複雜地質條件地區的降水井成井施工方法與流程

2023-10-31 22:00:12

本發明涉及降水井成井技術領域，具體來說涉及在地質條件複雜的地區進行降水井成井的施工方法。

背景技術：

我國長春市的伊通河在河道整治過程中，發現伊通河的地質主要由三套地層組成，上部為人工填土，中部為第四系粘性土及砂層，下部為白堊系泥巖，巖土性質變化不大。按其形成年代、成因類型及工程性質共劃分為6個主層5個亞層，其中，第②主層的第1層粉質粘土及第2層有機質粉質粘土已缺失，其他地層巖土特徵及基本分布規律，如圖1所示，現按鑽探揭露的先後順序分述如下：

第①主層為人工填土及地表水，其可分為如下幾層：

第1層：水，分布於池塘內，層厚1.70～4.00m，層底標高189.03～191.33m。

第2層：雜填土，近現代人工堆填，雜色～灰黑色，以粘性土為主，含小石塊、碎磚等。鬆散，稍溼，土質不均勻。層厚1.70～2.80m，層底標高192.02～193.54m。

第3層：素填土，近現代自然堆積，黑色，以粘性土為主，含植物根系。鬆散，稍溼，土質不均勻。層厚1.90～2.70m，層底標高191.86～192.79m。

第4層：雜填土，近現代人工堆填，灰～灰黑色，以淤泥為主，含有機質，夾大量石塊、碎磚等。鬆散，飽和，土質不均勻。分布於魚塘內，層厚0.50～3.30m，層底標高188.03～192.25m。

第③主層為粗砂，第四系衝積物，灰色，稍密～中密，以稍密為主，飽和，成分以石英、長石為主，粒徑以粗砂為主，下部為礫砂及角礫，從上至下顆粒逐漸變大，磨圓度較差，級配不良。分布不均勻，層厚1.10～4.10m，層底標高188.33～191.15m。

第④主層為泥質粉砂巖，白堊系沉積巖，全風化，以灰綠色泥質粉砂巖為主,夾紫紅色粉砂質泥巖，無規律性，互層狀構造，泥質～砂質結構。其中砂巖以石英長石為主，局部碎屑顆粒較大，結構基本破壞，大部分風化成砂狀、塊狀。泥巖主要成分為粘土礦物，結構基本破壞，大部分風化成硬塑粘土狀；該層膠結性差，手可捏碎，浸水及風乾後極易崩解，具軟化性。巖體質量基本等級為v級。全場均有分布，層厚2.10～3.70m，層底標高185.63～188.65m。

第⑤主層為粉砂質泥巖，白堊系沉積巖，強風化，以紫紅色泥巖為主,夾灰白色砂巖，無規律性，互層狀構造，泥質～砂質結構。其中泥巖主要成分為粘土礦物，結構大部分破壞，風化裂隙發育，巖芯呈短柱狀；粉砂巖以石英長石為主，局部碎屑顆粒較大，結構大部分破壞。該層膠結性差，螺旋鑽可鑽進，浸水及風乾後極易崩解，具軟化性，局部夾鈣質膠結硬質砂巖，緻密較堅硬。巖體質量基本等級為v級。全場均有分布，揭示層厚4.90～6.60m，層底標高179.03～182.65m。

第⑥主層為泥質粉砂巖，白堊系沉積巖，中風化，以灰綠色泥質粉砂巖為主，夾紫紅色粉砂質泥巖，無規律性，互層狀構造，砂質～泥質結構。其中砂巖以石英長石為主，局部碎屑顆粒較大，風化裂隙不發育；泥巖主要成分為粘土礦物，呈柱狀；泥質膠結，膠結性較差，浸水及風乾極易崩解，具軟化性，局部夾鈣質膠結硬質砂巖，緻密較堅硬。巖體基本質量等級為ⅴ級。未揭穿，揭露最大層厚13.00m。根據勘察結果，擬建工程場地沿線環境水主要為地表水及地下水，地表水為池塘水，地下水類型為孔隙潛水及白堊系基巖裂隙水。

進一步地，伊通河地質中的地表水、孔隙潛水、基巖裂隙水經勘察具有以下特性：

(1)地表水：受大氣降水及側向徑流補給，蒸發及側向徑流方式進行排洩。

(2)孔隙潛水：賦存於近現代人工填土(強透水層)、第四系粘性土層(弱透水層)及砂土層(強透水層)中。

(3)基巖裂隙水：主要賦存於全～強風化白堊系泥巖中，含水量不大，與第四系孔隙潛水有水力聯繫。

勘察期間為豐水期，地下初見水位為1.60～2.40m，標高為192.55～192.96；地下水穩定水位為1.50～2.20m，標高為193.03～193.13m，地表水標高193.03m。

值得注意的是，傳統成井工藝基本採用反循環鑽機一次性成井，然而，面對如前述伊通河的複雜地質條件，造成成井困難度高，僅採用單一工藝成井，不僅施工效率低落，亦附低成井成功率，從而有待提出一種適用於複雜地質條件地區的降水井成井施工方法。

技術實現要素：

鑑於上述情況，本發明提供一種複雜地質條件地區的降水井成井施工方法，通過在上部人工填土、中部為第四系粘性土及砂層的複雜地質中，採用反循環引孔，埋置鋼花管，並將鋼花管與孔壁的間隙用疏水石回填，施工至下部白堊系泥巖後採用潛孔錘繼續成孔，直至達到設計要求的降水井底標高，有效提高成井施工效率及成井成功率。

為實現上述目的，本發明採取的技術方案是提供一種複雜地質條件地區的降水井成井施工方法，所述地質條件包括人工填土形成的上部、第四系粘性土及砂層形成的中部以及白堊系泥巖形成的下部；其中，所述降水井成井施工方法的步驟包括：

施工準備步驟：在施工場地平整後，確認施工控制點；根據所述控制點測放井位點，並在不受打井影響的地段測量並設置永久性控制點；

反循環引孔步驟：移動引孔樁機到達指定樁位對中並調長螺旋鑽杆垂直度，使鑽杆垂直對準樁位中心；進行鑽孔，當鑽至設計深度時，在動力頭底面停留位置相應的鑽機塔身處作醒目標記，作為施工控制樁長的依據；當上一根樁施工完成後，重複以上步驟進行下一位置引孔；

鋼花管埋設步驟：在長螺旋鑽杆鑽孔過程中，使潛孔錘隨鑽杆旋轉而振動，進進而帶動預先套置於剛空氣潛孔錘外部的鋼花管，在進入巖層前，保持與潛孔錘同步跟進，以將鋼花管埋入引孔位置，並在鋼花管與引孔孔壁間的空隙用疏水細石填充；

衝鑽成孔步驟：先啟動所述螺杆空氣壓縮機，在氣壓達預設壓力時，潛孔錘隨旋轉振動，開動鑽機內外動力頭進行衝鑽；令所述鋼花管隨潛孔錘進尺而跟進至巖層後關閉外動力頭，跟管停止，內動力頭帶動潛孔錘繼續衝鑽入巖層至設計孔深；

清孔步驟：鑽孔達到設計孔深後，潛孔錘孔底通過氣壓清孔，以隨長螺旋鑽杆提升排除沉渣；經檢測孔深與沉渣厚度≤50mm滿足設計要求後停止。

本發明方法實施例中，在所述反循環引孔步驟中，對中所述引孔樁機時，引孔樁位定好後按設計要求在樁中心點上插一標杆。

本發明方法實施例中，在所述反循環引孔步驟中，調整所述鑽杆垂直度時，利用樁機塔身的前後和左右的垂直標杆檢查塔身導杆，校正位置，以使使鑽杆垂直對準樁位中心，確保垂直度小於1.0％引孔長度。

本發明方法實施例中，所述衝鑽成孔步驟中，所述外動力頭鑽設形成鑽孔的上部，所述內動力頭鑽設形成鑽孔的下部。

本發明方法實施例中，衝鑽過程中採用勻速慢進，遇阻力大時潛孔錘向上提升，提升距離約0.3至0.5m；再次隨旋轉振動衝擊進尺，孔深鑽至5至8m，提升螺旋杆排除鑽渣一次，鑽至孔深鑽至10m進行第二次排除鑽渣，繼續鑽孔至孔深達到設計要求。

本發明方法實施例中，在所述衝鑽成孔步驟中，鑽進參數包括採用330hp的空壓機，鑽進過程中採用12mpa的氣壓，進入巖石層的電流表參數值為220a，潛孔錘氣壓值2.41至3mpa。

本發明方法實施例中，在所述衝鑽成孔步驟中，所述空壓機的壓力達到12mpa時，利用氣壓清孔，以提升螺旋杆排除鑽渣的效率。

本發明方法實施例中，在所述清孔步驟中，當檢測沉渣厚度>50mm時，應將潛孔錘再次下入孔內進行第二次請孔，直到滿足實際要求。

本發明方法實施例中，所述清孔步驟中，所述潛孔錘頭端部設有排渣通道，鑿除的渣可利用壓力風為介質由排渣通道排到長螺旋鑽杆上，將長螺旋鑽杆提升，鑽出的渣就可直接排至孔外，完成鑽孔的清孔。

本發明方法實施例中，所述降水井的布置間為15至30m。

附圖說明

圖1是本發明施工方法的架構示意圖。

圖2是本發明降水井的施工深度與地質條件的對照示意圖。

圖3是本發明鋼花管的結構示意圖。

圖4是本發明降水井的平面剖視結構示意圖。

附圖標記與部件的對應關係如下：

鋼花管10；密目網11；鑽孔20；上部21；下部22；濾材30；水泵40；抽水管41。

具體實施方式

為利於對本發明的了解，以下結合附圖及實施例進行說明。

請配合參閱圖1至圖4所示，本發明複雜地質條件地區的降水井成井施工方法通過採用反循環引孔，埋置鋼花管，並將鋼花管與孔壁的間隙用疏水石回填，施工至下部白堊系泥巖後採用潛孔錘繼續成孔，直至達到設計要求的降水井底標高。藉此，通過將反循環施工、潛孔錘施工技術結合應用，同時採用改進的鋼花管作為技術連接的工藝，以提高成井施工效率及成井成功率。

如圖1所示，本發明降水井的布置間較佳為15至30m。如圖2所示，本發明的施工結構包括鋼花管10、鑽孔20、濾材30及水泵40，其中，所述鋼花管10如圖2、圖3、圖4所示，外部設有密目網11；所述鑽孔20包括上部21及下部22；所述水泵40設於鑽孔20的下部22，並通過抽水管41連通至降水井的井口外部。

本發明的具體施工方法的步驟包括採用空氣潛孔錘、螺杆空氣壓縮機、水泵、長螺旋鑽杆及鋼花管等裝置進行施工準備步驟、反循環引孔步驟、埋設鋼花管步驟、衝鑽成孔步驟及清孔步驟。

所述施工準備步驟具體包括：

1)在施工場地平整後進行施工放樣，放樣前覆核施工控制點，並在施工現場設立降水井施工工程的固定水準點，保護測量點位，並經常檢查，防止點位受損或其他原因造成的精度下降。

2)井點位置位使用gps放樣。

3)嚴格控制成井標高，每口井完成後均須作標高記錄。

4)根據控制點測放井位點，同時在不受打井影響的地段測量並設置兩個永久性控制點，用於施工過程中檢查校正軸線點或覆核井位。其中，施工軸線必須嚴格按設計坐標點引測，並經多次覆核後確認。施工現場軸線控制點位置應設在不受打井作業影響的地方，並加以保護。

5)根據設計的井位圖，按施工順序將井逐一編號。

通過所述施工準備步驟，對降水井井位的進行精確確認，以保證降水井間的間距，提高降水井的降水效果。

所述反循環引孔步驟具體包括：

1)將樁機就位對中，於引孔樁位定好後按設計要求在樁中心點上插一標杆，放好樁位後，移動引孔樁機到達指定樁位，對中，調整鑽杆垂直度。

2)將樁機就位後，利用樁機塔身的前後和左右的垂直標杆檢查塔身導杆，校正位置，使鑽杆垂直對準樁位中心，確保鑽杆的垂直度小於1.0％的引孔長度。經管理人員檢驗合格和進入下一道工序。

3)鑽孔開始時，先關閉鑽頭閥門，向下移動鑽杆至鑽頭觸及地面時，啟動馬達鑽進。較佳地，鑽機的轉速先慢後快，以減少鑽杆搖晃，並易於檢查鑽孔的偏差，以便及時糾正。在成孔過程中，如發現鑽杆搖晃或難以鑽入時，應放慢進尺，以避免導致鑽孔偏斜、位移，甚至損壞鑽杆、鑽具等情況。當鑽至設計深度時，在動力頭底面停留位置相應的鑽機塔身處作醒目標記，以作為施工控制樁長的依據。正式施工時，當動力頭底面到達標記處樁長既滿足設計要求。施工時還需考慮承臺高差，作相應增減。

4)當上一根樁施工完成後，重複以上步驟進行下一位置引孔。

由於潛孔錘在軟土地基施工時引起塌孔的概率過高，施工時一定要保證長螺旋引孔引至堅硬巖層。通過反循環引孔步驟，使長螺旋引孔保證垂直度，進一步地，在引孔至堅硬巖層後持續轉孔約3分鐘，以保證引孔引至堅硬巖層。

所述埋設鋼花管步驟具體包括：

在前述步驟形成的長螺旋引孔位置，將事前準備好的鋼花管埋置下去，並在鋼花管與引孔孔壁間的空隙用疏水細石填充。具體地，所述鋼花管可利用220挖掘機埋入引孔內。

於本發明實施例中，所述鋼花管外部還包覆有密目網。如圖3、圖4所示，顯示本發明鋼花管10的設有200目密目網11的結構示意圖；本發明鋼花管10的外徑較佳為200mm，所述長螺旋引孔的孔徑為400mm。

通過鋼花管埋設步驟，保證鋼花管的埋入垂直度及鋼花管的護壁及濾水作用。

所述衝鑽成孔步驟具體包括：

先啟動空氣壓縮機，當氣壓達到12mpa壓力時，潛孔錘形成隨旋轉振動，開動鑽機內外動力頭進行衝鑽。為防止偏孔，開孔時要採取慢速衝擊；同時需要一臺220挖掘機配合設置鋼套筒，鋼套管解決了井孔坍孔、卡鑽或埋鑽及上層濾水的問題。套管隨潛孔錘進尺而跟進至基巖面後關閉外動力頭，跟管停止，內動力頭帶潛孔錘繼續衝鑽入巖至設計孔深。

於本發明實施例中，如圖2所示，所述外動力頭鑽設形成所述鑽孔20的上部21，所述內動力頭鑽設形成所述鑽孔20的下部22；較佳地，所述鑽孔20上部21的孔徑為400mm，下部22的孔徑為150mm，其中鑽孔20在孔徑為400mm的上部21孔內埋設直徑為200mm鋼花管並於鑽孔20上部21的孔壁與鋼花管10之間設置濾材，鑽孔20下部22孔內因已經處於強風化白堊系沉積巖及中風化白堊系沉積巖中，故採取孔徑為150mm的裸孔集水及排水。

於本發明實施例中，所述衝鑽成孔步驟還包括：

衝鑽過程中採用勻速慢進，遇阻力大時潛孔錘向上提升，提升距離約0.3至0.5m；再次隨旋轉振動衝擊進尺，孔深鑽至5至8m，提升螺旋杆排除鑽渣一次，鑽至孔深鑽至10m進行第二次排除鑽渣，繼續鑽孔至孔深達到設計要求。

進一步地，在空壓機的壓力達到12mpa時，利用氣壓清孔2至3分鐘，以提升螺旋杆排除鑽渣的效率。

於本發明實施例中，鑽進參數包括：採用330hp的空壓機；鑽進過程中採用12mpa的氣壓；進入巖石層的電流表參數值為220a；潛孔錘氣壓值2.41至3mpa。此外，鑽進過程中禁止移動鑽機，要保持機架的穩定；孔深及孔底沉渣經檢驗符合要求後終孔。

於本發明實施例中，通過採用空氣潛孔錘、螺杆空氣壓縮機、水泵、長螺旋鑽杆及鋼花管實現所述反循環引孔步驟、所述鋼花管埋設步驟及衝鑽成孔步驟。具體地，本發明採用的空氣潛孔錘的鑽機型號為mz150；本發明採用的螺杆空氣壓縮機的型號為lt—175a，容積流量20m3/min，數量一臺，以滿足鑿巖、排渣清孔的需要；所述水泵的數量為兩臺，功率為3kw；所述長螺旋鑽杆用於提升排渣，將鑽孔產生的渣由潛孔錘排渣孔排出；所述鋼花管用以在反循環引孔步驟及衝鑽成孔步驟之間起到良好的護壁作用及濾水作用，除了防止卡鑽、埋鑽和提高鑽進效率外，同時能連接兩種降水井成井工藝。

更具體地，在鋼花管進入巖層前，應保持潛孔錘與鋼花管的同步跟進，並且要進行1～2次提拔長螺旋鑽杆排渣清孔，尤其是在大塊徑砂卵石層尤為重要；鋼花管的入巖深度要應控制在最大進入巖石層20cm的範圍內，以減少鋼花管和巖壁的摩擦，也可延長鋼花管鑽頭的使用壽命。並在鋼花管埋設完成後，及時填充如疏水細砂等濾料。

通過所述衝鑽成孔步驟，潛孔錘引孔經及時調整空氣壓縮機氣壓，從而避免因氣壓過大引起的塌孔現象。

所述清孔步驟具體包括：

鑽孔達到設計孔深後潛孔錘孔底通過氣壓清孔2-3分鐘隨螺旋杆提升排除沉渣，經檢測孔深與沉渣厚度≤50mm滿足設計要求後停止。當檢測沉渣厚度>50mm時，應將潛孔錘再次下入孔內進行第二次請孔，直到滿足實際要求。

具體地，在鑽機潛孔錘頭端部設有排渣通道，鑿除的渣可利用壓力風為介質由排渣通道排到長螺旋鑽杆上，將長螺旋鑽杆提升，鑽出的渣就可直接排至孔外，完成鑽孔的清孔，通過高壓高速壓力風的清理後，孔底被清理乾淨，不存在沉渣。

本發明複雜地質條件地區的降水井成井施工方法，通過在上部人工填土、中部為第四系粘性土及砂層的複雜地質中，採用反循環引孔，埋置鋼花管，並將鋼花管與孔壁的間隙用疏水石回填，施工至下部白堊系泥巖後採用潛孔錘繼續成孔，直至達到設計要求的降水井底標高，有效提高成井施工效率及成井成功率。

此外，本發明降水井成井施工方法在現場實施時，通過提前準備好反循環引孔及鋼花管與潛孔錘兩種機械形式，經合理安排施工工序，實現避免引孔後時間間隙過程引起塌孔，兩種工藝的銜接應合理及時。

以上結合附圖及實施例對本發明進行了詳細說明，本領域中普通技術人員可根據上述說明對本發明做出種種變化例。因而，實施例中的某些細節不應構成對本發明的限定，本發明將以所附權利要求書界定的範圍作為本發明的保護範圍。