气动潜孔锤在城市松散层地下水监测井建设中的应用

2022-05-19刘英昊徐莉娜王丽丹张晓晗马炳臣

地下水 2022年2期

刘英昊，徐莉娜，张涛，王丽丹，张晓晗，马炳臣

(1.潍坊市水文中心，山东潍坊 261061；2.山东省调水工程运行维护中心昌邑管理站，山东潍坊 261061；3.山东省地矿工程集团有限公司，山东济南 250000)

近年来，随着地下水监测项目的推进，越来越多的地下水监测井需要在城市内建设。面对城市复杂的施工环境，如何进行成井效率高、地面污染小、施工噪声低、占地面积小的地下水监测井施工一直是工程建设项目各参加方及政府监管部门亟需研究解决的难题[1]。本文从潍坊市国家地下水监测工程(水利部分)建设实际出发，通过对气动潜孔锤的钻进机理进行分析，提出一种适用于城市松散层的大直径气动潜孔锤跟管钻进工艺，为解决城市地下水监测井建设面临的施工工期长、交通压力大、地面污染大等问题提供了一种新的工作思路[2]。

1 项目概况

1.1 项目背景

城市地下水监测是水环境监控和保护的重要工作，承担着服务城市发展、保障城市安全的双重责任。国家地下水监测工程(水利部分)通过布设水文地质钻孔完成地下水监测井施工，成井后修建地面保护设施，安装地下水自动监测设备，建立长期观测站点，形成地下水监测体系，通过网络进行数据传输，实时监控地下水动态变化、自动生成各类图表，为相关部门提供基础水文地质和水环境参数，为城市规划、工程设计和政府决策提供第一手资料。通过本项目的开展研究地下水动态变化规律及地下水污染情况，提出治理对策，对保护城市用水安全具有重要的现实意义。

1.2 项目区概况

1.2.1 自然地理

项目区地处山东省中部，南倚沂山，北濒渤海，东连青岛、烟台，西接淄博和东营，胶济铁路、济青高速横贯东西，铁路、公路、海运、空运通往四面八方，交通极为方便。区内地形自南向北由高到低。南部为中低山丘陵区，地形起伏变化较大，从南向北逐渐由高变低一直延续到胶济铁路南侧，一般地形标高在海拔100～200 m以上。由此向北至莱州湾依次为冲积、洪积平原、滨海海积平原，地形平坦微向北倾斜，地形标高一般在+4～+100 m。

1.2.2 地层岩性

项目区第四系主要由人工填土层和洪冲积层组成。洪冲积层以粉质粘土、中砂、粗砂及砾砂为主。基岩自下而上划分为古元古代荆山群、粉子山群、新元古代青白口-震旦纪土门群，古生代寒武纪长清群、九龙群，中生代侏罗纪淄博群、白垩纪莱阳群、青山群及白垩纪-古近纪王氏群，新生代古近纪五图群，新近纪临朐群。受沂沭断裂带的影响，各时代地层多呈断块或断片形式分布[3-4]。

2 施工难点分析

根据地下水监测类型划分，项目区地下水监测井可分为基岩裂隙水监测井和松散层孔隙水监测井两类。基岩裂隙水监测井多布设在城区以外且远离居民区的剥蚀丘陵地带，地表基岩直接裸露或有薄层残坡积覆盖，地下无管线、管廊等市政设施，施工场地环境、条件较好，适合气动潜孔锤钻进成井。松散层孔隙水监测井部分布设在城区主要街道两侧绿化带内，施工涉及到占用绿地、夜间扰民等问题，地表多覆盖一层1～2 m的杂填土，其下为粉质粘土及砂层，大多数井位地下管线情况复杂，无法布设泥浆池。因此，常规的回转正循环钻进无法满足城市松散层孔隙水监测井的施工需求，采用一种成井效率高、地面污染小、施工噪声低、占地面积小的监测井施工工艺是城市松散层地下水监测井建设急需要解决的问题。

气动潜孔锤是利用压缩空气作为循环介质，驱动孔底冲击器进行冲击回转钻进的一种钻探工艺，与传统的回转正循环钻进相比，具有钻进效率高、成本低、无地层污染等特点。传统的潜孔锤工艺一般成孔孔径较小，对杂填土、砂层等松散地层钻进效率较低，其施工工艺虽然可以弥补采用回转正循环钻进所带来的诸多问题，但要将潜孔锤钻进工艺实际应用于城市松散层地下水监测井施工中，尚需解决如下问题：

2.1 管线安全问题

常规的回转正循环钻机在钻至安全深度前往往采取轻压、慢钻的方式，如突然出现钻机进尺变慢、有回声或异响，可以及时停钻进行检查，有效的避免破坏地下管线。由于潜孔锤钻机在钻进过程中向下产生较强的冲击力，在钻遇管线时，一旦施工人员处理不及时，就会导致管线安全事故的发生[5]。

2.2 环境污染问题

潜孔锤钻机在施工过程中虽然无需布设泥浆坑等辅助设施，对场地的扰动较小，但其在施工过程中，需要定时清理孔底残渣。清理时，残渣在高风压作用下，从井口喷出堆积在地表，与地下水一起混合成泥浆对地表环境造成污染。

2.3 井孔稳定问题

回转正循环钻机在施工过程中使用泥浆作为冲洗液，钻进过程中由于泥浆对孔壁产生静压力而形成泥皮，可以有效的防止孔壁垮塌。气动潜孔锤钻机由于是利用空气作为循环介质驱动孔底冲击器进行回转钻进，在钻遇砂层时，由于孔壁不稳定容易造成塌孔事故，影响施工进度。

3 大直径潜孔锤跟管钻进工艺

潜孔锤跟管钻进技术是将气动潜孔锤钻进的速度优势和套管护壁的井孔稳定优势相结合的一种钻进方法。钻进时，偏心钻头正转甩出偏心块，使其直径大于中心钻头直径，钻进的同时通过管靴带动套管同步跟进保护孔壁，防治孔壁掉块、垮塌。钻进结束时，通过钻杆反转使偏心块收回，再将偏心钻具从套管中取回。现针对上述施工难点，从项目实际出发，对气动潜孔锤跟管钻进机理加以分析，提出一种适用于城市松散层的大直径气动潜孔锤跟管钻进工艺，具体如下：

3.1 人工开挖探坑

监测井施工前，在井位处进行人工挖探，可以准确查明井位下方地下管线的具体埋设位置及深度，以便在钻探时进行合理的避让，避免管线安全事故的发生。另外，开挖形成的探坑可以用来储存井口残渣堆积物，防止排渣时泥浆飞溅，减小施工对环境的污染程度。

3.2 大直径跟管钻进

传统的潜孔锤钻机施工孔径一般在400 mm以下，其施工难点在于大直径潜孔锤施工造成的振动对周围地层影响很大，大量空气在地下对周边地层产生扰动。为避免此情况，本项目采用450 mm钢管进行全程跟管钻进，排渣时将气流束缚在套管内减少对周围地层的扰动和环境污染，钻至预定深度后，通过拔管器将套管拔出，随后下入200×9.6 mm的PVC-U管，进行填砾止水工作。