裝，最后進(jìn)行安泵試抽。

深井剖面見圖1。

4 深井施工工藝介紹

4.1 鋼護(hù)筒埋設(shè)

為避免在深井成孔過程中發(fā)生護(hù)筒下沉現(xiàn)象，并考慮到水頭壓力對護(hù)筒筒壁的影響，采用規(guī)格為φ630、壁厚12mm的鋼護(hù)筒進(jìn)行埋設(shè)?？紤]到鋼護(hù)筒需永久保存，不得進(jìn)行拆除，為防止外來海水侵蝕，對鋼管樁采用環(huán)氧重型防腐涂料全長涂裝，涂料厚度不小于600μm，且達(dá)到Sa2.5級標(biāo)準(zhǔn)。

考慮到鋼護(hù)筒較長，運輸及吊裝困難，將鋼護(hù)筒進(jìn)行分節(jié)，管節(jié)長度可分為12m、6m。陳行站、長興島站、三甲港站、沒冒沙站各站點泥面線平均高程依次為-2.97m、-10.29m、-8.59m、-8.97m，而靠船側(cè)樓梯中間平臺的高程依次為6.63m、6.68m、6.57m、7.07m。故第一節(jié)管樁應(yīng)選用12m長的管樁進(jìn)行沉入，當(dāng)?shù)谝还?jié)管樁沉入到一定深度后，在護(hù)筒外壁頂端向下1m處對稱各焊一塊厚1.5mm的直角三角形鋼板，然后繼續(xù)沉入，直至鋼板與平臺上的槽鋼接觸牢固。拆除卡環(huán)、鋼絲繩及抱樁器后，利用氣割將留有孔洞部位的護(hù)筒水平切除后，再重復(fù)第一節(jié)的吊裝方法將第二節(jié)護(hù)筒吊裝至指定位置，并確保兩接口緊密結(jié)合后，通過二氧焊將兩段護(hù)筒焊接牢固，提起護(hù)筒，采用氣割將兩側(cè)鋼板切割后抽取平臺上的槽鋼，采用振動錘將其緩慢沉入。沉入后確保護(hù)筒頂部與測亭靠船側(cè)樓梯中間平臺位置齊平。

由于護(hù)筒沉入?yún)^(qū)域位于長江出?？?，受到漲落潮潮水的沖擊明顯且嚴(yán)重，而護(hù)筒的自由長度比較長，對筒身有一定的影響，所以打設(shè)完成后的筒身，在筒身內(nèi)部結(jié)構(gòu)未施工前，在外力作用下容易發(fā)生晃動。為保護(hù)好已沉設(shè)好的護(hù)筒，需采取永久固定措施。

護(hù)筒固定方式主要采用20號b槽鋼配合16號b槽鋼分三道進(jìn)行固定，與測亭主體結(jié)構(gòu)固定連接部分的20號b槽鋼長2.0m，主要通過規(guī)格為M16×150mm的膨脹螺栓將槽鋼與承臺、立柱固定連接起來。然后再采用16號b槽鋼通過焊接形成的護(hù)筒將鋼護(hù)筒進(jìn)行固定，另外一端與20號b槽鋼接觸部分采用焊接形式進(jìn)行固定。

4.2 鉆進(jìn)成孔

4.2.1 鉆機(jī)進(jìn)場及安裝

結(jié)合本工程的施工特點，項目部選用規(guī)格為GPS-10型的小型鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)成孔作業(yè)，鉆機(jī)采用駁船運至施工現(xiàn)場，通過浮吊船將其吊裝至樓梯中間平臺位置，并進(jìn)行組裝。

4.2.2 泥漿制備

成井施工為水上作業(yè)，距離堤岸較遠(yuǎn)，為防止鉆孔時泥漿溢出污染江水，在駁船內(nèi)設(shè)置泥漿箱，用于廢漿收集及泥漿沉淀。同時，在駁船內(nèi)設(shè)置泥漿攪拌池，用于調(diào)制泥漿比重和稠度。

4.2.3 鉆孔及清孔

為防止在鉆進(jìn)過程中發(fā)生孔壁坍塌，本工程采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆孔。開始鉆進(jìn)時宜慢不宜快，應(yīng)密切注意孔內(nèi)水位，隨時檢查泥漿的相對密度及黏度，并根據(jù)鉆渣及泥漿指標(biāo)判斷地質(zhì)情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)泥漿指標(biāo)異常時應(yīng)立即停止鉆進(jìn)，分析判明原因。若泥漿指標(biāo)偏低，添加大量膨潤土后依然偏低時，應(yīng)認(rèn)為嚴(yán)重塌孔。故應(yīng)在移離鉆機(jī)后將鋼護(hù)筒接長，接長長度根據(jù)實際情況而定。若泥漿指標(biāo)變化較小時，可在泥漿中添加適當(dāng)?shù)纳暗[，增加泥漿濃度后繼續(xù)鉆進(jìn)，直至設(shè)計位置。同時考慮到沉渣影響，在鉆進(jìn)時應(yīng)超鉆30cm。

成孔完畢后，用檢孔器對孔徑、垂直度及井深進(jìn)行檢測。成井檢測一般包括孔的中心位置、傾斜度、鉆孔底標(biāo)高、深度、直徑、護(hù)筒頂標(biāo)高等。在成井檢測合格后應(yīng)立即進(jìn)行清孔。

4.3 下井管

下井管采用φ273的鍍鋅鋼管，鋼管壁厚為6mm，深井供水量不低于0.5m3/h。因此，濾水管開孔孔徑為18～30mm，孔隙率為20%～25%，分兩段進(jìn)行設(shè)計，濾水管外再包兩層40目的濾網(wǎng)，用16號鐵絲進(jìn)行綁扎，綁扎間距為0.5m。濾水管直徑應(yīng)與下井管直徑相同。沉淀管接在濾水管底部，直徑與濾水管相同，長度為1m，沉淀管管底口用與φ273鋼管相同材質(zhì)的鋼板焊接封死。

下井管進(jìn)場后，應(yīng)檢查過濾器的縫隙是否符合設(shè)計要求，下管前必須測量孔深，待孔深符合設(shè)計要求后，開始下管，下管時應(yīng)保證濾水管居中，且濾水管長度為6m，井管焊接要牢固、垂直、不透水，下到設(shè)計深度后，井口應(yīng)居中固定。嚴(yán)禁將井管強(qiáng)行插入坍塌孔底。下井管管口高程應(yīng)與測亭靠船側(cè)樓梯中間平臺位置齊平。

4.4 填砂

為確保下井管安裝的牢固性和透水性，對下井管周邊區(qū)域采用干凈的中粗砂進(jìn)行密實填充。填砂前應(yīng)用測繩測量井管內(nèi)外的深度，且確保兩者的深度值均與沉淀管的深度相同。填砂過程中應(yīng)隨填隨測中粗砂的填充高度，填充工序應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不得中途終止，直至泥面線以下2～2.5m位置。

4.5 黏土球封堵

濾料上部采用黏土球密實回填，直至管口位置，同時應(yīng)做好井口管外的封閉工作。

4.6 洗井

洗井的主要目的有以下兩點：?清除井壁上的泥皮，并把深入到含水層中的泥漿抽吸出來，恢復(fù)含水層的孔隙；?成井完成后立即抽水洗井，一般采用深井潛水泵抽水洗井，抽吸出含水層中一部分細(xì)顆粒，直至水清砂凈，并擴(kuò)大含水層的空隙，形成一個人工過濾層。

4.7 水質(zhì)化驗

待洗井完成后，再對深井原水水質(zhì)進(jìn)行抽樣，并送至具有相應(yīng)資質(zhì)的單位進(jìn)行水質(zhì)化驗，待水質(zhì)化驗結(jié)果滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)標(biāo)準(zhǔn)后方可進(jìn)行下道工序施工，否則應(yīng)及時通知監(jiān)理、業(yè)主、設(shè)計等單位進(jìn)行協(xié)商處理。

4.8 水箱、水質(zhì)凈化設(shè)備安裝

水箱采用常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)水箱，凈水處理設(shè)備型號根據(jù)水質(zhì)化驗結(jié)果采用單機(jī)純凈水(反滲透)設(shè)備，其功率為每小時可凈化1m3水。凈水處理設(shè)備安裝固定方式與水箱安裝固定方式相同，在此不作冗述。

5 試抽化驗

待深水泵、增壓供水設(shè)備、水箱、水質(zhì)凈化設(shè)備、管線及電纜線均安裝完成后方可進(jìn)行井水試抽。深井水供水水壓測試結(jié)果顯示：供水水壓均大于0.1MPa，滿足設(shè)計要求。深井水經(jīng)水質(zhì)凈化設(shè)備凈化后的水質(zhì)化驗結(jié)果顯示：水中的微粒、懸浮物、膠體和藻類物質(zhì)已經(jīng)完全消失，吸附于原水中的余氯、有機(jī)物、部分色素、有害物質(zhì)、化學(xué)耗氧量COD、SDI值明顯降低，極大地提高了水質(zhì)的純度，滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中Ⅰ類水水質(zhì)要求。

6 結(jié) 語

長江口水文監(jiān)測站網(wǎng)工程在深水區(qū)域所采取的打井取水施工工藝技術(shù)簡潔可靠、成本低、施工效率高、作業(yè)時間短，解決了在深水區(qū)域進(jìn)行打井取水施工中遇到的施工條件差、地質(zhì)復(fù)雜、潮位影響明顯等難題，為工程后續(xù)施工順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)，可為同類工程的施工提供經(jīng)驗和技術(shù)借鑒。