一类深基坑预埋抽排水装置研究

周晨浩，胡阳，季妍，胡月远，黄亚楠，刘毅恒

（金陵科技学院建筑工程学院，江苏 南京 211169)

城市迅速发展使地上建筑趋于拥挤，地下空间的开发已然成为城市发展的必然趋势[2]。1至2层的地下室已经满足不了当今社会的需求，3至4层逐渐演变为常态，这就使深基坑得到更加广泛的应用。深基坑降排水施工是基坑工程中的重要工作内容，所采用的施工技术是否合理与后续施工工程的高效开展有直接关系，因此认真分析相关影响因素来进行施工工艺的探索对提升降排水工程的施工质量有重要意义。张晓青[2]针对申北四路下穿立交基坑工程降水施工经验，提出真空管井相较于普通管井有降水深度大等优势。同时利用真空管井降水法可以达到快速疏排地下水的目的，进而保证基坑开挖的安全等实际问题。陈六超[3]以西藏拉萨通用机场深基坑项目为例，针对土钉墙结合管井降水技术的综合型方案进行阐述，相较于传统旋喷桩与支护桩相结合的方案，土钉墙与管井降水的综合型方案降水效果更佳。商栏柱、张宁宁等[4]以天津市第一中心医院新址扩建项目为例，对超大深基坑降排水施工方法进行阐述。研制出一种基坑自动空压降排水壶形装置，并总结出一套安全高效的降排水施工技术。在深基坑降排水施工技术发展进程中，现行的降水技术不断地完善，在开展实际降排水工作时，往往会出现施工器械使用寿命低、人力消耗大、作业效率低等问题。针对以上不足之处，本文拟设计一种深基坑预埋排水、抽水一体化装置，可应用于解决地下水环境对深基坑工程施工的影响问题[5-6]。针对前述研究成果和面临的问题，本次研究装置通过采用水位感应技术，实行滤水过程分级优化，实现抽水管道内部动力转换的智能化。通过设计的深基坑预埋抽排水装置可以较好地在开挖深基坑时加强排水防灌，同时优化施工过程和提升工作效率。

1.1 核心抽水泵工作原理

工作时，置于地面的核心抽水泵给予齿轮啮合的动力，从而带动螺旋桨系统的工作，进而实现抽水管道的持续下降功能和抽水功能[7]，钢筋过滤网进行粗过滤，防止抽水管道的堵塞。抽水完毕，关闭抽水泵，螺旋桨停止转动，向上抽出管道，实现抽水过程。

如图1所示，抽水管道内部组成从上至下依次为齿轮系统①、②，螺旋桨系统③，钢筋过滤网④。核心抽水泵管道内运行流程如图2所示，启动抽水泵，齿轮系统开始工作并带动螺旋桨系统运行。螺旋桨对水产生向上的推力，水反作用于螺旋桨系统使之向下位移。当水线低于螺旋桨后，空气将代替水作为抽水管道向下深入的动力源。钢筋过滤网为防止管道堵塞进行泥水粗过滤。具体介绍如下，齿轮系统①、②:当齿轮转动时，齿轮脱开侧的空间的体积从小变大，形成真空，将液体吸入[8]，齿轮啮合侧的空间的体积从大变小，将液体挤入上层抽水管道，给经由螺旋桨系统抽出的水提供抽水动力源。螺旋桨系统③：螺旋桨旋转对水产生向上的推力，而水产生对螺旋桨向下的推力，进而使得抽水管道深入深基坑抽水区域。当水线低于螺旋桨后，螺旋桨对空气产生向上的推力，抽水管道获得反作用力得以继续深入,同时依靠旋转的螺旋桨叶对液体的动力作用，把能量传递给液体，使液体的动能和压力能增加，从而实现抽水过程[9]，钢筋过滤网④位于吸水罩上方，可实现对泥水混合物的粗过滤，防止抽水管道的堵塞和管道内部结构的损坏。吸水罩与地下水液面直接接触，按照实际工程抽水量的要求，可灵活调整抽水管道下放深度。若需全部抽空基坑内的水，可将抽水管道深入至吸水罩同基坑底部接触。

图1 核心抽水泵管道内运作效果图

图2 核心抽水泵管道内运作流程图

1.2 预排水工作原理

随着抽水过程的进行，基坑底部的水将通过溢水管到达置于地面的刚性容器。刚性容器内有红外感应线，感应线的预设高度可按照实际工程要求自行调整。当刚性容器内的水位到达感应线时，将各自触发所属开关，从而停止抽水。

如图3所示，溢水管置于抽水通道内壁，通入暗沟以下。随着抽水过程的进行，当到达预设液面高程时，溢水管水线也将处于目的标高。置于坑底上方的水位感应系统，由刚性容器制成，内含一号开关与二号开关，各自独立与抽水泵电相连。当水线到达红外开关感应线时，将触发开关闭合，进而关闭抽水泵实现预排水过程。

图3 预排水工作流程图

1.3 装置的工作特性

①机具设备简单、使用灵活、易于操作。底座拥有万向轮，在坑底可移动，提高了抽水的效率，解锁了更多的可能性。

②机具易于管理，投入人力、物力少，节约降水成本。以往预埋排水采用轻型井点抽水，将地下水位降至坑底以下1.0m以下，需专人值班24h抽水[10]。本装置应用水位感应系统，降低现场工人作业强度，提高了精度与效率。

③开挖好的基坑施工环境好，相应地提高了基底的承载力，有效保证降水质量与施工安全。以往抽水泵置于水下，其使用寿命和过滤效果较差[11]。本项目将抽水泵置于坑底以上，且与滤水装置相连，是一体化结构设计，且抽水管道有过滤功能，一定程度避免了堵塞。

④缩短降水时间，加快沟槽开挖及管道安装施工进度。相较于传统的抽水泵，本装置通过齿轮、螺旋桨的配合，将水和空气转化成动力，一定程度提升了抽水效率[12]。

⑤各项工序施工方便，大大提高了基坑施工效率。本装置通过置于地面上的“v”型过滤廊道配合旋转过滤筒，实现了分层过滤，合理、高效地通入城市排水系统。

2.1 结构与组成

具体结构如图4所示，动力机④下设置钢筋防护笼②，内置核心抽水泵，抽水泵与动力机相叠置于承重板③上[13]。支撑杆⑤底部同过滤筒顶部固定座通过螺栓连接，顶部通过伸缩机构与动力机④相连。形成动力机通过支撑杆驱动过滤筒①转动的动力结构。过滤筒为中空筒体结构，过滤筒内壁设有不规则的片状结构体，外壁设有多个滤水孔，顶部和底部分别有固定座⑥、⑦与过滤筒密封转动连接[14]。固定座均开有通孔，吸水罩⑨通过螺栓与底部固定座连接，支撑杆通过螺栓与顶部固定座相连。过滤筒下放置有引流板⑧，引流板固定于底座上，呈“V”排布并与底座孔洞相连，便于滤水输送至城市排水沟。过滤筒另一端为“V”型过滤廊道，入口接有一号过滤网，转折处接有二号过滤网，一号过滤网的网孔尺寸大于二号过滤网的网孔尺寸，可以有效对抽出的泥水混合物进行二次粗过滤。装置底座四角设有万向轮⑪，引流板位置设有镂空孔洞，底座中心贯穿抽水管道，呈贯穿结构⑩，泥水混合物通过抽水管道到达地面的过滤系统。

图4 装置结构正视图

图5 装置结构俯视图

图6 装置结构侧视图(左)

2.2 装置的运行

在深基坑预埋抽排水装置实际运行过程中，可总结成以下步骤。

①装置就位:在施工场地具备平整性、降水井满足各项检测指标的情况下，预埋抽排水装置可以投入使用。在降水作业前，需要进行对机具主体的质量检查，同时保障地面过滤装置与排水沟的牢靠连接。

②管道敷设:在降水施工环境满足要求后，将抽水管道缓慢下放至降水井中，同时校核管道居中来保证管道底部与液面的正常接触。

③降水运行:启动抽水泵，抽水管道内部齿轮与螺旋桨开始工作。同时结合空气与液体提供的动力，抽水管道持续向下深入，进而保持与液面的充分接触。

④水位检测:在降水运行至预定标高时，抽水管道内部溢水管也将达到预设水线。通过置于地面的刚性容器完成反馈，实现对水泵的灵活控制。

⑤地面过滤:泥水混合物被管道内部的钢筋滤网粗过滤后到达地面，经由过滤廊道与旋转滤筒实行分层过滤，最终被排入预先连接的排水沟。

①通过信息收集、文献研究、案例分析进行深基坑降排水施工调研，分析政治、经济、社会环境，深入了解相关法律法规，考察社会需求和经济效益。

②选择已建成的地下排水设施进行实地考察，并咨询相关建设者的意见。分析改造已建成的设施相结合的可行性，并且选择具体的案例，分析其需求和特殊性[15]。在此基础上完成对一体化装置的优化，应用于解决地下水环境对深基坑工程施工的影响问题。

③地面装置的排水、滤水一体化降低了时间成本，地下装置的水位感应合理运用水与空气的反作用力优化了人工成本，进而实现深基坑的高效降水、分级滤水、合理排水。

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