泵吸反循環(huán)成井工藝在上海市第Ⅱ含水層中的實施應用

王 彭 宇

(上海長凱巖土工程有限公司，上海 200000)

0 引言

蘇州河段深層排水調(diào)蓄管道系統(tǒng)工程試驗段苗圃西工作井內(nèi)徑30 m，挖深約62.50 m，工作井附屬結(jié)構(gòu)挖深約30 m～40 m。對本工程有威脅的地下水是第⑨,⑩A和層承壓水含水層。這三個含水層在上海研究較少，基坑降水涉及的第Ⅱ承壓含水層較少，第Ⅲ承壓含水層更是從來沒有涉及降水。為足夠了解第Ⅱ、第Ⅲ承壓含水層空間分布規(guī)律和水頭高度、調(diào)查水位下降與總涌水量的關(guān)系、降水影響半徑、水文地質(zhì)參數(shù)和各含水層的水力聯(lián)系，開展了水文地質(zhì)勘察工作，為評價基坑抗突涌安全性、降水設(shè)計提供基礎(chǔ)。

該工程采用泵吸反循環(huán)鉆進工藝[1]進行鉆進，與正循環(huán)對比，泵吸反循環(huán)有成井效率高、鉆頭磨損低、孔底沉碴少、孔壁穩(wěn)定、地層分層清晰、成井質(zhì)量好、經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)勢，特別是在第Ⅱ含水層施工優(yōu)勢尤為明顯。該工藝應用于水文水井施工具有明顯優(yōu)勢。

1 上海市第Ⅱ含水層特征

試驗場地揭露155.00 m深度范圍內(nèi)地基土屬第四紀晚更新世及全新世沉積物，主要由粘性土、粉性土和砂土組成，分布較穩(wěn)定，一般具有成層分布的特點。按其沉積年代、成因類型及其物理力學性質(zhì)的差異，依據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08—37—2012巖土工程勘察規(guī)范[2]相關(guān)條款，可劃分為10個主要土層，其中第⑤層、第⑧層可分為2個亞層，第⑨層可分為3個亞層，第⑤層、第⑨層、第層含有夾層；缺失上海市統(tǒng)編地層第⑥層暗綠色硬土層和第⑦層粉砂。

1.1 工程地質(zhì)條件

第①層雜填土，第②1層粉質(zhì)粘土(上海地區(qū)俗稱“老土層”)，第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，第④層淤泥質(zhì)粘土，第⑤1層粘土，第⑤3層粉質(zhì)粘土夾粉砂，第⑤3夾層粘質(zhì)粉土，第⑧1層粉質(zhì)粘土，第⑧2層粉質(zhì)粘土、粉砂互層，第⑨1層粉細砂，第⑨2-1層中粗砂，第⑨2-2層粉細砂夾中粗砂，第⑨夾層粉質(zhì)粘土，第⑩層粘土，第⑩夾層粘質(zhì)粉土，第⑩A層粉砂夾粉質(zhì)粘土，第層粉砂夾中粗砂，第T層粉質(zhì)粘土，第層粘土。

1.2 水文地質(zhì)條件

場地地下水類型主要為松散巖類孔隙水，孔隙水按形成時代、成因和水理特征可劃分為潛水含水層、承壓含水層。場地深度范圍內(nèi)地下水主要為賦存于淺部土層中的潛水、第⑨層中的第Ⅱ承壓水及第⑩夾、第⑩A層中微承壓水及第層中的第Ⅲ承壓水。

根據(jù)區(qū)域資料，結(jié)合實測水位數(shù)據(jù)，場地地下水水位見表1。

表1 地下水水位埋深一覽表

2 成井要素

水井的成敗取決于成孔和成井兩個過程。成井施工的成敗需要有良好的成孔施工作為鋪墊，只有先施工好鉆孔才會進一步施工好水井。而在成孔過程中則有以下四點主要要素，這是施工好鉆孔的必備條件。

2.1 泥漿

鉆進過程中始終要保持泥漿液面高出地下水位至少1.0 m或與自然地面相平以保證鉆進過程中不易出現(xiàn)塌孔事故。

成孔鉆進過程中泥漿密度控制在1.10 g/cm3～1.20 g/cm3以內(nèi)；清孔施工后密度1.05 g/cm3～1.08 g/cm3，粘度在18 s～21 s之間，含砂率小于1%。

2.2 垂直度

垂直度的掌控主要目的為了水井管材安裝下放過程中順利施工，再者鉆孔的垂直度會影響水井管材是否在孔內(nèi)居中，如若管材靠近孔壁，濾料在過濾器段回填不均勻會導致水井的出水量。控制好鉆孔的垂直度是成孔過程中的一個重要因素。

2.3 鉆進速率

鉆進過程中應根據(jù)場地地層的不同控制鉆機進尺速率，尤其是軟硬地層交界處更應減緩鉆進速率，其主要目的是保證鉆進過程中不發(fā)生偏移從而保證鉆孔的垂直度。在該項目中上部粘土層在鉆進過程中控制為30 cm/min，進入第⑨層前開始減緩鉆進速率，在第⑨層中的鉆進速率控制為20 cm/min。

2.4 孔底沉渣

成孔到設(shè)計深度后，需要進行孔底沉渣的清除，其主要手段為更換泥漿進行循環(huán)?？椎壮猎亩嗌贂苯佑绊懙剿^濾器段回填濾料的有效性，如若沉渣較多會導致濾料沒有完全在過濾器段充填密實，直接導致的后果是水井出水量減少，其次則是水井出水會較渾濁。

成孔階段控制好以上要素基本上在鉆孔質(zhì)量上會得到足夠的保證，鉆孔施工的成敗并不是最后的勝利，還需要進行成井工作。

2.5 管材焊接

焊接前要檢查管材本身質(zhì)量是否存在漏焊、沙眼，再進行管材安裝下放焊接，各個管材之間的接頭必須采用滿焊，管材對接時要保證垂直度，避免產(chǎn)生彎曲。在濾水管上下兩端需要設(shè)置扶正器使井管盡量處于孔位中心。

2.6 濾料的選擇與回填

針對上海市第Ⅱ含水層，采用標準級配砂，粒徑可按下式考慮：

D50=(6～12)d50。

其中，D50為填礫粒徑；d50為濾管周圍含水層顆粒粒徑。在該項目中第⑨層濾料顆粒選用1.0 mm～3.8 mm(包括第⑨1層、第⑨2層、第⑨3層)。濾料回填要四周均勻回填，回填時邊填邊測回填高度，投礫時要平穩(wěn)、緩慢，防止架橋。當回填高度比設(shè)計高度少1 m時停止投礫，等待濾料落實后再測量回填高度，直至到設(shè)計高度。濾料的回填會直接影響到水井的出水量。

2.7 止水材料回填

濾料回填密實后需要進行止水封填，回填材料主要采用粘土球，回填過程中緩慢四周均勻回填，回填至孔口。止水材料的回填主要目的是隔斷各個含水層的水力聯(lián)系。

2.8 洗井

止水回填后12 h內(nèi)應進行活塞洗井，洗井宜采用空壓機氣舉洗井結(jié)合活塞洗井的方式。氣舉洗井的主要功能是洗出井內(nèi)的沉淀物；活塞洗井的主要作用是破壞孔壁的泥皮，使地層中的水更容易匯聚至水井中從而增加水井的出水量。

3 成井工藝

針對上海市第Ⅱ含水層，結(jié)合泵吸反循環(huán)設(shè)備的優(yōu)勢制定成井施工工藝。成井施工工序包括場地準備、井位放樣、埋設(shè)護筒、鉆孔、清孔、下放井管、回填濾料、回填粘土球、粘土、洗井等，成井施工是一項質(zhì)量要求高，須在一個短時間內(nèi)連續(xù)完成多道工序的地下隱蔽工程，施工必須要認真按照施工工藝流程進行。

3.1 測量定位

根據(jù)甲方提供的紅線區(qū)和水準點資料，建立軸線控制網(wǎng)，埋設(shè)永久性標志，控制點布設(shè)在非施工區(qū)域，依據(jù)設(shè)計圖紙放置井位。鉆機就位調(diào)整穩(wěn)固、周正、水平，先將機架底盤調(diào)到水平。

3.2 埋設(shè)護筒

護筒頂端至少高出地面0.3 m，護筒上部設(shè)溢漿孔；進入原狀土2 m；筒埋設(shè)后，四周用粘土加草辮回填、搗實，防止鉆孔時漿液從護口管外溢。

3.3 鉆孔

采用FXZS-300型鉆機配備三翼鉆頭，鉆頭直徑為850 mm。鉆進過程中采用自然造漿進行鉆進，鉆進同時記錄鉆進原始記錄。鉆進過程中粘土層速率為30 cm/min，第⑨層中的鉆進速率為20 cm/min。鉆進全程采用減壓鉆進。鉆進過程中泥漿比重控制在1.15 g/cm3鉆進至第⑨層使泥漿比重控制為1.12 g/cm3，過程中泥漿粘度為18.5 s，含砂量為0.6%。孔深89 m，鉆進過程耗時42 h鉆進至設(shè)計深度。

3.4 清孔

稍提鉆具離孔底10 cm～20 cm，更換泥漿，更換后的泥漿比重保持1.06 g/cm3，粘度保持18 s，含砂量為0.6%，隨后進行泥漿循環(huán)，直至能準確測量孔深，孔內(nèi)泥漿中無泥塊懸浮。清孔完畢后，孔底500 mm內(nèi)泥漿比重應為1.06 g/cm3，含砂率不大于0.6%，粘度不大于18 s。

3.5 下放井管

井管采用鋼管，壁厚8 mm，直徑426 mm；過濾器選用纏絲過濾器，纏絲間距1.2 mm，壁厚8 mm，直徑426 mm，孔隙率達20.2%，根據(jù)設(shè)計要求，先下放2 m長沉淀管，隨后下放9 m長過濾器，并在過濾器兩端焊接扶正器，最后按設(shè)計要求下放井管，井管高出地面30 cm。

3.6 回填濾料

井管安裝下放完畢后開始回填濾料，回填高度為-89 m～-76 m，濾料顆粒選用1.5 mm～3.8 mm?；靥顣r隨填隨測，回填高度嚴格按照設(shè)計高度進行施工。

3.7 回填粘土球、粘土

濾料回填完畢后，等待落實后進行止水材料(粘土球)的回填，回填高度為-76 m～-65 m；回填至設(shè)計高度后再回填粘土，回填高度為-65 m～0 m，回填時四周緩慢均勻回填。

3.8 洗井

該項目選用活塞洗井和空氣壓縮機氣舉法洗井的方式。活塞洗井法的原理是活塞在管內(nèi)上下運動，反復造成瞬時局部負壓和猛烈的水力沖擊，通過濾水管孔隙破壞井壁殘留泥皮，抽吸出管外礫石層及含水層中的稠泥漿和部分細砂，達到初步洗井目的。

止水材料回填后12 h內(nèi)進行活塞洗井，活塞洗井時間進行4 h，活塞行程進行40次?；钊淳Y(jié)束后更換為空氣壓縮機氣舉法洗井，洗井時間為4 h，空氣壓縮機氣舉法洗井后測量井內(nèi)沉淀物高度。

4 抽水

該項目一共施工6口第⑨層水井，施工結(jié)束后進行抽水試驗，利用1號井作為抽水井進行抽水。抽水后抽水井的水位情況和觀測井的水位情況見表2。

表2 抽水試驗成果一覽表

1號抽水井抽水穩(wěn)定流量為456 m3/h，可見采用泵吸反循環(huán)工藝成井取得明顯效果，降水工程經(jīng)濟性以及適用性受水井的出水量影響很大，單井出水量越大，相應的水井數(shù)量會得以減少，從而減少降水工程的造價。

5 結(jié)語

隨著施工工藝的發(fā)展以及能源的日益緊缺和環(huán)保意識的提高，水井的成井工藝要不斷的改進和提高，增加成井的單井出水量，盡可能降低鉆井的工程造價已成為必要的趨勢。

本項目實踐表明：利用泵吸反循環(huán)鉆進工藝施工上海市第Ⅱ含水層的水井具有可操作性和可行性。同時泵吸反循環(huán)鉆進工藝也會繼續(xù)研究，有助于成井工藝的不斷完善。