一類深基坑預(yù)埋抽排水裝置研究

周晨浩，胡陽(yáng)，季妍，胡月遠(yuǎn)，黃亞楠，劉毅恒

（金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

城市迅速發(fā)展使地上建筑趨于擁擠，地下空間的開(kāi)發(fā)已然成為城市發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。1至2層的地下室已經(jīng)滿足不了當(dāng)今社會(huì)的需求，3至4層逐漸演變?yōu)槌B(tài)，這就使深基坑得到更加廣泛的應(yīng)用。深基坑降排水施工是基坑工程中的重要工作內(nèi)容，所采用的施工技術(shù)是否合理與后續(xù)施工工程的高效開(kāi)展有直接關(guān)系，因此認(rèn)真分析相關(guān)影響因素來(lái)進(jìn)行施工工藝的探索對(duì)提升降排水工程的施工質(zhì)量有重要意義。張曉青[2]針對(duì)申北四路下穿立交基坑工程降水施工經(jīng)驗(yàn)，提出真空管井相較于普通管井有降水深度大等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)利用真空管井降水法可以達(dá)到快速疏排地下水的目的，進(jìn)而保證基坑開(kāi)挖的安全等實(shí)際問(wèn)題。陳六超[3]以西藏拉薩通用機(jī)場(chǎng)深基坑項(xiàng)目為例，針對(duì)土釘墻結(jié)合管井降水技術(shù)的綜合型方案進(jìn)行闡述，相較于傳統(tǒng)旋噴樁與支護(hù)樁相結(jié)合的方案，土釘墻與管井降水的綜合型方案降水效果更佳。商欄柱、張寧寧等[4]以天津市第一中心醫(yī)院新址擴(kuò)建項(xiàng)目為例，對(duì)超大深基坑降排水施工方法進(jìn)行闡述。研制出一種基坑自動(dòng)空壓降排水壺形裝置，并總結(jié)出一套安全高效的降排水施工技術(shù)。在深基坑降排水施工技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，現(xiàn)行的降水技術(shù)不斷地完善，在開(kāi)展實(shí)際降排水工作時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)施工器械使用壽命低、人力消耗大、作業(yè)效率低等問(wèn)題。針對(duì)以上不足之處，本文擬設(shè)計(jì)一種深基坑預(yù)埋排水、抽水一體化裝置，可應(yīng)用于解決地下水環(huán)境對(duì)深基坑工程施工的影響問(wèn)題[5-6]。針對(duì)前述研究成果和面臨的問(wèn)題，本次研究裝置通過(guò)采用水位感應(yīng)技術(shù)，實(shí)行濾水過(guò)程分級(jí)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)抽水管道內(nèi)部動(dòng)力轉(zhuǎn)換的智能化。通過(guò)設(shè)計(jì)的深基坑預(yù)埋抽排水裝置可以較好地在開(kāi)挖深基坑時(shí)加強(qiáng)排水防灌，同時(shí)優(yōu)化施工過(guò)程和提升工作效率。

1 裝置基本工作原理

1.1 核心抽水泵工作原理

工作時(shí)，置于地面的核心抽水泵給予齒輪嚙合的動(dòng)力，從而帶動(dòng)螺旋槳系統(tǒng)的工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抽水管道的持續(xù)下降功能和抽水功能[7]，鋼筋過(guò)濾網(wǎng)進(jìn)行粗過(guò)濾，防止抽水管道的堵塞。抽水完畢，關(guān)閉抽水泵，螺旋槳停止轉(zhuǎn)動(dòng)，向上抽出管道，實(shí)現(xiàn)抽水過(guò)程。

如圖1所示，抽水管道內(nèi)部組成從上至下依次為齒輪系統(tǒng)①、②，螺旋槳系統(tǒng)③，鋼筋過(guò)濾網(wǎng)④。核心抽水泵管道內(nèi)運(yùn)行流程如圖2所示，啟動(dòng)抽水泵，齒輪系統(tǒng)開(kāi)始工作并帶動(dòng)螺旋槳系統(tǒng)運(yùn)行。螺旋槳對(duì)水產(chǎn)生向上的推力，水反作用于螺旋槳系統(tǒng)使之向下位移。當(dāng)水線低于螺旋槳后，空氣將代替水作為抽水管道向下深入的動(dòng)力源。鋼筋過(guò)濾網(wǎng)為防止管道堵塞進(jìn)行泥水粗過(guò)濾。具體介紹如下，齒輪系統(tǒng)①、②:當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪脫開(kāi)側(cè)的空間的體積從小變大，形成真空，將液體吸入[8]，齒輪嚙合側(cè)的空間的體積從大變小，將液體擠入上層抽水管道，給經(jīng)由螺旋槳系統(tǒng)抽出的水提供抽水動(dòng)力源。螺旋槳系統(tǒng)③：螺旋槳旋轉(zhuǎn)對(duì)水產(chǎn)生向上的推力，而水產(chǎn)生對(duì)螺旋槳向下的推力，進(jìn)而使得抽水管道深入深基坑抽水區(qū)域。當(dāng)水線低于螺旋槳后，螺旋槳對(duì)空氣產(chǎn)生向上的推力，抽水管道獲得反作用力得以繼續(xù)深入,同時(shí)依靠旋轉(zhuǎn)的螺旋槳葉對(duì)液體的動(dòng)力作用，把能量傳遞給液體，使液體的動(dòng)能和壓力能增加，從而實(shí)現(xiàn)抽水過(guò)程[9]，鋼筋過(guò)濾網(wǎng)④位于吸水罩上方，可實(shí)現(xiàn)對(duì)泥水混合物的粗過(guò)濾，防止抽水管道的堵塞和管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損壞。吸水罩與地下水液面直接接觸，按照實(shí)際工程抽水量的要求，可靈活調(diào)整抽水管道下放深度。若需全部抽空基坑內(nèi)的水，可將抽水管道深入至吸水罩同基坑底部接觸。

圖1 核心抽水泵管道內(nèi)運(yùn)作效果圖

圖2 核心抽水泵管道內(nèi)運(yùn)作流程圖

1.2 預(yù)排水工作原理

隨著抽水過(guò)程的進(jìn)行，基坑底部的水將通過(guò)溢水管到達(dá)置于地面的剛性容器。剛性容器內(nèi)有紅外感應(yīng)線，感應(yīng)線的預(yù)設(shè)高度可按照實(shí)際工程要求自行調(diào)整。當(dāng)剛性容器內(nèi)的水位到達(dá)感應(yīng)線時(shí)，將各自觸發(fā)所屬開(kāi)關(guān)，從而停止抽水。

如圖3所示，溢水管置于抽水通道內(nèi)壁，通入暗溝以下。隨著抽水過(guò)程的進(jìn)行，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)液面高程時(shí)，溢水管水線也將處于目的標(biāo)高。置于坑底上方的水位感應(yīng)系統(tǒng)，由剛性容器制成，內(nèi)含一號(hào)開(kāi)關(guān)與二號(hào)開(kāi)關(guān)，各自獨(dú)立與抽水泵電相連。當(dāng)水線到達(dá)紅外開(kāi)關(guān)感應(yīng)線時(shí)，將觸發(fā)開(kāi)關(guān)閉合，進(jìn)而關(guān)閉抽水泵實(shí)現(xiàn)預(yù)排水過(guò)程。

圖3 預(yù)排水工作流程圖

1.3 裝置的工作特性

①機(jī)具設(shè)備簡(jiǎn)單、使用靈活、易于操作。底座擁有萬(wàn)向輪，在坑底可移動(dòng)，提高了抽水的效率，解鎖了更多的可能性。

②機(jī)具易于管理，投入人力、物力少，節(jié)約降水成本。以往預(yù)埋排水采用輕型井點(diǎn)抽水，將地下水位降至坑底以下1.0m以下，需專人值班24h抽水[10]。本裝置應(yīng)用水位感應(yīng)系統(tǒng)，降低現(xiàn)場(chǎng)工人作業(yè)強(qiáng)度，提高了精度與效率。

③開(kāi)挖好的基坑施工環(huán)境好，相應(yīng)地提高了基底的承載力，有效保證降水質(zhì)量與施工安全。以往抽水泵置于水下，其使用壽命和過(guò)濾效果較差[11]。本項(xiàng)目將抽水泵置于坑底以上，且與濾水裝置相連，是一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且抽水管道有過(guò)濾功能，一定程度避免了堵塞。

④縮短降水時(shí)間，加快溝槽開(kāi)挖及管道安裝施工進(jìn)度。相較于傳統(tǒng)的抽水泵，本裝置通過(guò)齒輪、螺旋槳的配合，將水和空氣轉(zhuǎn)化成動(dòng)力，一定程度提升了抽水效率[12]。

⑤各項(xiàng)工序施工方便，大大提高了基坑施工效率。本裝置通過(guò)置于地面上的“v”型過(guò)濾廊道配合旋轉(zhuǎn)過(guò)濾筒，實(shí)現(xiàn)了分層過(guò)濾，合理、高效地通入城市排水系統(tǒng)。

2 裝置具體設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)與組成

具體結(jié)構(gòu)如圖4所示，動(dòng)力機(jī)④下設(shè)置鋼筋防護(hù)籠②，內(nèi)置核心抽水泵，抽水泵與動(dòng)力機(jī)相疊置于承重板③上[13]。支撐桿⑤底部同過(guò)濾筒頂部固定座通過(guò)螺栓連接，頂部通過(guò)伸縮機(jī)構(gòu)與動(dòng)力機(jī)④相連。形成動(dòng)力機(jī)通過(guò)支撐桿驅(qū)動(dòng)過(guò)濾筒①轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力結(jié)構(gòu)。過(guò)濾筒為中空筒體結(jié)構(gòu)，過(guò)濾筒內(nèi)壁設(shè)有不規(guī)則的片狀結(jié)構(gòu)體，外壁設(shè)有多個(gè)濾水孔，頂部和底部分別有固定座⑥、⑦與過(guò)濾筒密封轉(zhuǎn)動(dòng)連接[14]。固定座均開(kāi)有通孔，吸水罩⑨通過(guò)螺栓與底部固定座連接，支撐桿通過(guò)螺栓與頂部固定座相連。過(guò)濾筒下放置有引流板⑧，引流板固定于底座上，呈“V”排布并與底座孔洞相連，便于濾水輸送至城市排水溝。過(guò)濾筒另一端為“V”型過(guò)濾廊道，入口接有一號(hào)過(guò)濾網(wǎng)，轉(zhuǎn)折處接有二號(hào)過(guò)濾網(wǎng)，一號(hào)過(guò)濾網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸大于二號(hào)過(guò)濾網(wǎng)的網(wǎng)孔尺寸，可以有效對(duì)抽出的泥水混合物進(jìn)行二次粗過(guò)濾。裝置底座四角設(shè)有萬(wàn)向輪?，引流板位置設(shè)有鏤空孔洞，底座中心貫穿抽水管道，呈貫穿結(jié)構(gòu)⑩，泥水混合物通過(guò)抽水管道到達(dá)地面的過(guò)濾系統(tǒng)。

圖4 裝置結(jié)構(gòu)正視圖

圖5 裝置結(jié)構(gòu)俯視圖

圖6 裝置結(jié)構(gòu)側(cè)視圖(左)

2.2 裝置的運(yùn)行

在深基坑預(yù)埋抽排水裝置實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可總結(jié)成以下步驟。

①裝置就位:在施工場(chǎng)地具備平整性、降水井滿足各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)的情況下，預(yù)埋抽排水裝置可以投入使用。在降水作業(yè)前，需要進(jìn)行對(duì)機(jī)具主體的質(zhì)量檢查，同時(shí)保障地面過(guò)濾裝置與排水溝的牢靠連接。

②管道敷設(shè):在降水施工環(huán)境滿足要求后，將抽水管道緩慢下放至降水井中，同時(shí)校核管道居中來(lái)保證管道底部與液面的正常接觸。

③降水運(yùn)行:啟動(dòng)抽水泵，抽水管道內(nèi)部齒輪與螺旋槳開(kāi)始工作。同時(shí)結(jié)合空氣與液體提供的動(dòng)力，抽水管道持續(xù)向下深入，進(jìn)而保持與液面的充分接觸。

④水位檢測(cè):在降水運(yùn)行至預(yù)定標(biāo)高時(shí)，抽水管道內(nèi)部溢水管也將達(dá)到預(yù)設(shè)水線。通過(guò)置于地面的剛性容器完成反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的靈活控制。

⑤地面過(guò)濾:泥水混合物被管道內(nèi)部的鋼筋濾網(wǎng)粗過(guò)濾后到達(dá)地面，經(jīng)由過(guò)濾廊道與旋轉(zhuǎn)濾筒實(shí)行分層過(guò)濾，最終被排入預(yù)先連接的排水溝。

3 結(jié)語(yǔ)

①通過(guò)信息收集、文獻(xiàn)研究、案例分析進(jìn)行深基坑降排水施工調(diào)研，分析政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)環(huán)境，深入了解相關(guān)法律法規(guī)，考察社會(huì)需求和經(jīng)濟(jì)效益。

②選擇已建成的地下排水設(shè)施進(jìn)行實(shí)地考察，并咨詢相關(guān)建設(shè)者的意見(jiàn)。分析改造已建成的設(shè)施相結(jié)合的可行性，并且選擇具體的案例，分析其需求和特殊性[15]。在此基礎(chǔ)上完成對(duì)一體化裝置的優(yōu)化，應(yīng)用于解決地下水環(huán)境對(duì)深基坑工程施工的影響問(wèn)題。

③地面裝置的排水、濾水一體化降低了時(shí)間成本，地下裝置的水位感應(yīng)合理運(yùn)用水與空氣的反作用力優(yōu)化了人工成本，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深基坑的高效降水、分級(jí)濾水、合理排水。