深水区域打井取水的施工技术探讨

(上海城投航道建设有限公司，上海 200940)

1 工程概况

长江口水文监测站网工程位于上海市长江口区域，主要由陈行、长兴岛、三甲港、没冒沙等监测站组成，监测站工程建设主要包括测亭、通信铁塔、防撞警示墩、沉降观测点及水上打井取水等。其中陈行水文监测站位于陈行水位大堤与宝钢水位交界处东北方向外海，区域水深约7m；长兴岛水文监测站位于长兴岛西部中央沙大堤外侧，区域水深约19m；三甲港水文监测站位于浦东机场外侧滩涂圈围工程绿波围堤外侧，区域水深约10.5m；没冒沙水文监测站位于浦东机场外侧滩涂圈围工程3号围区外海，区域水深约5.6m。

取水深井紧贴陈行、长兴岛、三甲港和没冒沙监测站房，作为工程的重要组成部分之一，其主要功能是长期为各测站提供可靠、稳定、足量的清洁淡水，以满足监测设备日常清洗和维护等需要。

图1 深井剖面

2 影响打井施工质量及进度的关键因素

2.1 水文气象

本工程位于长江入海口段，受天文海潮、台风影响较大，河床分汊多变，且海风较大，受潮汐影响明显。潮汐为非正规半日浅海潮。已建水文站潮位特征表显示：各站多年平均高潮位为3.33～3.51m，最大潮差为5.94～6.77m，平均涨潮历时4.6～5.35h，平均落潮历时4.7～7.85h。

长江口潮汐属非正规半日浅海潮，其日潮不等现象较为显著，多年平均涨落潮历时比值为1∶33。最大潮差可达6m，最大流速可达6m/s。涨潮时，海水由外海流入，落潮时流向外海，基本为往复流。在口内，中潮垂线平均流速为0.5～0.8m/s、最大流速为0.63～1.92m/s，一般为落潮流速大于涨潮流速，属于中等强度的非正规半日浅海潮。

长江口区域附近波浪以风浪为主，其盛行浪向与盛行风向一致，冬季以偏北浪为主，夏季以偏南浪为主，春秋两季为浪向交替过渡季节，只有在NE至SE风向上有涌浪传入。

各测站点均匀分布在长江口水域，分布较广，离岸较远，自然条件恶劣，综合考虑，主要施工时间安排在6—9月份。

2.2 地质条件

地勘资料显示，工程区域从上到下分布的土层主要为：①层淤泥、③层淤泥质粉质黏土、④层淤泥质黏土、⑤-1层粉质黏土、⑤-3层粉质黏土、⑦层细砂。其中淤泥质土层厚度平均为7.8～11.25m，细砂层主要位于标高-52.0以下。区域地质条件较差，钢管护筒的埋设深度以及打井深度对深井取水的水质有较大影响。

2.3 原材料及中间产品

进场钢护筒的防腐层厚度、热镀锌钢管的质量、滤水管的过滤性以及粗砂的透水性等同样也会对深井及打井取水的水质带来一定影响。

3 施工方案确定

深水打井的施工重点主要有以下几个：ⓐ钢管护筒埋设长度的控制；ⓑ钢管护筒的沉桩及焊接质量；ⓒ桩孔的精确定位和垂直度控制；ⓓ桩壁稳定性监测。

本工程在成井之前，首先应将钢管护筒埋设就位。为避免成井过程中发生孔壁坍塌、江水内灌等现象，保证成井的质量，钢管护筒底部一定要深入有效土层。护筒顶部高程根据设计要求应与测亭靠船侧楼梯平台齐平。结合工程实际情况，将成井施工分为四个阶段进行。

第一阶段：利用150t驳船，将钢管护筒运至施工指定区域，然后利用浮吊船将钢管护筒按指定位置沉入土中，直至设计深度。

第二阶段：利用浮吊船将钻机吊装至测亭靠船侧楼梯中间平台位置，并通过槽钢支架及辅助方木垫板固定牢固后再钻孔成井，直至井底设计高程。

第三阶段：借用钻机进行下井管施工，然后对下井管的周边区域采用干净的中粗砂进行密实填充，粗砂滤料上部采用黏土球对井口管外做好封闭工作，最后对成井孔进行洗井工作。

第四阶段：对深井原水水质进行水质化验，待水质化验合格后再进行水质净化设备、水箱、给水管的采购和安装，最后进行安泵试抽。

深井剖面见图1。

4 深井施工工艺介绍

4.1 钢护筒埋设

为避免在深井成孔过程中发生护筒下沉现象，并考虑到水头压力对护筒筒壁的影响，采用规格为φ630、壁厚12mm的钢护筒进行埋设。考虑到钢护筒需永久保存，不得进行拆除，为防止外来海水侵蚀，对钢管桩采用环氧重型防腐涂料全长涂装，涂料厚度不小于600μm，且达到Sa2.5级标准。

考虑到钢护筒较长，运输及吊装困难，将钢护筒进行分节，管节长度可分为12m、6m。陈行站、长兴岛站、三甲港站、没冒沙站各站点泥面线平均高程依次为-2.97m、-10.29m、-8.59m、-8.97m，而靠船侧楼梯中间平台的高程依次为6.63m、6.68m、6.57m、7.07m。故第一节管桩应选用12m长的管桩进行沉入，当第一节管桩沉入到一定深度后，在护筒外壁顶端向下1m处对称各焊一块厚1.5mm的直角三角形钢板，然后继续沉入，直至钢板与平台上的槽钢接触牢固。拆除卡环、钢丝绳及抱桩器后，利用气割将留有孔洞部位的护筒水平切除后，再重复第一节的吊装方法将第二节护筒吊装至指定位置，并确保两接口紧密结合后，通过二氧焊将两段护筒焊接牢固，提起护筒，采用气割将两侧钢板切割后抽取平台上的槽钢，采用振动锤将其缓慢沉入。沉入后确保护筒顶部与测亭靠船侧楼梯中间平台位置齐平。

由于护筒沉入区域位于长江出海口，受到涨落潮潮水的冲击明显且严重，而护筒的自由长度比较长，对筒身有一定的影响，所以打设完成后的筒身，在筒身内部结构未施工前，在外力作用下容易发生晃动。为保护好已沉设好的护筒，需采取永久固定措施。

护筒固定方式主要采用20号b槽钢配合16号b槽钢分三道进行固定，与测亭主体结构固定连接部分的20号b槽钢长2.0m，主要通过规格为M16×150mm的膨胀螺栓将槽钢与承台、立柱固定连接起来。然后再采用16号b槽钢通过焊接形成的护筒将钢护筒进行固定，另外一端与20号b槽钢接触部分采用焊接形式进行固定。

4.2 钻进成孔

4.2.1 钻机进场及安装

结合本工程的施工特点，项目部选用规格为GPS-10型的小型钻机进行钻进成孔作业，钻机采用驳船运至施工现场，通过浮吊船将其吊装至楼梯中间平台位置，并进行组装。

4.2.2 泥浆制备

成井施工为水上作业，距离堤岸较远，为防止钻孔时泥浆溢出污染江水，在驳船内设置泥浆箱，用于废浆收集及泥浆沉淀。同时，在驳船内设置泥浆搅拌池，用于调制泥浆比重和稠度。

4.2.3 钻孔及清孔

为防止在钻进过程中发生孔壁坍塌，本工程采用正循环回转钻孔。开始钻进时宜慢不宜快，应密切注意孔内水位，随时检查泥浆的相对密度及黏度，并根据钻渣及泥浆指标判断地质情况。当发现泥浆指标异常时应立即停止钻进，分析判明原因。若泥浆指标偏低，添加大量膨润土后依然偏低时，应认为严重塌孔。故应在移离钻机后将钢护筒接长，接长长度根据实际情况而定。若泥浆指标变化较小时，可在泥浆中添加适当的砂砾，增加泥浆浓度后继续钻进，直至设计位置。同时考虑到沉渣影响，在钻进时应超钻30cm。

成孔完毕后，用检孔器对孔径、垂直度及井深进行检测。成井检测一般包括孔的中心位置、倾斜度、钻孔底标高、深度、直径、护筒顶标高等。在成井检测合格后应立即进行清孔。

4.3 下井管

下井管采用φ273的镀锌钢管，钢管壁厚为6mm，深井供水量不低于0.5m3/h。因此，滤水管开孔孔径为18～30mm，孔隙率为20%～25%，分两段进行设计，滤水管外再包两层40目的滤网，用16号铁丝进行绑扎，绑扎间距为0.5m。滤水管直径应与下井管直径相同。沉淀管接在滤水管底部，直径与滤水管相同，长度为1m，沉淀管管底口用与φ273钢管相同材质的钢板焊接封死。

下井管进场后，应检查过滤器的缝隙是否符合设计要求，下管前必须测量孔深，待孔深符合设计要求后，开始下管，下管时应保证滤水管居中，且滤水管长度为6m，井管焊接要牢固、垂直、不透水，下到设计深度后，井口应居中固定。严禁将井管强行插入坍塌孔底。下井管管口高程应与测亭靠船侧楼梯中间平台位置齐平。

4.4 填砂

为确保下井管安装的牢固性和透水性，对下井管周边区域采用干净的中粗砂进行密实填充。填砂前应用测绳测量井管内外的深度，且确保两者的深度值均与沉淀管的深度相同。填砂过程中应随填随测中粗砂的填充高度，填充工序应连续进行，不得中途终止，直至泥面线以下2～2.5m位置。

4.5 黏土球封堵

滤料上部采用黏土球密实回填，直至管口位置，同时应做好井口管外的封闭工作。

4.6 洗井

洗井的主要目的有以下两点：ⓐ清除井壁上的泥皮，并把深入到含水层中的泥浆抽吸出来，恢复含水层的孔隙；ⓑ成井完成后立即抽水洗井，一般采用深井潜水泵抽水洗井，抽吸出含水层中一部分细颗粒，直至水清砂净，并扩大含水层的空隙，形成一个人工过滤层。

4.7 水质化验

待洗井完成后，再对深井原水水质进行抽样，并送至具有相应资质的单位进行水质化验，待水质化验结果满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)标准后方可进行下道工序施工，否则应及时通知监理、业主、设计等单位进行协商处理。

4.8 水箱、水质净化设备安装

水箱采用常规标准水箱，净水处理设备型号根据水质化验结果采用单机纯净水(反渗透)设备，其功率为每小时可净化1m3水。净水处理设备安装固定方式与水箱安装固定方式相同，在此不作冗述。

5 试抽化验

待深水泵、增压供水设备、水箱、水质净化设备、管线及电缆线均安装完成后方可进行井水试抽。深井水供水水压测试结果显示：供水水压均大于0.1MPa，满足设计要求。深井水经水质净化设备净化后的水质化验结果显示：水中的微粒、悬浮物、胶体和藻类物质已经完全消失，吸附于原水中的余氯、有机物、部分色素、有害物质、化学耗氧量COD、SDI值明显降低，极大地提高了水质的纯度，满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)和《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)中Ⅰ类水水质要求。

6 结 语

长江口水文监测站网工程在深水区域所采取的打井取水施工工艺技术简洁可靠、成本低、施工效率高、作业时间短，解决了在深水区域进行打井取水施工中遇到的施工条件差、地质复杂、潮位影响明显等难题，为工程后续施工顺利进行奠定了基础，可为同类工程的施工提供经验和技术借鉴。