劉英昊，徐莉娜，張 濤，王麗丹，張曉晗，馬炳臣

(1.濰坊市水文中心，山東 濰坊 261061；2.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心昌邑管理站，山東 濰坊 261061；3.山東省地礦工程集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

近年來(lái)，隨著地下水監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的推進(jìn)，越來(lái)越多的地下水監(jiān)測(cè)井需要在城市內(nèi)建設(shè)。面對(duì)城市復(fù)雜的施工環(huán)境，如何進(jìn)行成井效率高、地面污染小、施工噪聲低、占地面積小的地下水監(jiān)測(cè)井施工一直是工程建設(shè)項(xiàng)目各參加方及政府監(jiān)管部門亟需研究解決的難題[1]。本文從濰坊市國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程(水利部分)建設(shè)實(shí)際出發(fā)，通過(guò)對(duì)氣動(dòng)潛孔錘的鉆進(jìn)機(jī)理進(jìn)行分析，提出一種適用于城市松散層的大直徑氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝，為解決城市地下水監(jiān)測(cè)井建設(shè)面臨的施工工期長(zhǎng)、交通壓力大、地面污染大等問(wèn)題提供了一種新的工作思路[2]。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目背景

城市地下水監(jiān)測(cè)是水環(huán)境監(jiān)控和保護(hù)的重要工作，承擔(dān)著服務(wù)城市發(fā)展、保障城市安全的雙重責(zé)任。國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程(水利部分)通過(guò)布設(shè)水文地質(zhì)鉆孔完成地下水監(jiān)測(cè)井施工，成井后修建地面保護(hù)設(shè)施，安裝地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，建立長(zhǎng)期觀測(cè)站點(diǎn)，形成地下水監(jiān)測(cè)體系，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)控地下水動(dòng)態(tài)變化、自動(dòng)生成各類圖表，為相關(guān)部門提供基礎(chǔ)水文地質(zhì)和水環(huán)境參數(shù)，為城市規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)和政府決策提供第一手資料。通過(guò)本項(xiàng)目的開展研究地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及地下水污染情況，提出治理對(duì)策，對(duì)保護(hù)城市用水安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 項(xiàng)目區(qū)概況

1.2.1 自然地理

項(xiàng)目區(qū)地處山東省中部，南倚沂山，北瀕渤海，東連青島、煙臺(tái)，西接淄博和東營(yíng)，膠濟(jì)鐵路、濟(jì)青高速橫貫東西，鐵路、公路、海運(yùn)、空運(yùn)通往四面八方，交通極為方便。區(qū)內(nèi)地形自南向北由高到低。南部為中低山丘陵區(qū)，地形起伏變化較大，從南向北逐漸由高變低一直延續(xù)到膠濟(jì)鐵路南側(cè)，一般地形標(biāo)高在海拔100～200 m以上。由此向北至萊州灣依次為沖積、洪積平原、濱海海積平原，地形平坦微向北傾斜，地形標(biāo)高一般在+4～+100 m。

1.2.2 地層巖性

項(xiàng)目區(qū)第四系主要由人工填土層和洪沖積層組成。洪沖積層以粉質(zhì)粘土、中砂、粗砂及礫砂為主?；鶐r自下而上劃分為古元古代荊山群、粉子山群、新元古代青白口-震旦紀(jì)土門群，古生代寒武紀(jì)長(zhǎng)清群、九龍群，中生代侏羅紀(jì)淄博群、白堊紀(jì)萊陽(yáng)群、青山群及白堊紀(jì)-古近紀(jì)王氏群，新生代古近紀(jì)五圖群，新近紀(jì)臨朐群。受沂沭斷裂帶的影響，各時(shí)代地層多呈斷塊或斷片形式分布[3-4]。

2 施工難點(diǎn)分析

根據(jù)地下水監(jiān)測(cè)類型劃分，項(xiàng)目區(qū)地下水監(jiān)測(cè)井可分為基巖裂隙水監(jiān)測(cè)井和松散層孔隙水監(jiān)測(cè)井兩類?；鶐r裂隙水監(jiān)測(cè)井多布設(shè)在城區(qū)以外且遠(yuǎn)離居民區(qū)的剝蝕丘陵地帶，地表基巖直接裸露或有薄層殘坡積覆蓋，地下無(wú)管線、管廊等市政設(shè)施，施工場(chǎng)地環(huán)境、條件較好，適合氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)成井。松散層孔隙水監(jiān)測(cè)井部分布設(shè)在城區(qū)主要街道兩側(cè)綠化帶內(nèi)，施工涉及到占用綠地、夜間擾民等問(wèn)題，地表多覆蓋一層1～2 m的雜填土，其下為粉質(zhì)粘土及砂層，大多數(shù)井位地下管線情況復(fù)雜，無(wú)法布設(shè)泥漿池。因此，常規(guī)的回轉(zhuǎn)正循環(huán)鉆進(jìn)無(wú)法滿足城市松散層孔隙水監(jiān)測(cè)井的施工需求，采用一種成井效率高、地面污染小、施工噪聲低、占地面積小的監(jiān)測(cè)井施工工藝是城市松散層地下水監(jiān)測(cè)井建設(shè)急需要解決的問(wèn)題。

氣動(dòng)潛孔錘是利用壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)孔底沖擊器進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的一種鉆探工藝，與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)正循環(huán)鉆進(jìn)相比，具有鉆進(jìn)效率高、成本低、無(wú)地層污染等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的潛孔錘工藝一般成孔孔徑較小，對(duì)雜填土、砂層等松散地層鉆進(jìn)效率較低，其施工工藝雖然可以彌補(bǔ)采用回轉(zhuǎn)正循環(huán)鉆進(jìn)所帶來(lái)的諸多問(wèn)題，但要將潛孔錘鉆進(jìn)工藝實(shí)際應(yīng)用于城市松散層地下水監(jiān)測(cè)井施工中，尚需解決如下問(wèn)題：

2.1 管線安全問(wèn)題

常規(guī)的回轉(zhuǎn)正循環(huán)鉆機(jī)在鉆至安全深度前往往采取輕壓、慢鉆的方式，如突然出現(xiàn)鉆機(jī)進(jìn)尺變慢、有回聲或異響，可以及時(shí)停鉆進(jìn)行檢查，有效的避免破壞地下管線。由于潛孔錘鉆機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中向下產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊力，在鉆遇管線時(shí)，一旦施工人員處理不及時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致管線安全事故的發(fā)生[5]。

2.2 環(huán)境污染問(wèn)題

潛孔錘鉆機(jī)在施工過(guò)程中雖然無(wú)需布設(shè)泥漿坑等輔助設(shè)施，對(duì)場(chǎng)地的擾動(dòng)較小，但其在施工過(guò)程中，需要定時(shí)清理孔底殘?jiān)?。清理時(shí)，殘?jiān)诟唢L(fēng)壓作用下，從井口噴出堆積在地表，與地下水一起混合成泥漿對(duì)地表環(huán)境造成污染。

2.3 井孔穩(wěn)定問(wèn)題

回轉(zhuǎn)正循環(huán)鉆機(jī)在施工過(guò)程中使用泥漿作為沖洗液，鉆進(jìn)過(guò)程中由于泥漿對(duì)孔壁產(chǎn)生靜壓力而形成泥皮，可以有效的防止孔壁垮塌。氣動(dòng)潛孔錘鉆機(jī)由于是利用空氣作為循環(huán)介質(zhì)驅(qū)動(dòng)孔底沖擊器進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，在鉆遇砂層時(shí)，由于孔壁不穩(wěn)定容易造成塌孔事故，影響施工進(jìn)度。

3 大直徑潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝

潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)是將氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)的速度優(yōu)勢(shì)和套管護(hù)壁的井孔穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)相結(jié)合的一種鉆進(jìn)方法。鉆進(jìn)時(shí)，偏心鉆頭正轉(zhuǎn)甩出偏心塊，使其直徑大于中心鉆頭直徑，鉆進(jìn)的同時(shí)通過(guò)管靴帶動(dòng)套管同步跟進(jìn)保護(hù)孔壁，防治孔壁掉塊、垮塌。鉆進(jìn)結(jié)束時(shí)，通過(guò)鉆桿反轉(zhuǎn)使偏心塊收回，再將偏心鉆具從套管中取回。現(xiàn)針對(duì)上述施工難點(diǎn)，從項(xiàng)目實(shí)際出發(fā)，對(duì)氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)機(jī)理加以分析，提出一種適用于城市松散層的大直徑氣動(dòng)潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝，具體如下：

3.1 人工開挖探坑

監(jiān)測(cè)井施工前，在井位處進(jìn)行人工挖探，可以準(zhǔn)確查明井位下方地下管線的具體埋設(shè)位置及深度，以便在鉆探時(shí)進(jìn)行合理的避讓，避免管線安全事故的發(fā)生。另外，開挖形成的探坑可以用來(lái)儲(chǔ)存井口殘?jiān)逊e物，防止排渣時(shí)泥漿飛濺，減小施工對(duì)環(huán)境的污染程度。

3.2 大直徑跟管鉆進(jìn)

傳統(tǒng)的潛孔錘鉆機(jī)施工孔徑一般在400 mm以下，其施工難點(diǎn)在于大直徑潛孔錘施工造成的振動(dòng)對(duì)周圍地層影響很大，大量空氣在地下對(duì)周邊地層產(chǎn)生擾動(dòng)。為避免此情況，本項(xiàng)目采用450 mm鋼管進(jìn)行全程跟管鉆進(jìn)，排渣時(shí)將氣流束縛在套管內(nèi)減少對(duì)周圍地層的擾動(dòng)和環(huán)境污染，鉆至預(yù)定深度后，通過(guò)拔管器將套管拔出，隨后下入200×9.6 mm的PVC-U管，進(jìn)行填礫止水工作。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

本文依托濰坊市國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程(水利部分)建設(shè)項(xiàng)目，以典型鉆孔為例進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析研究大直徑潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝在城市松散層地下水監(jiān)測(cè)井建設(shè)中的適用性。

試驗(yàn)孔位于濰坊市高新水文站院內(nèi)。根據(jù)地層資料，該監(jiān)測(cè)井第四系厚度17.20 m，含水層位于14.20～15.80 m，厚度1.60 m，巖性為粗砂。采用大直徑潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝成井后，進(jìn)行透水靈敏度試驗(yàn)(圖1)。

圖1 試驗(yàn)井透水靈敏度試驗(yàn)過(guò)程曲線

由圖1可知，向試驗(yàn)井內(nèi)注入1 m井管容積的水量，水位復(fù)原時(shí)間為4分30秒，滿足《地下水監(jiān)測(cè)規(guī)范》(SL183-2005)小于15分鐘的要求。因此，本工藝施工的監(jiān)測(cè)井滿足國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)井建設(shè)項(xiàng)目質(zhì)量要求。

5 結(jié)語(yǔ)

大直徑潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝，解決了城市復(fù)雜條件下監(jiān)測(cè)井的施工難題，該技術(shù)應(yīng)用于城市松散層監(jiān)測(cè)井施工中，具有成井效率高、地面污染小、施工噪聲低、占地面積小等特點(diǎn)，值得在后續(xù)監(jiān)測(cè)井施工項(xiàng)目中推廣。