张英
中铁六局集团有限公司交通工程分公司
广东深圳518172
摘要：针对大体量地铁车站深基坑开挖，采用新型的气动降水技术在确保基坑开挖安全性的同时，一方面实现了基坑降水的自动化，提高了基坑降水的降水效率和效果，另一方面减少了基坑降水过程中人员以及配电资源的投入，节约了人力物力。
关键词：基坑降水；气动降水。
1 引言
近些年来城市轨道交通在不断地快速发展，地下空间被广泛利用，在全国大部分地区，尤其是沿海地区，地下空间开发过程中，降水施工是一项必不可少的措施[1]。而在大体量地铁车站施工时，因基坑占地面积大，所需降水井多，传统的降水工艺耗费较多的人力物力，所需要的降水配套资源多，配套设备的损坏率高，而采用新型的自动化气动降水技术可有效避免传统降水工艺存在的问题，大大提升降水施工效率和效果。本文结合深圳地铁14号线土建三工区四联站车站工程中气动降水施工经验对相关工艺技术进行探讨,并将气动降水施工技术与传统的电动降水施工技术进行多角度的比较，阐述了气动降水施工技术的经济合理、施工安全、节能环保等特性。
2工程概况
2.1工程概况
深圳地铁14号线四联站为地下双层岛式换乘车站（局部为三层），车站采用明挖法施工，车站车站主体右线长703.320m（车站主体左线长705.829m），底板埋深17.19～26.13m，四联站以素填土、粉质粘土，全风化角质岩、强风化角岩、中风化角质岩等为主，标准段位于粉质粘土及全风化角质岩层中。车站场地地下水种类主要有两种，第一种是孔隙潜水，主要存于第四系全新统海冲积砾砂层，另外在第四系残积层砾质黏性土中含有少量孔隙潜水；第二种为构造裂隙水和基岩裂隙水，主要存于强风化带、中等风化带基岩和断裂构造带中，并且富水性随着基岩裂隙程度、裂隙贯通程度、胶结充填程度以及上部水体的连通情况变化而变化。
2.2基坑降水设计
现场一共有81口降水井，以设计为参考，根据的现场的实际情况，在开挖基坑中设置集水坑，用于汇集基坑内渗水及施工废水，集水坑随着基坑开挖的加深而加深，保证集水坑底低于基坑不小于0.5m。每个集水坑及降水井配备2台水泵，一用一备，做到随集随排，通过50mm的硬管，排入基坑北侧地表200mm PVC管，再汇入地表沉淀池。在基坑外两侧设置挡水槛和排水沟，防止地表水流入基坑，使地表水和施工废水通过排水沟汇入地表沉淀池。经过一段时间的沉淀后，部分水排入市政排水系统中，部分水用于场地清洗、降尘。既节约施工成本，更节约了水资源，做到废水重复利用。
3气动降水施工工艺原理
本技术要求在井管的外部设置空压机和真空泵，空压机的风管要接入井管的水中，出水管接入井管中，出水管的进水口伸入水中，风管与出水管相接，连接处要设置稍高于出水管的进水口。启动时空压机将产生压缩空气通过风管压入水管，与出水管内的水混合成水汽混合物，当出水管内的水充满气泡，比重减轻，出口管内水压低于出水管外的水压，就会产生压力差，在压力差的作用下出水管内的水逐渐上升排出。利用上述原理，在现场可将井管内的水排出，当井管中的水排出，水位相应下降，产生了动水位，当动水位低于含水层的水头高度就形成水头压力差，含水层的水在负压作用下不断涌入井管中。
真空泵管伸入井管中，真空泵的管口高于水面，当空压机停止供气，真空泵抽吸井内空气，在泵管内的水面以上形成负压。这样不仅可以加快井管内水流出，也会阻止那些淤泥质土一类含水率高而渗透性小的地层中的水流入井中，这时启动真空泵抽吸管中空气，在井内形成负压，地层中的水在负压作用下流入井内，再从井内不断被排出。
深圳地铁14号线四联站把传统的井点降水优化为真空负压降水，其原理为利用超级压吸联合来达到抽水目的，即是一种集送气与真空抽水为一体的不间断式抽水系统，利用超级压吸联合抽水的方法降低潜水位，预抽水期间真空管路的真空度大于-0.06MPa，整个降水过程中采用智能控制进行分时送气，通过可编程控制器控制送气压力、送气量、送气时间，在确保真空疏干深井内真空度的条件下实现不同降水深度工况下的最佳降水效率。可以大大提高功效，提高基坑安全，加快施工进度，降低施工费用。
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图1气动降水原理示意图
4气动降水施工工艺
4.1施工流程
测放定位→钻井→清孔换浆→下井管→填砾料→洗井→安装气动水泵→控制抽水。
4.2气动设备的选型
（1）气水置换器
气水置换装置分（ZJ-D型）单层气水置换器和（ZJ-S型）双层气水置换器，单井排出水量在2m3/h左右时选用单层气水置换器，单井出水量在4m3/h左右时选择双层气水置换器，根据现场降水井数量、单井出水量及降水费用等方面综合考虑，刚开始降水时，可使用双层气水置换装置，随着地下水越降越少，改用单层气水置换装置，这样既可以保证基坑的干燥，又能减少双层气水置换器和智能控制箱的使用周期和使用量，从而减少降水费用支出。
（2）智能控制箱
一台智能气水置换器控制箱可控制连接12台单层气水置换器或6台双层气水置换器，根据现场不同型号水气置换器数量来确定智能控制箱的用量。
（3）空气压缩机
由于现场基坑面积较大且降水井分布比较分散，通过分段控制来达到降水目的。依据气水置换器的数量，根据不同型号气水置换器的容积流量和送气管线的流量损耗，计算出容积流量总和，再根据总的容积流量，结合气水置换器的工作压力（0.8MPa），选择适合现场需求的空气压缩机型号。
（4）储气罐
首先储气罐的工作压力与空压机的出气压力相同，容积宜为空压机容积流量的30%，但最小不能少于容积流量的20%。
4.3设备安装
（1）设备安放在基坑边水平的路面上。
（2）螺杆式空压机工作时的振动相对较小，可以在空压机底部铺上防振垫或10mm厚的橡胶软垫，来减小振动及噪音。
（3）储气罐调平后，地脚采用膨胀螺栓固定在基础上。
（4）因为空压机安装在基坑边，所以螺杆式空压机要加装前置过滤设备。
（5）气水置换装置需用柔韧度好、强度高的绳索系好悬吊在井底。
（6）智能控制箱摆放在需要控制的多口降水井的中间位置，方便连接和操作即可。
4.4设备系统之间的连接
（1）储气罐与空压机之间，用内径25mm、壁厚3mm且两端带有液压接头的高压钢丝编织橡胶软管连接。连接时要保证储气罐上的接口由低进入由高流出，避出来的气体中含水过多。
（2）采用内径15mm、壁厚2mm的编织橡胶管连接气水置换器控制箱与储气罐。
（3）气水置换器与智能气水置换器控制箱之间需采用外径10mm、内径6.5mm的PU气管，用于气体的排放；用2芯0.5 mm2的屏蔽数据线传递信息。PU气管的连接要紧密，尽可能减少使用或不用弯头和各类阀门，以减少气压的损失。
（4）气水置换装置的出水口处的出水管可使用内径50mm的聚乙烯管。
5气动降水过程常见问题及处理方法
（1）地下水位降不下去，出水管实际出水量很少，泵的排水能力有余。
①产生原因
a.洗井效果不好，原因是砂滤层中的含泥量偏高，在洗井过程中孔壁泥皮没有被洗掉，在钻孔时孔壁周边土层产生的泥浆没有洗净，使地下水向井内渗透的道路不通畅，严重影响单井集水能力；
b. 现场实际水文地质情况与设计资料不符，井点滤管未设置在透水性好的含水层中；
c. 井径、井深不符合要求，垂直度偏差较大，井内杂物过多造成井孔堵塞。
②预防措施及处理办法
a.井点管四周在灌砂滤层后要立即洗井。用抽筒清理孔内泥浆并配合使用活塞洗井，或用泥浆泵冲清水与拉活塞相结合洗井，目的是要破坏深井孔壁泥皮，一并把附近土层中遗留下来的泥浆吸出，然后立即单井试抽，使附近土层内未吸净的泥浆依靠地下水不断向井内流动而清洗出来；
b.富水土层均应设置滤管；滤网和砂滤料规格应根据含水层土的颗粒分析选定；
c. 先测量井孔的实际深度和井底沉淀物的厚度再在井孔内安装或调换水泵。如果井深不足或沉淀物过厚，须对井孔进行冲洗，排除沉碴。
（2）地下水位降深不足，观测孔水位未降低到设计要求。
①产生的原因
a.局部地段的基坑井点数量不足；
b.井泵规格型号不满足需求，排水能力太低；
c.单井排水能力未能充分发挥；
d.水文地质资料不确切，现场井点实际涌水量超过计算涌水量。
②预防措施及处理办法
a.根据现场实际涌水计算降水范围内总涌水量，管井单位降水能力、抽水时所需过滤部分总长度、井点根数、间距及单井出水量。复核井点过滤部分长度、井点进出水量及特定点降深要求；
b.合理选用井泵，需考虑到满足不同降水阶段的降深要求和涌水量；
c.根据含水层条件增大滤层厚度，设置必要长度的滤水管，以提高和改善单井排水能力。
d.在降水深度不够时增设井点根数以满足要求；
e.在单井最大集水能力的许可范围内，更换排水能力更好的井泵；
f.洗井不合格时要重新洗井，提高单井滤管的集水能力。
6气动降水与电动降水比较
（1）采用电动降水时，当降水井内水被抽干，设备处于空转状态，不能及时的关闭水泵，会造成水泵损坏；而气动降水是通过智能化控制，达到有水即抽，无水即停，不仅不会对水泵造成损害，还可以在很大程度的减少用电。
（2）采用电动降水时，需要水泵水下带电，会存在电缆线漏电隐患，增加现场安全用电问题。而气动降水采用的气管和数据线，不会有用电方面的安全问题。而且气动降水检修时更方便，避免了电动降水时需要人工配合拉合电闸的情况，也减少了现场安全人员的配备和配电器材的损耗。
（3）在气动降水成套装置中，用电设备只有气水置换装置控制箱和空压机，大大减少了用电混乱现象，一台空压机就能满足现场数十口降水井需求，一台控制箱可以控制6台到12台气水置换装置，这样用电设备可以降为传统电动降水工艺的10%，电闸箱和电缆线的用量可以降为传统降水工艺6%~ 7%，节约了电能和材料的损耗[2]。
参考文献：
[1]宋心朋,周莹莹.气动降水设备的特点及与传统设备的对比研究[J].山西建
筑,2020,46(07):152-156.
[2]辛炜.智能气动降水成套设备的应用[J].天津建设科技,2018,28(03):21-23.