粉土或沙层管井高压水冲快速成孔施工方法与流程

本发明涉及ipc分类e21b土层或岩石的钻进技术，尤其是粉土或沙层管井高压水冲快速成孔施工方法。

背景技术：

管井是垂直安置在地下的取水或保护地下水的管状构筑物。管井井径较小，井深较大，汲取深层或浅层地下水的取水建筑物。打入承压含水层的管井，如水头高出地面时，又称自流井。

轻型井点是采用真空泵汲水的一种降水工艺，通常采用高压水冲孔法成孔，孔距一般为1.2m。在孔内插入轻型井管，围填滤料。轻型井管通过集水总管连接接真空气包，通常以20～30m根为一组。受真空汲水机理的限制，轻型井点有效抽水深度约为5m，可采用多级降水的方式增大抽水深度。轻型井点降水效果可靠，但单级降水深度受限制，多用于放坡开挖的基坑边坡稳定。

喷射井点是以高压水泵或高压空气为动力能源，通过管路系统往井管内喷射高速水气流，高速水气流穿过喷射器时形成瞬时真空，将地下水吸出。喷射井点理论降水深度最大可达20m，在实际应用过程中，由于井损的影响，喷射井点降水深度一般不超过15m。喷射井点的不足在于长时间降水后，喷嘴容易损坏，喷射井点无法正常工作，导致高压水泵喷射的高速水流倒灌。

相关专利文献公开较少。

惠州市水电建筑工程有限公司提出的中国专利申请201110025209.x公开一种轻型井点降水施工技术，先采用普通地质钻机经泥浆护壁钻进成孔后，安装过滤管形成管井，再在过滤管内采用高压水喷射冲洗，破坏护壁泥浆结构层，并使过滤管管周自形成过滤层，然后将前端设有潜水泵的出水管设置于过滤管内，最后启动潜水泵实现井点降水；管井直径为小于等于200mm，管井间距为3～10m，出水管上还设置有回水管。本发明是在传统轻型井点降水的基础上进行了改进，通过调整钻孔机械、管井的直径和井距，管井成井技术，同时结合调节流量控制抽水技术，不但取得很好的降水效果，而且移动方便、施工速度快、影响范围小、节约能源、装拆方便，可适用于弱～强透水土层的中、小深度自然放坡的基坑开挖。

中天建设集团有限公司提出的中国专利申请201210063435.1提供了一种冲水钻头，包括设在中央的集水钢管、设在集水钢管四周的均匀分布的四根顶部设有出水孔的出水钢管、连接在集水钢管上的至少一根进水钢管，所述集水钢管与出水钢管之间通过分水钢管固定连通。只需配合高压水泵加压送水，便可依靠人工完成水井钻孔，操作简单方便，成本低，成孔速度快，且冲水钻头只需由普通钢管制成，可根据管井的直径进行现场制作，方便快捷。

杭州市市政工程集团有限公司提出的中国专利申请201820214184.5公开了一种砂性土降水井的快速成孔装置，它包括支架、连接架及钻头，支架包括三根支撑杆，三根支撑杆上分别连接第一固定环和第二固定环，钻头通过连杆与三根支撑杆连接，钻头由钻头套和水喷射头连接构成，水喷射头上端通过水管连接高压水泵，连接架包括连接杆及连接头连接构成，连接杆底部通过连杆焊接固定在对应的支撑杆上，连接头顶部连接操作机构。本发明通过采用上述技术，高压水泵出水经过水管从水喷射头喷出，利用水的冲击力冲击土层实现快速成孔过程，具有结构简单、操作方便、省时省力，且成孔效率高、成孔质量好、降低成本，特别适用于粉砂地质条件下管井成孔，并可重复循环使用。

另外，降水工程是指应用水文地质学原理，通过降水设计和降水施工，排除地表水体和降低地层中的上层滞水、潜水、承压水、基岩水、岩溶水等地下水位，满足工程的降水深度和降水时间的要求，并对工程环境无危害性的影响，它包括降水工作体系的建造与该体系的运转两部分。其方法可分为轻型井点法、喷射井点法、电渗井点法、管井井点法及大口井、幅射井等方法、有时出于工程的特殊需要，还会建造减压井、回灌井等。本标准仅涉及轻型井点降水与管井井点降水。其中，涉及轻型井点降水与管井井点降水施工技术标准中给出了水冲成孔工法，包括导杆式水冲法和套管水冲法。其中，导杆式水冲法中，一种是振动式导杆水冲法，一种是回转式破土导杆水冲法。导杆为直径100mm，或150mm的钢管，管外焊两根水冲管，顶部为平板振动器。水冲枪冲孔到设计深度后，拔出导杆，放入井管。其中，套管水冲法采用套管水冲枪成孔，套管由200mm的普通钢管制成。成孔时，套管水枪以高压水冲击土层，要根据不同土质条件选择工作水压力，一般为0.8～0.9mpa。

当冲孔到设计深度，比设计井深深1mm左右后，要继续给水冲洗一段时间，使返上来的水含泥量在5％左右。达到要求后，先向孔中填少量砂、再向套管中放入井管，以免井管插入泥土中。填砾应分几次完成，以免拔套管困难。

管井降水无论在房建工程、水利工程、市政工程等均被广泛运用。传统的机械成孔施工工艺直接在粉土或沙层地质施工需制作泥浆护壁并易产生塌孔、钻机倾斜等质量安全事故且成孔速度慢、成孔质量差、施工周期长、施工投入大等缺点。对工程主体施工的工期及安全有着较大的影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提供粉土或沙层管井高压水冲快速成孔施工方法，解决传统的机械成孔施工工艺直接在粉土沙层地质施工需制作泥浆护壁并易产生塌孔、钻机倾斜等质量安全事故，且成孔速度慢、成孔质量差等难点。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：采用高压水冲刷粉砂土层成孔，井管随冲孔速度下插，成孔与下管工序同步进行；施工方法，依次包括施工步骤：施工准备、施工放样、开挖排沙池及井口、竖直井管、开泵喷水、井管下插-接管、停泵回填井管与孔壁间的滤料、封井、洗井、下泵试抽水；其中：

施工准备包括：管材选用、井管封底、管壁开孔、密目网缠绕、喷头安装、高压水泵管线检查、测放井位；开挖排沙池及井口；竖直井管；开泵喷水；井管下插；接管；停泵回填井管与孔壁间的砾石过滤层；封井；洗井；下泵试抽水降水井正常工作。

开挖排沙池及井口：排沙池开挖体积应大于井孔体积的5倍且距离井口距离不易超过10m，排沙池过远泥沙易堵塞排沙沟。

竖直井管：井管竖直放在预先挖好的井口，用双向垂线，视角成90℃夹角，观测管身外轮廓线或事先在管身弹出中心线，保证双向偏差均在规范允许偏差之内。因井管下插由人工控制，垂直度难以控制，所以在下管过程中应用经纬仪时刻观察管身垂直度并不断纠偏。

开泵喷水：井管竖直后应开起高压水泵往喷头输送高压水。喷头出水后应原地喷水30s，使粉砂土层尽量处于饱和水状态，根据砂质不同可能喷水不到30s井管将自行下沉。

井管下插：井管下插应选派3名工人分为3个方向保持管身垂直度并对井管向下施加压力。井管下插过程中应适当向下施加压力，迫使井管随冲砂的速度缓慢下插。若在下插过程中受到较大阻力可上下抽插井管让高压水充分的冲刷管底粉土砂层直至井管底部达到设定高程。

成孔过程中水泵应不间断运行，经实地验证成孔过程中冲孔水泵停止喷水超过30s，泥沙可能回淤，导致井管1壁与孔壁回淤密实无法继续下插。

接管：深井降水采用的井深通常超过8m，市场常规的井管长度为6m，且当井管长度超过6m时人工难以保持管身垂直度，所以可采用接管的方式增加井深。井管接管采用承插式结构，因承插接头较为薄弱，为避免接头弯曲造成井孔倾斜弯曲甚至无法下插等质量问题，可采用强度较大的条形材料如钢筋、角铁等附着在承插接头部位增强井管接头的抗弯能力。

停泵回填井管与孔壁间的砾石过滤层：当井管下插至设定高程后为避免泥沙回淤应适当加长坐底喷水时间，当井口溢出的泥沙含量保持不变时即可停泵下滤料，下滤料时间应在停止喷水后立即进行，避免孔壁回淤及孔壁塌孔。滤水管部位采用颗粒磨圆度较好的4#瓜子片砂围填，围填部位从井底部向上至滤水管顶部以上，各井的围填高度根据含水层的顶部深度而定。

封井：为防止泥浆及地表污水从管外流入井内，在地表以下回填2.00m厚粘性土封孔。

洗井：本施工方法未造成泥浆护壁，洗井只需清理管内残留的少量泥沙。

施工方法，包括以下步骤：

a、施工准备：

(1)管材选用波纹管、钢管、无砂管及水泥管；其中波纹管选用管壁强度较大的管材；

(2)井管封底应采用韧性大、透水不透沙材料，起到井管内外水压平衡且管内不回淤的效果；

(3)对于波纹管需要在管肋开孔，为减小井管浮力在井管每个圈肋上开2-3个直径5-8mm的孔；

(4)井管管壁开完孔后缠绕3层120目密目网的夹固围网并用塑料绳进行捆绑加固。

(5)每个钢管喷头均要单独与井管捆绑，喷头底部要低于井管底部20-30cm；

(6)喷头尾部与水管至少搭接15cm并用铁丝绑扎三道，确保下管过程中不脱节。

(7)检查好高压水泵管路、线路是否安全稳定。

(8)测放井位；根据降水井井位平面布置图测放桩位，当布设的井点受地面障碍物或施工条件影响时，现场作适当调整。

b、开挖排沙池及井口：排沙池开挖体积应大于井孔体积的5倍且距离井口距离不易超过10m，排沙池过远泥沙易堵塞排沙沟。

c、竖直井管：井管竖直放在预先挖好的井口，用双向垂线，视角成90℃夹角，观测管身外轮廓线或事先在管身弹出中心线，保证双向偏差均在规范允许偏差之内。因井管下插由人工控制，垂直度难以控制，所以在下管过程中应用经纬仪时刻观察管身垂直度并不断纠偏。

d、开泵喷水：井管竖直后应开起高压水泵往喷头输送高压水。喷头出水后应原地喷水30s，使粉砂土层尽量处于饱和水状态，根据砂质不同可能喷水不到30s井管将自行下沉。

e、井管下插：井管下插应选派3名工人分为3个方向保持管身垂直度并对井管向下施加压力。井管下插过程中应适当向下施加压力，迫使井管随冲砂的速度缓慢下插。若在下插过程中受到较大阻力可上下抽插井管让高压水充分的冲刷管底粉土砂层直至井管底部达到设定高程。井管成孔过程中水泵应不间断运行，经实地验证成孔过程中冲孔水泵停止喷水超过30s，泥沙可能回淤，导致井管壁与孔壁回淤密实无法继续下插。

f、接管：深井降水采用的井深通常超过8m，市场常规的井管长度为6m，且当井管长度超过6m时人工难以保持管身垂直度，所以可采用接管的方式增加井深。井管接管采用承插式结构，因承插接头较为薄弱，为避免接头弯曲造成井孔倾斜弯曲甚至无法下插等质量问题，可采用强度较大的条形材料如钢筋、角铁等附着在承插接头部位增强井管接头的抗弯能力。

g、停泵回填井管与孔壁间的砾石过滤层：当井管下插至设定高程后为避免泥沙回淤应适当加长坐底喷水时间，当井口溢出的泥沙含量保持不变时即可停泵下滤料，下滤料时间应在停止喷水后立即进行，避免孔壁回淤及孔壁塌孔。滤水管部位采用颗粒磨圆度较好的4#瓜子片砂围填，围填部位从井底部向上至滤水管顶部以上，各井的围填高度根据含水层的顶部深度而定。

h、封井：为防止泥浆及地表污水从管外流入井内，在地表以下回填2.00m厚粘性土封孔。

i、洗井：本施工方法未造成泥浆护壁，洗井只需清理管内残留的少量泥沙。

j、下泵试抽水降水井正常工作：每口深井配备一台潜水泵，成井施工结束后，在降水井内及时下入潜水泵，安设排水管道及电缆，电缆与管道系统在设置时要注意避免在抽水过程中不被挖掘机，吊车等碾压，碰撞损坏。因此现场要在这些设备上进行标识。抽水与排水系统；安装完毕后进行试抽水。

尤其是，采用层夹固围网密目网封堵井管底部，并架设三根钢管喷头，喷头底端超出井管底端20至30cm并与井管紧靠捆绑，喷头上部尾端连接高压水泵和进水管。管井成孔时采用高压水泵将高压水输送至喷头，通过高压水冲散粉沙并随水流冲出孔外，同时采用人工将井管往下施加压力，逐步将井管下插至设计高程。当井管需要接管时应在井管承插口处加密密目网缠绕并在管壁均匀分布钢筋加强井管承插口处抗弯能力。

本发明的优点和效果：

(1)本施工方法经实践验证，传统钻机在粉砂土层进行深井施工平均每小时可完成2m，本工法在粉砂土层进行深井施工平均每小时可完成6m。大大减少了施工周期。

(2)本施工方法无需钻机、泥浆泵等设备。仅仅需要三台高压水泵即可，并且所用高压水泵可投入后期施工排水，去除了机械进出场、租赁，减小用电等一系列费用，明显降低了粉砂土层深井施工的成本。

(3)施工所需材料均为市场常见材料，管材可选择性多，可采用波纹管、钢管、无砂管、水泥管等。与传统钻井成孔所需材料基本相同。容易购买、价格透明。

(4)相对钻机成孔所需的工种人数，本工法操作简单对普工稍加培训即可上岗。工种限制小，成本相对较低。

(5)本工法只需人工操作，不需要较大的工作面且施工所需材料体积、重量较轻人工即可搬运，减小了场地对施工的影响。适用于深坑、斜坡等机械设备难以进入的施工区域。减小了技术管理成本。

附图说明

图1为本发明实施例1中施工现场示意图。

图2为本发明实施例1中高压水冲快速成孔装置结构示意图。

附图标记包括：

井管1、进水管2、喷头3、井口4、水源5、排沙池6、排沙沟7、高压水泵8、井管9、圈肋10、透孔11、夹固围网12、轴向刚性加强连接筋13。

具体实施方式

本发明原理在于，采用高压水冲刷粉砂土层成孔，井管随冲孔速度下插，成孔与下管工序同步进行并去除了泥浆护壁、机械架设等工序且减少了洗井的工作量。

本发明适用于渗透系数较大，土质为粉、砂类土，地下水丰富，降水深，面积大，施工工作面狭小、工期短的情况。尤其适用在饱和动态含水砂层这类复杂地质情况下施工效果甚佳，井深可达20m以内。

本发明施工方法，依次包括施工步骤：施工准备、施工放样、开挖排沙池及井口、竖直井管、开泵喷水、井管下插-接管、停泵回填井管与孔壁间的滤料、封井、洗井、下泵试抽水；其中：

施工准备包括：管材选用、井管9封底、管壁开孔、密目网缠绕、喷头3安装、高压水泵8管线检查、测放井位；开挖排沙池6及井口4；竖直井管1；开泵喷水；井管1下插；接管；停泵回填井管与孔壁间的砾石过滤层；封井；洗井；下泵试抽水降水井正常工作。

开挖排沙池6及井口4：排沙池6开挖体积应大于井孔体积的5倍且距离井口4距离不易超过10m，排沙池6过远泥沙易堵塞排沙沟7。

竖直井管1：井管1竖直放在预先挖好的井口4，用双向垂线，视角成90℃夹角，观测管身外轮廓线或事先在管身弹出中心线，保证双向偏差均在规范允许偏差之内。因井管1下插由人工控制，垂直度难以控制，所以在下管过程中应用经纬仪时刻观察管身垂直度并不断纠偏。

开泵喷水：井管1竖直后应开起高压水泵8往喷头3输送高压水。喷头3出水后应原地喷水30s，使粉砂土层尽量处于饱和水状态，根据砂质不同可能喷水不到30s井管1将自行下沉。

井管1下插：井管1下插应选派3名工人分为3个方向保持管身垂直度并对井管1向下施加压力。井管1下插过程中应适当向下施加压力，迫使井管1随冲砂的速度缓慢下插。若在下插过程中受到较大阻力可上下抽插井管1让高压水充分的冲刷管底粉土砂层直至井管1底部达到设定高程。

成孔过程中水泵应不间断运行，经实地验证成孔过程中冲孔水泵停止喷水超过30s，泥沙可能回淤，导致井管1壁与孔壁回淤密实无法继续下插。

接管：深井降水采用的井深通常超过8m，市场常规的井管1长度为6m，且当井管1长度超过6m时人工难以保持管身垂直度，所以可采用接管的方式增加井深。井管1接管采用承插式结构，因承插接头较为薄弱，为避免接头弯曲造成井孔倾斜弯曲甚至无法下插等质量问题，可采用强度较大的条形材料如钢筋、角铁等附着在承插接头部位增强井管1接头的抗弯能力。

停泵回填井管与孔壁间的砾石过滤层：当井管1下插至设定高程后为避免泥沙回淤应适当加长坐底喷水时间，当井口溢出的泥沙含量保持不变时即可停泵下滤料，下滤料时间应在停止喷水后立即进行，避免孔壁回淤及孔壁塌孔。滤水管1部位采用颗粒磨圆度较好的4#瓜子片砂围填，围填部位从井底部向上至滤水管顶部以上，各井的围填高度根据含水层的顶部深度而定。

封井：为防止泥浆及地表污水从管外流入井内，在地表以下回填2.00m厚粘性土封孔。

洗井：本施工方法未造成泥浆护壁，洗井只需清理管内残留的少量泥沙。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：如附图1所示，作为一种实际施工优选的作业方案，如附图1所示，一种粉土或沙层高压水冲法管井成孔施工方法，包括以下步骤：

a、施工准备：

(1)管材可选用波纹管、钢管、无砂管及水泥管。其中波纹管应选用管壁强度较大的管材1；

(2)井管1封底应采用韧性大、透水不透沙材料，起到井管1内外水压平衡且管内不回淤的效果；

(3)为减小井管1浮力应在井管每个圈肋10上开2-3个直径5-8mm的孔；

(4)井管1的圈肋10开完孔后缠绕3层120目密目网的夹固围网12并用塑料绳进行捆绑加固。

(5)每个钢管喷头3均要单独与井管1捆绑，喷头3底部要低于井管1底部20-30cm；

(6)喷头3尾部与水管至少搭接15cm并用铁丝绑扎三道，确保下管过程中不脱节。

(7)检查好高压水泵8管路、线路是否安全稳定。

(8)测放井位；根据降水井井位平面布置图测放桩位，当布设的井点受地面障碍物或施工条件影响时，现场作适当调整。

b、开挖排沙池6及井口4：排沙池6开挖体积应大于井孔体积的5倍且距离井口4距离不易超过10m，排沙池6过远泥沙易堵塞排沙沟7。

c、竖直井管1：井管1竖直放在预先挖好的井口4，用双向垂线，视角成90℃夹角，观测管身外轮廓线或事先在管身弹出中心线，保证双向偏差均在规范允许偏差之内。因井管1下插由人工控制，垂直度难以控制，所以在下管过程中应用经纬仪时刻观察管身垂直度并不断纠偏。

d、开泵喷水：井管1竖直后应开起高压水泵8往喷头3输送高压水。喷头3出水后应原地喷水30s，使粉砂土层尽量处于饱和水状态，根据砂质不同可能喷水不到30s井管1将自行下沉。

e、井管1下插：井管1下插应选派3名工人分为3个方向保持管身垂直度并对井管1向下施加压力。井管1下插过程中应适当向下施加压力，迫使井管1随冲砂的速度缓慢下插。若在下插过程中受到较大阻力可上下抽插井管1让高压水充分的冲刷管底粉土砂层直至井管1底部达到设定高程。井管9成孔过程中水泵应不间断运行，经实地验证成孔过程中冲孔水泵停止喷水超过30s，泥沙可能回淤，导致井管1壁与孔壁回淤密实无法继续下插。

f、接管：深井降水采用的井深通常超过8m，市场常规的井管1长度为6m，且当井管1长度超过6m时人工难以保持管身垂直度，所以可采用接管的方式增加井深。井管1接管采用承插式结构，因承插接头较为薄弱，为避免接头弯曲造成井孔倾斜弯曲甚至无法下插等质量问题，可采用强度较大的条形材料如钢筋、角铁等附着在承插接头部位增强井管1接头的抗弯能力。

g、停泵回填井管9与孔壁间的砾石过滤层：当井管1下插至设定高程后为避免泥沙回淤应适当加长坐底喷水时间，当井口溢出的泥沙含量保持不变时即可停泵下滤料，下滤料时间应在停止喷水后立即进行，避免孔壁回淤及孔壁塌孔。滤水管部位采用颗粒磨圆度较好的4#瓜子片砂围填，围填部位从井底部向上至滤水管顶部以上，各井的围填高度根据含水层的顶部深度而定。

h、封井：为防止泥浆及地表污水从管外流入井内，在地表以下回填2.00m厚粘性土封孔。

i、洗井：本施工方法未造成泥浆护壁，洗井只需清理管内残留的少量泥沙。

j、下泵试抽水降水井正常工作：每口深井配备一台潜水泵，成井施工结束后，在降水井内及时下入潜水泵，安设排水管道及电缆，电缆与管道系统在设置时要注意避免在抽水过程中不被挖掘机，吊车等碾压，碰撞损坏。因此现场要在这些设备上进行标识。抽水与排水系统；安装完毕后进行试抽水。

前述中，接管步骤中根据井深进行一次或多次接管。

本发明实施例中，如附图2所示，采用4层夹固围网12密目网封堵井管1底部，并架设三根钢管喷头，喷头3底端超出井管1底端20至30cm并与井管1紧靠捆绑，喷头3上部尾端连接高压水泵8和进水管2。管井成孔时采用高压水泵8将高压水输送至喷头3，通过高压水冲散粉沙并随水流冲出孔外，同时采用人工将井管1往下施加压力，逐步将井管1下插至设计高程。当井管1需要接管时应在井管承插口处加密密目网缠绕并在管壁均匀分布钢筋加强井管1承插口处抗弯能力。整个成孔过程应保持高压水泵8连续喷水，直至井管1下插至设计高程并坐底喷水1分钟后方可停泵并立即填充滤料防止孔壁回淤。

以上实施例仅用于对本发明的解释和说明，以助于对本发明的阅读理解，但并不对本发明构成限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后，对本实施例做出没有创造性贡献的修改，只要在本发明的保护范围内，均属于本发明受到专利法的保护之范围。