巢式监测井施工工艺与方法研究

常彬 魏仁远

（1 山东省物化探勘查院 山东济南 250013 2 山东省地质勘查工程技术研究中心 山东济南 250013）

国家地下水监测工程的开展，将进一步完善地下水监测网络，更加科学有效的监测地下水动态，促进地下水资源的可持续利用。进行地下水监测工作首先需要建设监测井［1］，监测井的类型包括单管监测井、从式监测井、巢式监测井等，其中巢式监测井是指在一个钻孔中安装多根不同长度井管，分别监测不同深度的两个及两个以上目标含水层的监测井。由于巢式监测井施工工序繁多，难度较高，再加上钻孔直径较大、钻孔较深、地层岩性复杂、技术措施不合理等诸多问题，容易造成钻孔坍塌、钻孔倾斜、各单井井管相贴、投料止水不到位，导致深层水和浅层水相通，既达不到巢式监测井监测多层地下水位的效果，又给施工单位带来返工的财产损失和工期的延误。因此，巢式监测井质量的控制要严格要求施工工艺，投入技术含量高的技术人员及施工人员，重点控制好各施工阶段控制要点，坚持在保证施工安全、文明的情况下，最大限度地发挥人员水平及相关设备性能，实现安全生产与技术达标双赢。

1 工程概况

国家地下水监测工程（山东省部分聊城段）地下水监测站点土建工程建设巢式监测井7 处，监测井高程26.7 m～35.4 m。其中：一孔双井监测井4 处，钻孔直径600 mm，单井井深50 m 和200 m，井距248 mm，监测目标层20 m～45 m 和120 m～180 m；一孔三井监测井3 处，钻孔直径700 mm，单井井深50 m、200 m和400 m，井距248 mm，监测目标层20 m～45 m、120 m～180 m和300 m～380 m。所有单井均使用沉淀管，滤水管为桥式滤水管，井管采用直径为146 mm 的无缝钢管。主要实物工作量包括：钻探、物探测井、下管、填砾止水、洗井、抽水试验、水样采集及分析、辅助设施建设。钻遇地层为第四系，以平原组为主，局部地表可能有黄河组。上部以土黄、灰黄色冲积相粉质粘土、粘土及粉细砂为主；中部为冲积、湖积相，以棕黄、浅灰绿色粉质粘土、粉砂、细砂互层为主；下部以砂质粘土为主，结构致密，含大量钙质结核。

2 巢式监测井特点

巢式监测井特点如下：

（1）一口巢式监测井中可安装多个单井完整井，施工成本费用低，可缩短施工周期。

（2）一口巢式监测井可以同时对多个含水层进行观测。

（3）巢式监测井施工场地占地面积小，保护、维护费用低［2-3］。

巢式监测井平面及垂向示意图见图1、图2。

图1 巢式监测井平面布置示意图

图2 巢式监测井垂向布置示意图

3 巢式监测井施工工艺方法

巢式监测井施工工艺采用逐级式下管、填砾、止水。成井工艺流程如图3 所示。

图3 巢式监测井成井工艺流程图

3.1 施工准备

项目正式开工之前，技术人员、施工人员要组织好施工所用机械及配备人员，在开工前进行安全教育及技术交底。在接到业主开工令的第一时间内进场组织施工，保证工程进度和施工质量。施工准备工作包括：现场踏勘、场地协调、设备安装、开工验收及技术交底。

3.2 钻探

监测井钻探方法为正循环无芯钻进，开孔直径350 mm，钻进至200 m 或400 m 后扩孔至600 mm 或700 mm，孔口直径与孔底直径相同。钻进施工过程做到以下5 个方面：

（1）钻进中采用钻铤加压，使用钻压表，合理控制钻压。

（2）每回次钻进，在钻头到达孔底前，先开泵冲孔，待孔口返水后，用慢速回转钻具，无蹩车蹩泵时，将钻具下放到孔底钻进；钻进中临时停车，钻具未提离孔底，不开车、开泵；钻进过程中，保持钻压均匀，加减压应连续均匀地进行；钻进过程中定期冲孔排渣，保持孔内干净，孔底岩粉超过0.3 m～0.5 m时，专程进行捞渣。

（3）在松散地层钻进，冲孔时间缩短，提、下钻速度保持匀速，提钻中或提钻后向孔内回灌冲洗液，防止塌孔。

（4）钻进过程中随时注意孔内情况变化，出现异状时，立即采取措施。停钻时，钻具提至孔外或安全孔段。

（5）钻进完成后充分循环洗井，调整钻井液性能，补充相关处理剂，保证物探测井和下井管施工顺利。

3.3 物探测井

按照设计要求，对钻孔揭露的地层进行物探测井，获取物探测井资料，为解释含水层提供地质依据。物探测井采用了中装集团重庆地质仪器厂生产的JGS-1B 智能综合数字测井系统。测井的主要参数有视电阻率、自然伽玛、自然电位。取得的主要成果有地层划分表，自然伽玛、三侧向电阻率及自然电位曲线，资料数据详实可靠。

3.4 下管

下管前首先应适当稀释泥浆，选择合适的井液。其次，探孔深，准确确定钻孔深度。最后根据井管结构设计，检查井管质量，测量井管长度，将每一根井管长度同时记录在班报上，并用记号笔记录在每一根井管头上。巢式监测成井下管顺序为：深层井管、中层井管、浅层井管。需要安装的井管类型从井底至井口依次为沉淀管、滤水管、井壁管。为保证巢式监测井施工完成后各单井等间距处于钻孔中心，下管时在井管上定量安装扶正器，防止各单井井管相贴，各单井井管与钻孔孔壁相贴，影响含水层滤料准确投放。巢式监测井下管止水顺序为：先下入深层井井管，填滤料止水后，再下入中层井井管；中层井填滤料止水后，最后下入浅层井井管、填滤料、止水。井管下入之前，必须对钻孔内泥浆进行稀释换浆，防止填滤料后泥浆过稠，影响井的出水量。

3.5 填砾止水

单井井管安装后及时进行填砾工作，填砾高度均高于滤水管顶端5 m 以上，滤料为颗粒直径2 mm～4 mm 石英砂。填砾方法为动水填砾，具体注意事项为：

（1）提前预算好要填砾石体积和重量，按计算用量，现场备足砾料。

（2）认真检查砾料的质量和规格，不符合要求的砾料不准填入孔内。

（3）填滤料时，滤料沿井壁四周均匀连续填入，并始终保持井管稳定；随时记录已填入滤料的数量和测量滤料充填深度，当发现填入滤料的数量与根据测量的滤料充填深度计算的滤料数量有较大差别时，及时找出原因并采取稳妥措施进行排除。填砾应从孔口井管周围均匀填入。

（4）填砾中定时探测孔内填砾面位置，发现堵塞时，采取措施消除堵塞后再填。

（5）孔内一直保持开泵循环孔液，使孔内的清水通过滤水管孔眼向孔外循环。当孔内泵压突然增大，说明管外填砾空隙以基本填满，则停泵和停止填砾。

（6）使用测绳检查砾料是否填至预定位置，填砾数量是否正确。

（7）填滤料后，开始抽水洗井，待水清后，再次测定填砾位置，发现有下沉，补填至预定位置后开始止水，抽水洗井仍需继续。

止水黏土球填至次深层井底端，止水黏土球颗粒直径约50 mm。投粘土球结束后，静置2 h 待粘土球膨胀，然后进行止水检查。止水检查方法采用水位差法。先测量套管内和套管外的水位，并做记录。具体操作如下：

（1）孔内水位深度埋深较大时（大于30 m），用水泵向孔内注水至孔口，然后停泵同时观测孔内外水位变化，观测管外水位随管内水位变化情况。若管外水位随管内水位变化不明显，连续4 h 内管外水位半小时下降不超过1 cm，则止水合格；若管外水位随管内水位变化而变化，则止水失败，起拔套管，重新下管、填砾、止水。

（2）管内水位较浅，离孔口不足10 m 时，用水泵向孔外抽水，使孔内外水位差大于10 m，然后停泵观测水位，观测管外水位随管内水位变化情况。若管外水位随管内水位变化不明显，连续4 h 内管外水位30 min 下降不超过1 cm，则止水合格；若管外水位随管内水位变化而变化，则止水失败，起拔套管，重新下管、填砾、止水。

3.6 洗井

采用潜水泵抽水洗井排渣，抽清后停泵1 h 左右再抽，反复循环洗井，洗至井水水清砂净，出水含砂量不大于1/20 000（体积比）。

3.7 抽水试验

抽水试验方法采用稳定流抽水试验。采用63QJ20 型潜水泵，最大出水量为12 m3/h，扬程为60 m；水位观测采用欧洲Water&Land 公司生产的LeveLogger 地下水位自动记录仪，水位读数精确到0.1 cm；水量测量选用水表读数，出水量读数精确到0.001 m3。巢式监测井各单井抽水试验均进行了两个抽水落程，抽水试验稳定时间：小落程大于8 h，大落程大于16 h，S1=Smax/2，S2=Smax。抽水试验结束后，编制抽水试验综合成果图表，包括：流量、水位（包括恢复水位）历时曲线、稳定水位和流量关系曲线、水质分析成果、水文地质参数计算成果、钻孔成果综合柱状图等。

3.8 水样采集及分析

各单井在抽水试验结束前均按规范采集全分析水质水样一件。为保证取得水样为含水层内新鲜水，采样时用源水冲洗采样容器至少3 次，尽量避免外界条件的干扰；在现场做好采样的原始记录工作，详细记录采集水样的监测井编号、位置、深度、采样编号、送样编号、现场的外观指标（如气、味、色、温等），及时在现场密封好样品，填写好水样采样标签贴于取样容器醒目位置处。现场采样后立刻送到化验室，样品运送途中做到防震、防冻及防止阳光照射。

采集样品均送“中国冶金地质总局山东局测试中心”进行水质分析。检测项目共32 项，分别是：pH、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、NO3-、F-、游离CO2、侵蚀CO2、氰化物、Cr6+、挥发酚、COD、NO2-、偏硅酸、溶解性总固体、As、Hg、Cr、Mn、Fe、Sr、Cd、Pb、总硬度、总碱度及总酸度等。

3.9 辅助设施建设

辅助设施建设包括井口保护装置、水准点建设、安装标志牌。

（1）井口保护装置包括砌筑钢筋混凝土井台基座和仪器保护筒体安装固定。钢筋混凝土井台设计为圆柱体混凝土台，基座采用一个圆筒型模具浇筑，直径500 mm，高800 mm，其中地面以上500 mm，地面以下300 mm。浇筑时，井管周围挖直径800 mm、深地面以下300 mm 的圆形坑，夯实坑底，以防止后期沉降后井台失效。井管周边模具内灌入混凝土至模具口下150 mm，灌入混凝土时一定要用震动棒或木管夯实，模具外周边用混凝土填至地面。仪器保护筒体安装固定：将安装了3 根螺纹钢筋的仪器保护筒体植入水泥基座，要求筒体应尽量水平、周正，拭去底盘上残留的混凝土，保持底盘清洁。在井口保护装置内灌入混凝土至井口平，最后把井口保护装置外模具内灌满混凝土整平放入水准点标志。仪器保护箱高300 mm，预埋200 mm，直径350 mm，钢板不小于6 mm，箱内设有挂钩或托盘；箱盖镶嵌一个厚度8 mm 的尼龙板，保障自动监测设备信号发射，箱盖上应具有特殊的锁固装置，使用专门工具才能打开井口帽。根据《地质环境监测标识规定》，井口保护设施外观采用“上红下蓝”的样式。

（2）水准点标志采用加接铁质根络的不锈钢半球顶的标志。在砌筑钢筋混凝土井台基座时，将水准点安装在井台基座上。井口保护装置建设见图4。

图4 井口保护装置建设

（3）标志牌材料采用防风蚀雨蚀的不锈钢，标志牌规格长450 mm、宽295 mm、厚0.5 mm，铭牌文字采用应蚀刻工艺，刻有“国家地质环境监测及地下水地质环境监测站”文字及地质环境监测Logo 标识，并标有主管部门、建设单位、运行维护单位、电话、监测井编号等信息，铭牌通过螺杆铆固定在保护箱上。安装好的巢式监测井见图5。

图5 安装好的巢式监测井

4 结语

巢式监测井的建设可节省人力、物力，缩短施工周期，便于管理，为地下水动态监测提供一种新的方式。但其施工工序繁多，施工工艺要求比较严格，确保滤水管放置目标含水层位、填砾止水位置得当并发挥其功能是关键。所以，巢式监测井建设时，要对成井材料、技术人员和施工人员严格把关，以及对各工序的质量控制，达到预期的目的。