全自动化气动降水在淤泥质富水地层深基坑降排水中的应用研究

全自动化气动降水在淤泥质富水地层深基坑降排水中的应用研究

孟建人 杨志国 左东东 郑宏发

中建二局第三建筑工程有限公司 北京 100070

摘要:在工程实践中，降排水施工是直接影响着土方工程、底板工程的现场施工进度，也对建筑地基与基础的稳定性及周围建筑物、构筑物的沉降产生较大影响。在淤泥质富水地层的深基坑工程中，应用全自动化气动降水工艺能够根据现场状况适时调整设备参数，保障降水效果；通过同类工程的电泵降水与本工程气动降水的在设备投入、降水效果、能源消耗等方面的对比，认为全自动化气动降水具有更高的综合效益，具有广大推广应用前景。

关键词：气动降水；深基坑；地下水；淤泥质土层

随着高层、超高层建筑的不断涌现，基坑、深基坑开挖技术不断得到发展。在基坑工程中，降水既是重要的前置工序，又是对土方工程、底板、地下室工程影响巨大的环节。尤其对于地下土层含水量丰富的地区的深基坑工程，降水效果直接影响着土方工程、底板工程的现场施工进度。

个别降水效果较差的基坑工程中，基坑底部会出现含水率较高的橡皮土，在此土层上进行垫层、底板施工，在后期会出现严重不均匀沉降，存在重大风险隐患。降水方式选用不当，也会诱发涌水、涌沙等现象，对于工程质量与安全产生较大不利影响。因而加强对基坑降水的研究，选用科学合理的降水工艺，对于不断提高基坑降水施工的效率并保证降水效果对于工程建设具有重要意义。

1. 工程概况

A工程为大型商业综合体，建筑设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为一级，抗震设防烈度为8度。建筑抗震设防类别为重点设防乙类，地基基础设计等级为一级，地下工程防水等级为一级。总建筑面积约14万平方米，占地面积3.8万平方米，建筑总高度约为24米。项目位于天津海河附近，基础为桩基承台和防水板。项目临近城市环线高架道路、城市体育馆等，对地表沉降控制要求高。

2. 地质水文条件

项目地处滨海平原，临近海河支流，为典型沿海河流冲积地貌。主要为古河道淀洼冲积土层、浅海相沉积土层、沼泽相沉积土层、河床河漫滩相沉积土层等富水地层。淤泥质黏土层分布较厚，且不均匀。平均天然含水率达28%。传统水泵降水工艺难以满足工程质量目标与进度目标要求。加之基坑降水量大，地下水渗流可能对周边高层建筑、道路、管线产生较大不利影响。

基坑降水效果不良，基坑底部会出现含水率较高的橡皮土，在此土层上进行垫层、底板施工，在后期会出现严重沉降，有重大风险隐患。降水方式选用不当，也会诱发涌水、涌沙等现象，对于工程质量与安全产生较大不利影响。基坑降水工程的效率与效果成为制约工程总进度、总目标的关键环节。为保障基坑降水效果，基坑四周以三轴搅拌桩成闭合分布，形成相对封闭的止水帷幕。在此基础上进行基坑降排水设计与施工。

3. 全自动化气动降水应用分析

通过对地下各层土体的含水量，水泥搅拌桩的止水效果，对地下水的总量、渗流情况进行分析并结合项目质量与进度要求，选用全自动化气动降水工艺作为基坑降排水的主要方式。现场布置150口降水井，20口观测井。降水井井径800mm，井深15~18米。通过利用BIM技术对现场降水施工进行模拟后，配置5套自动控制系统，15套气源系统，使用150个井底水气转换器，共同组成现场降水系统（具体如下图所示）。

单套自动控制系统下的降水系统示意图

在降水运行过程中，变频螺杆空压机产生的高压气体经过干燥机后存储到储气罐，经过分气总成分配到各个自动控制系统内，水气置换器置于井底，进气管和传感器与置换器相连。当置换器放入水中后，进水单向阀打开，水流入腔室，控制系统向水泵供气，进水单向阀受压关闭，出水单向阀打开，水受压流入出水管。泵体内的水出完以后，控制系统停止供气，出水单向阀关闭，腔室内的气体排出，进水单向阀打开，水流入腔室，以此循环。在设定的液位模式下，将水位保持在固定高度，实现自动化连续降水。

当发现水位变化>500mm/d的迹象，及时分析水位变化增大的原因，进一步确定是否调整降水速率。降水期间及时观察每个井内水位高度、含砂率大小，及时调整相应气源系统中对应的气压。在局部井位出水含砂率较大时，及时减小气压，以降低功率，减小对井底附近土体的扰动；在局部井位水位较高，且明显高于其他井位时，可适当增大气压，加快出水，以有利于现场施工。通常气压在0.5~0.8MPa内进行调节。气压过大时，降水速率也不会有很大的提升，反而易对设备产生损害，并且浪费能源。气压过小时，出水速率太低，则不利于在规定时间内，将水位降低到目标高度。为确保降水连续进行，避免因供电原因造成井底突水。

将基坑内地下水通过降水系统抽至基坑顶部，汇入三级沉淀池，经检测合格后将地下水用于现场降尘、清洁用水，多余部分排至周边市政雨水井中。

4. 综合效益分析

通过将临近工程B采用电泵降水，收集30天中60台电泵降水数据，与本工程的2套气动降水设备下的60台水气置换器的降水数据进行对比，整理结果如下：

通过以上对比分析，电泵降水与全自动化启动降水都能够完成基坑降水任务。相同地质水文条件下，全自动化气动设备出水的含砂率明显低于电泵设备出水的含砂率，这对于保持抽水范围内的土质稳定性具有积极意义。全自动化气动降水大大减少人工消耗，而且在后续持续降水作业中累计减少。电缆、电箱都显著减少，维护维修压力大大减小，现场安全文明施工状况显著改善。耗电量仅为电泵降水的36.5%，能源利用效率显著提高。全自动化气动降水设备体系稳定性好，故障率较低，且安装简便，维护方便，但设备租赁成本会较高。对于自有设备而言，虽然设备购置成本较高，但在设备长期运行及周转使用中能产生巨大综合效益。

5. 结论

全自动化气动降水应用于本工程淤泥质富水地层深基坑降排水过程中，保质保量完成基坑降排水任务，经济效益、环境效益显著，有力推动了项目的科技创效和绿色文明施工工作。这一工艺设备在提高能源利用效率，提高工程施工自动化方面具有较高的推广价值，应当在不同的地质水文条件下进行应用实践，并不断进行适应性改进，从而充分发挥全自动化气动降水在工程降排水领域的功能价值。

参考文献

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[3]王晓明,韩智力,张华军,等.简述地下水对建筑工程的作用和影响[J]. 科学时代,2015,(13):188-189.

[4]高钧亮.抽取地下水引起的地面沉降机理研究[J].住宅与房地 产,2016,(18):241.

作者：

第一作者：孟建人，男，1992年5月生，现任中建二局第三建筑工程有限公司技术员，湖北大学，硕士研究生。

第二作者：杨志国，男，1979年11月生，现任中建二局第三建筑工程有限公司项目总工，华北科技学院，专科。

第三作者：左东东，男，1992年月生，现任中建二局第三建筑工程有限公司项目副总工，兰州大学，本科。

第四作者：郑宏发，男，1996年10月生，现任中建二局第三建筑工程有限公司项目见习技术员，大连海事大学，本科。