北石涧沟倒虹降水管井施工坍孔的解决方法

孙敬超

【摘要】文中介绍了该倒虹吸降水井的设计方案及运行中出现的问题，主要阐述了新增降水井施工时遇到的新问题，通过一系列的原因分析采取了一系列的措施，最终钻井成功，降排水成功，顺利实现了后期的工程施工。

【关键词】北石涧沟；倒虹；降水管井；施工；坍孔；解决方法

一、工程概况

北石涧沟排水倒虹吸总长218.98m，由进口段、管身段、出口段三部分组成，其中管身段水平投影长119.48m，由9节管身组成，其中7节为斜坡管身段，2节水平管身段，水平管身段位于倒虹最低处。管身横向为2孔4m×4m（宽×高）的箱型断面。倒虹吸建基面最低高程91.614m，地下水位高程102.4m。

工程区属黄沁冲积平原，两岸地面高程106.30～106.96m。

建筑物场区地层划分为6个工程地质单元。由上至下分别为：①黄土状重粉质壤土，层厚5.3～6.9m，渗透系数8.0×10-6cm/s；②粉质粘土，略具泥腥味，可见碎贝壳，层厚1.5～4.0m，渗透系数5.3×10-6cm/s；③黄土状重粉质壤土，可见螺壳碎片，偶含小钙质结核，层厚4.2～5.3m，渗透系数6.0×10-6cm/s；④黄土状中粉质壤土，层厚2.6～3.0m，土质不均匀，下部含砂增多，局部夹薄层粉细砂，渗透系数8.0×10-5cm/s；⑤砂壤土，层厚2m左右，顶部夹有轻粉质壤土透棱体，渗透系数5.8×10-3cm/s；⑥细砂，层厚4m左右，底部高程85m左右，渗透系数2.0×10-2cm/s。

场区地下水主要为第四系松散层孔隙水，具承压性，勘探期间测得地下水位高程102.40m，主要接受大气降水入渗及河水补给，消耗于人工开采及侧向径流。地下水对混凝土不具腐蚀性。

二、降排水方案

倒虹吸工程基坑排水采用管井法与明排相结合的排水方案。由于倒虹吸工程承压水水头为15.48m，为防止承压水对地基产生顶托破坏，设计管井时考虑了降压排水措施，结合倒虹设计开挖情况，同时借鉴本标段其他倒虹吸排水经验和类似工程排水经验，经过计算后确定，北石涧倒虹吸基坑开挖采用管井排水后能够满足降压排水需要。

排水井的布置是沿基坑轴线左右对称布设，纵向间距20m、横向间距25m、管径为800mm的管井（井壁为无砂混凝土管），排水管井合计12口，其中降压排水井8口（位于群井中间部位）、排水井4口（位于群井两端头部位）。降压井设计时，为了既能减少抽水工作量，又能够确保降低承压水压力，不致对地基产生顶托破坏，采用了承压非完整井的管井方式，8口降压井井底均位于砂层中部。另外4口排水井井底则位于第④层壤土层中。排水井底部高程为94.0m，降压排水井底部高程90.0m。

三、施工中遇到的问题

1、降排水情况

北石涧沟倒虹吸在开挖施工之前，首先进行降排水施工，降水井施工后，即开始进行管井降水，至今已进行了两个多月。

在倒虹开挖施工过程中，由于对降水井的保护、维护工作很不到位，至开挖工作结束时，井的状况已经很不理想，8口降压排水井有4口工作基本正常，4口井里已经有很深（高约5.0m左右）的细砂淤积，已经失去了降压排水作用。

倒虹水平段管身基础设计有水泥土搅拌桩基础处理工程，因此在开挖施工结束后，要组织进行该项目施工，但因降水井目前的工作情况，已无法达到降排水效果，而且，此时水平段管身段建基面已经出现一处承压水的冒出现象，导致建基面无法组织施工。

2、采取的措施

基于这种情况，经认真研究，决定立即在基坑里增加4口降压井，用以加强基坑降水强度。这4口降压井井底均处在细砂层以下（穿过细砂层，进入细砂层下的相对隔水层至少1.0m深），形成承压完整井的工况。新增4口井布置详见上图：北石涧沟倒虹降水井布置示意图。

3、新增降水井施工遇到的问题

新增降水井成井设备采用反循环钻机及其配套设备，采用泥浆护壁的成孔工艺。

在钻井施工过程中，当钻井至设计深度后，即拔出钻杆，拔出钻杆后，砂层在大约10多分钟之内，即把井孔淤积10m深左右（处于降水期间的地下水位以下），致使无砂混凝土井管无法安装，该降压井无法使用。同时，新增其他几口降压井也暂时无法组织施工。

四、原因分析

经过系统的分析、研究，结合前期12口井钻井施工时并未出现这类现象的情况，认为主要存在以下几个方面的原因：

1、地下水流动产生；

2、护壁泥浆流入砂层，与细砂产生换位现象。

这主要是因为：

（1）前期钻井施工时，井底虽然已经进入细砂层，但当时为原始地下，初次受到扰动，砂层尚处于基本稳定状态，虽然承压水压力从井孔中得到释放，但因为承压水压力受到钻井泥浆水的抵消，当时能表现出的压力并不是很大，故只引起承壓水和井孔周围少量的细砂的流动，而未引起井孔周围大量的的细砂的流动，且较远距离以外的砂层尚处于相对稳定状态，不能够流至井孔中，故而能够成井。

（2）降水设施的运行情况

降水井施工后，即开始进行管井降水，至今已进行了两个多月。降水刚开始时，有从井中抽出细砂的现象，后来就变为清水。但现在的平管段8口井的现状是：4口工作基本正常，4口井里已经有很深（高约5.0m左右）的细砂淤积，已经失去了降压排水作用。

（3）根据原降水设施运行情况分析，此时每口井降水影响曲线以内的砂层已经处于经过扰动的较松散状态，而非原来的密实、稳定状态，甚至已经出现了因细砂流走而产生的很小的地下空间。

钻井过程中，采用的泥浆护壁技术，钻进过程中没有产生坍孔，因为采用了泥浆进行护壁，更重要的是钻杆转动带动泥浆水的运动，产生的动水压力尚能与承压水压力相抗衡，故没有坍孔。而当钻杆拔出后，孔内泥浆水处于静止状态，静水压力小于承压水压力，此时承压水便带着细砂以很大的流速向井孔内流入，产生严重淤积现象，无法成井。

3、钻井没有使用专门的泥浆制作池，而是向井中注水，靠钻杆转动带动井孔中的天然土自然形成泥浆，而钻到砂层时，砂层无法供应制作泥浆的天然土，故泥浆浓度很小，起不到护壁作用，致使坍孔。

五、解决方案及注意事项

1、解决方案

把原井用壤土回填，重新钻井，钻井过程中，抽水始终不能停止。

钻到砂层时，降低钻井速度，缓慢钻进，同时人工向孔内倒土，以提供制备泥浆的土料，并使泥浆浓度相对增大，其用意：（1）相对增大泥浆浓度，可相对增大护壁强度；（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动，带动泥浆填充砂层中的因细砂流走而产生的空间，从而使砂层恢复稳定状态，然后以相同速度继续钻进，直至钻井至设计高程。

2、应注意的事项

（1）再次钻进至砂层后，必要时钻头在每一位置停止几分钟时间，反复转动、护壁，然后再钻进、停留、转动、护壁，以此类推，反复进行。

（2）观察临近井有无泥水抽出，如有，则可把该井暂停抽水几分钟，使泥浆稳定，和砂层固结在一起，然后再抽水、再观察，如此反复进行，直至抽出的水为清水。

（3）泥浆浓度大时，必然使井孔周围井壁上的泥浆厚度增大，所以必须严格控制洗井质量，以免抽水时井中水量不大，影响降水效果。

（4）钻至砂层后，在处理砂层的过程中，注意井孔内水面下降速度，因为其它井在抽水，下降速度较大时，说明泥浆在填充砂层中的空间，则继续向井内加土，直至下降速度较慢；如下降速度较慢，接近正常钻井时，说明砂层中的空间已得到填充，则继续钻进。

六、结语

根据分析出来的降压井钻井失败的原因，采取了文中所述相关措施后，降压井实现了成功施工，新增降压井施工完成后，所有井全部开启进行降排水，成功的降低了地下水位，使后期施工得以顺利进行。