地面沉降监测孔施工工艺及要点

2016-09-18蔡正水

西部探矿工程 2016年8期

关键词：基岩标杆扶正

蔡正水

（安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽六安237010）

地面沉降监测孔施工工艺及要点

蔡正水*

（安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽六安237010）

地面沉降监测孔，分基岩标孔和分层标孔2种类型，是监测地面沉降的重要手段。基岩标孔施工难度大、监测精度高、寿命长，为此，以南通市通州区环本农场基岩标为实例，介绍了基岩标的施工流程、特点及保质措施。

基岩标；施工工艺；保质措施

南通市位于江苏省南部，临近东海，人口较多，经济较发达，都市化程度高，对全省经济发展具有举足轻重的意义。近十余年来高速发展的经济建设，频繁、活跃的人类活动，对生态环境造成了严重影响。地下水长期无计划开采，地下水位持续下降，导致了区域性地面沉降等较严重的地质灾害和环境地质问题。

地面沉降造成滨海平原防洪工程的防洪能力和城市排水工程的排放能力大大降低，洪涝灾害加剧；水准点高程失真，影响城市规划建设；桥梁净空减小，影响内河航道的通航能力等等，造成严重经济损失。地面沉降已严重影响本区的城市化进程和经济、社会的可持续发展，引起了政府和社会的关注。

为了有效监测地面沉降，提供准确水准点，受江苏省有色金属华东地质勘查局地球化学勘查与海洋地质调查研究院委托，安徽岩土钻凿工程有限责任公司在南通市通州区环本农场遥望港边防派出所东侧施工一座基岩标。设计孔深610m，施工时间60d。

1　基岩标技术要求

根据江苏省有色金属华东地质勘查局地球化学勘查与海洋地质调查研究院南通市地面沉降监测网系统基岩标项目招标文件及合同要求，基岩标技术要求如下。

1.1标孔技术要求

孔径：基岩以上部位不小于Ø250mm，基岩孔段孔径不小于Ø150mm。

孔斜：每100m顶角不超过0.5°，终孔累计顶角不超过3.0°。

孔深：误差不得大于1‰。

取芯：全孔连续取芯，粘性土、完整基岩采取率不小于90%，连续落芯不得超过1m；松散砂砾和卵石层不低于50%，连续落芯不得超过3m。

1.2标体技术要求

标体结构包括：保护装置——保护管、引测装置——标杆、导正装置——扶正器、标底装置和地面装置5大主要结构。

保护管：选用Ø168×6.5mmDZ40地质专用无缝钢管。

标杆：标杆结构采取三级宝塔形结构，标杆材质选用DZ40地质专用无缝钢管。规格分别为Ø73mm、Ø50mm 和Ø42mm。

扶正器：选用滚轮式扶正器，滚轮采用不锈钢轮，间距9m左右。

标底：直径为Ø146mm短管，端部加工呈锯齿状并加钢板20mm厚钢质环状托盘。

地面装置：结合GPS观测墩建设要求制作。

标体的安装与埋设要求：保护管要求埋入基岩内2m；标杆埋入新鲜完整基岩内不小于5m；标杆与保护管切忌连成一体。

1.3施工技术要求

（1）泥浆循环系统、泥浆池等要用水泥浆护壁；设置废浆池，及时处理废浆；合理设置施工场地，保证施工场地整洁，便于场地恢复。

（2）地层划分要准确，岩面位置要准确，以便确定保护管下入位置及埋标深度。

（3）保护管要下到位，固井措施合理。

（4）埋标深度要准确无误，保证标杆与基岩固为一体。

1.4其他

（1）对作业过程和成果做认真的记录，并提交检查报告及成果资料。

（2）提供本项目基岩标所用保护管、标杆等材料的质量保证书。

（3）施工前要有施工设计，施工中积极配合甲方工作，服从甲方监督。

2　地理位置

基岩标位于南通市通州区环本农场遥望港边防派出所东侧。具体孔位见图1。

图1　南通环本农场基岩标平面位置示意图

3　完成工作量

该基岩标完成钻探总进尺625.58m，根据要求进行了全孔连续取芯；下入Ø168mm保护管610.79m，Ø73mm、Ø50mm、Ø42mm标杆合计626.68m，Ø168mm管外用水泥封固，水泥用量17t。施工过程中按要求，进行了孔斜测量及孔深校正，终孔孔斜、孔深误差均达到设计要求。具体施工情况见表1。

表1　基岩标钻孔施工情况一览表

4　基岩标施工场区地质条件

（1）第四系松散层（0.00～605.94m）：第四系地层为淤泥、粉砂、粗砂、粉土、粘土、砾石等。

（2）基岩（605.94～625.58m）：基岩地层为砂砾岩、粉砂岩、泥岩、灰岩。

5　基岩标结构

5.1基岩标钻孔结构

为保证基岩标标杆的垂直度施工质量，采用二级钻孔结构。基岩标钻孔结构情况见表1。

5.2基岩标结构类型

目前最新改进的基岩标结构设计为“三级塔式”。此结构类型已在1995～2001年实施的《上海市地面沉降监测网络修建工程》中得到了实际应用，通过近年的监测检验证明，此种结构类型的基岩标运行质量更加可靠，此工程中亦得到了实际应用。

5.3基岩标的埋设

根据钻孔实际揭露地质情况确定施工场基岩地层埋深。按基岩标设计原理，要求标杆埋设在新鲜、完整基岩内，各基岩标标杆位置见表2。

5.4基岩标结构

（1）引测装置——标杆。标杆及其配置的合理性直接影响基岩标整体的稳定性与精确性。基岩标标杆采用地质专用管材。根据材料力学原理，按“九五分割”法确定的分段长度使其整体稳定性最好。基岩标各段长度及管径从下至上见表2。

（2）保护设施——保护管。保护管置于钻孔内，由水泥浆与基岩固结，其作用是保护引测装置，尽可能地减小周围土层对标杆的影响。以往建造的基岩标保护管外大都用粘土球回填；为提高保护管的整体刚性，现采用钢管外保护水泥层的加强保护结构。

基岩标保护管采用Ø168mm×6.5mm地质专用钢管，保护管入井位置见表1。

（3）导正装置——扶正器。扶正器用于保持引测装置的垂直，使引测装置和保护管为“点”式接触，以便自由滑动。各基岩标标杆扶正器采用的是垂直、水平方向转动的“铜质三向转动轮式扶正器”。扶正器外圆与保护管间隙3mm左右。

扶正器垂直设置间距：按力学原理计算标杆每9m间隔安装一个扶正器为合理。各基岩标标杆扶正器个数见表2。

表2　基岩标各标杆长度及扶正器个数一览表

（4）GPS平面控制点。在基岩标上直接接高并安装GPS平面控制点。

6　施工工艺

6.1主要设备及机具

（1）钻机：HXY-5型液压钻机、TSJ-2000水文水井钻机各1台；

（2）泥浆泵：BW-850泥浆泵2台，TBW850/5A泥浆泵1台，NBB-250/6泥浆泵1台；

（3）泥浆净化装置：NJJ-2泥浆净化设备1套；

（4）钻塔：SG-23钻塔1部；

（5）钻杆：Ø73mm、Ø50mm钻杆各650m；

（6）测斜仪：KXP-2D测斜仪1台；

（7）钻具及钻头：Ø110mm/Ø130mm外肋骨合金钻头、Ø130mm、Ø150mm金刚石钻头、Ø250mm四翼合金扩孔钻头、Ø250mm牙轮钢齿钻头及其配套钻具等；

（8）其它：电缆、配电箱、电焊机等。

6.2基岩标施工工艺流程

基岩标施工工艺流程见图2。

6.3基岩标成孔工艺

图2　基岩标施工工艺流程

导正孔钻进：HXY-5型液压钻机，保直钻具：Ø121mm钻铤+Ø108mm岩芯管+Ø110/Ø130mm硬质合金外肋骨钻头取芯钻进；

扩孔钻进：TSJ-2000水文水井钻机，Ø159mm钻铤+Ø216mm三牙轮钻头和Ø159mm钻铤+Ø250mm三牙轮钢齿钻头分两级扩孔钻进；

基岩钻进：HXY-5型液压钻机，风化基岩用Ø110mm/ Ø130mm硬质合金外肋骨钻具、完整基岩用Ø150mm金刚石钻钻具钻进。

（1）采用带短导正管的外肋骨取芯钻具开孔。

（2）覆盖层孔段采用外肋骨合金钻具全孔取芯钻进。

（3）基岩孔段除基岩面的风化、破碎层可采用硬质合金钻具等取芯钻进外，其余基岩孔段应全部采用配备卡簧或投卡的金刚石钻具取芯钻进。

（4）钻进覆盖层，选用优质低固相泥浆作为钻孔冲洗液，以保证孔壁的稳定。选用泥浆的要求：应选用造浆率高、杂质少的优质膨润土，配比为：粘土粉4%～6%（泥浆体积），处理剂添加量是：粘土∶纯碱（Na2CO3）：腐植酸钾（KHM）=100∶（3～5）∶（2～3）。其原浆的主要性能指标为：比重1.03～1.05g/cm3、粘度21～23s、pH值8.5～9.5、失水量10～15mL/30min、泥皮厚0.5～1.0mm。

（5）钻孔垂直度测量：

①孔深：每50m及终孔时测量并校正孔深，误差均小于0.1%，终孔累计误差为9cm，符合设计要求。

②孔斜：钻孔的垂直度是基岩标优劣的最主要参数。第一级小径钻进时有扶正装置，保证了钻孔垂直。每钻进50m及终孔时检验了孔斜情况，每100m孔斜不超过0.5°，基岩标终孔孔斜为0.9°，满足设计要求。孔斜测量记录见表3。

表3　基岩标孔斜测量记录表

6.4基岩标成标工艺

（1）下入保护管前的准备工作：

①扩孔到位后，采用带加扶正管的同径钻具（Ø250mm）对覆盖层孔段进行自上而下的扫孔。

②采用平面钻头磨平基岩孔底。

③循环泥浆的同时逐步调整泥浆性能，降低粘度、比重及含砂量，同时不间断地除砂，下管前孔口上返泥浆的粘度降至20s左右，比重降至1.05，含砂量应低于1%。

④采用与保护管底托盘同径、长度为10m的长钻具探孔，探孔到底无误差。

⑤对保护管的检查：下管前全面检查了保护管质量，剔除管圆直度差、丝扣损坏的管材；按照下管深度，配备足量的保护管，并逐根进行了丈量、编号、记录；清除保护管内、外壁锈蚀层及杂物；底部安装托盘，安装管鞋及浮箍，并检查其密封性。

（2）下入保护管：

①按编号顺序将保护管逐根下入孔内。

②保护管丝扣涂防渗材料并拧紧丝扣。

③边下管边往管内注入清水，防止因孔内泥浆浮力使保护管上浮。

④保护管必须要下到位，其深度误差符合设计。

（3）固井：为增加保护管的强度和刚性，并对上覆含水层进行止水，在保护管与钻孔间隙内灌注水泥浆进行补强、加固。

本采用保护管内灌注法：

①在保护管底安装有浮箍，孔口处安装水泥头，固井前充分循环泥浆。

②现场配制水泥浆液16m3。水泥标号为42.5，水泥浆液的水灰比为0.5。

③注浆前先注入1m3前置液，再注入水泥浆，最后注入11m3压浆液，将管内水泥浆压至管外，关好水泥头，等待水泥凝固。

（4）透孔及钻进基岩：

①管外水泥固结后，先用钻具钻取保护管底部的“浮灰”、浮箍及浮鞋和底部基岩孔段的水泥芯。

②以Ø150mm金刚石钻具继续钻进至基岩底部。

③再采用与基岩孔段相同口径的硬质合金平面钻头磨平基岩孔底，同时采用大泵量清水清洗钻孔。

（5）标杆的埋设：

①下管前检查了标杆、标底托盘、接箍、扶正器的质量，符合设计标准。

②丈量了标杆长度，并逐根编号、记录。“宝塔型”标杆结构按设计规范要求配备好不同规格的标杆、标底托盘、接箍、变径接头及扶正器。

③按编号顺序逐根下入标杆，底部安装标底及钢质环状托盘，并在设计规范要求的相应位置上安装扶正器。

④标杆下到位后，往标杆内灌入标号为42.5、水灰比为0.5的定量水泥浆液。

⑤保护管与标杆间注入清洁水（一般为自来水），上部2～3m灌入防锈油。

⑥按技术要求安装了主、副标头及GPS固定监测点。

7　质量保证措施

为保证工程按时保质完工，施工中采取了以下保质措施。

7.1防斜措施

（1）把好安装关，设备安装稳固、周正，做到天车、立轴、孔口三中心成一线。

（2）把好钻具、材料关，下入孔内钻具进行检查，钻具必须圆直及保证其内在质量。

（3）开孔后，下好护孔管，防止孔口坍塌，保证了开孔的垂直度。

（4）钻导正孔时采用“刚、满、直、厚、重”钻具；扩孔时采用加重钻铤，带扶正钻具，扩孔钻头带下导向；合理选用钻进参数，以保证钻孔垂直度。

（5）钻孔每点孔斜测量不少于2次，如发现同点测量重复性差，找出原因，进行误差消除，且每次测时对上次2～3点进行复测对比。

（6）不论在钻导正孔，还是扩孔，均及时测斜，测斜仪器采用KXP-2D测斜仪。钻孔终孔后，进行全孔测斜。

7.2泥浆的使用管理

（1）虽受场地限制，仍合理设置了泥浆循环系统，泥浆池约30m3，沉淀池20m3，泥浆槽15m，保证了沉渣沉淀及捞渣。

（2）采用了旋流除砂器除砂，保证了泥浆性能。

（3）配制了优质泥浆，其配比：粘土粉5%、Na2CO3为0.2%、KHM0.1%。

（4）钻进中随时测定泥浆性能，发现泥浆性能较差时，及时调整，或除砂或添加处理剂或更新泥浆，保证了护壁及钻进安全。

（5）在关键程序上及时调整泥浆性能，如在钻进至砂砾层段，增加泥浆的粘度，特别在下保护管和水泥固孔前，均降低泥浆比重、粘度、含砂量等，保证了孔壁稳定和孔底干净，使保护管下放到位及管外注浆得以顺利完成。

7.3取芯确定层位及孔深

该基岩标由江苏省有色金属华东地质勘查局地球化学勘查与海洋地质调查研究院、监理及施工方有关负责人员，根据现场取芯情况，确定保护管下入位置及标杆下入深度。该标在605.94m见岩石，岩性为粉砂岩、灰岩，保护管下入位置在609.79m，标杆下入深度为625.58m；该基岩标标杆进入完整基岩超过5m，完全满足设计要求。

8　施工质量

8.1孔斜

经现场实测，该基岩标终孔孔斜为0.9°，全孔未出现超差孔段，满足要求。

8.2孔深误差校正

基岩标施工中不论钻导正孔，还是扩孔均每50m及终孔校正孔深，所有校正孔深误差均小于1‰，满足设计及规范要求。

8.3岩芯采取率

按设计要求全孔取芯，合理掌握钻进参数，未出现超打和打懒钻现象。岩芯采取率完全满足设计要求。

8.4固井

该基岩标按设计要求进行了灌注水泥固井及标杆固定，做到了水泥量充足，水灰比合适，灌注方法恰当，保护管与孔壁间隙采用42.5优质复合硅酸盐水泥封固，水泥用量17t，基本与理论用量相吻合，达到良好的固结效果。并候凝72h，加强了保护管的牢固程度。标杆与基岩用水泥固结，灌注方法恰当，灌注顺利，保证了标杆与基岩连成一体。

8.5成标

保护管进入基岩3.85m；标杆进入完整基岩15.20m，大于5m，均满足设计要求。