鉆井法與凍結(jié)法鑿井淺析

趙智慧 張艷妮 高云龍

摘要:地層凍結(jié)法和鉆井法是深厚表土不穩(wěn)定含水地層中施工井筒的有效方法,文章首先介紹了鉆井法與凍結(jié)法鑿井,然后從技術(shù)和常見問題兩方面進(jìn)行了對(duì)比。

關(guān)鍵詞:鉆井法;地層凍結(jié)法;鑿井技術(shù);打井不下井;鉆井性能

中圖分類號(hào):TD352文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)10-0164-02

一、鉆井法與凍結(jié)法鑿井簡(jiǎn)介

(一)鉆井鑿井法

鉆井法是用鉆頭破碎巖石,用洗井液進(jìn)行洗井排渣和護(hù)壁,當(dāng)井筒鉆至設(shè)計(jì)直徑和深度以后,在洗井液中進(jìn)行支護(hù)的機(jī)械化鑿井方法。鉆井法實(shí)現(xiàn)了全部鑿井工序在地面進(jìn)行,大大減輕鑿井工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,工作安全,施工質(zhì)量好。鉆井法已有百余年的歷史,我國(guó)于1969年首次采用鉆井法鉆鑿煤礦立井獲得成功。鉆井法鑿井技術(shù)可應(yīng)用于任何地層。但就其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益來看,目前仍以鉆進(jìn)表土底層時(shí)效果最佳。

(二)凍結(jié)鑿井法

立井凍結(jié)鑿井是利用傳統(tǒng)的氨循環(huán)制冷技術(shù)來完成的。它是在井筒開挖之前,用人工制冷的方法,將井筒周圍含水地層凍結(jié)成一個(gè)封閉的不透水的帷幕——凍結(jié)壁,用于抵抗地壓、水壓,隔絕地下水與井筒之間的聯(lián)系。而后,在其保護(hù)下進(jìn)行掘砌施工。為形成凍結(jié)壁,首先在欲開挖井筒的周圍打一定數(shù)量的凍結(jié)孔,孔內(nèi)安裝凍結(jié)器。低溫鹽水在凍結(jié)器中流動(dòng),吸收其周圍地層之熱量,形成凍結(jié)圓柱。凍結(jié)圓柱逐漸擴(kuò)大并連接成封閉的凍結(jié)壁,直至達(dá)到其設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度為止。然后在其保護(hù)下進(jìn)行掘砌施工,以便安全穿過含水地層。

二、鉆井法與凍結(jié)法鑿井技術(shù)對(duì)比

鉆井法鑿井具有打井不下井的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),是一種勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全可靠的井筒先進(jìn)施工方法,技術(shù)水平發(fā)展很快。僅僅幾年時(shí)間,就從僅能施工幾十米的小型井筒發(fā)展到90年代采用國(guó)產(chǎn)煤礦專用大型鉆機(jī),施工鉆井Φ9.3m,深500m左右的深大井筒,在鉆進(jìn)工藝、破巖刀具、鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)、泥漿臨時(shí)支護(hù)井幫,以及井筒支護(hù)技術(shù)等方面,取得了迅速的進(jìn)步,實(shí)現(xiàn)了全套設(shè)備國(guó)產(chǎn)化,全部工序機(jī)械化,綜合技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

凍結(jié)法施工其主要的技術(shù)包括冷凍站的安裝、鉆孔的施工、井筒凍結(jié)、井筒掘砌,在復(fù)雜和特殊地層施工中具有很大的優(yōu)越性:

1.適應(yīng)性強(qiáng)。它適應(yīng)于各種復(fù)雜地質(zhì)及水文地質(zhì)條件下的任何含水地層的土層加固,并且基本不受基坑形式、平面尺寸和深度的影響。

2.支護(hù)結(jié)構(gòu)靈活、易控制?？筛鶕?jù)不同地質(zhì)條件、環(huán)境及場(chǎng)地條件靈活布置凍結(jié)孔、調(diào)節(jié)冷媒水的溫度,從而獲得高質(zhì)量的凍土帷幕,特殊情況下還可以采用液氮進(jìn)行快速搶險(xiǎn),與鹽溶液人工凍結(jié)法相比,液氮人工凍結(jié)法具有溫度低、凍結(jié)速度快、凍結(jié)強(qiáng)度高、無污染等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)可通過地溫監(jiān)測(cè)指導(dǎo)施工,符合現(xiàn)代信息化施工的要求。

3.隔水性好。它本身就是地下水的控制系統(tǒng),防滲性能是其它施工方法無法相比的。

4.對(duì)環(huán)境影響小。它充分利用土體自身的特點(diǎn),材料是土體本身,對(duì)地下水及周圍環(huán)境無污染,凍結(jié)壁解凍后,凍結(jié)管可回收,地下土層恢復(fù)原狀,對(duì)地下工程較為有利。

三、鉆井法與凍結(jié)法鑿井常見問題

(一)鉆井法鑿井常見問題

1.在鉆鑿第四系厚粘土地段時(shí),由于其具有縮水膨脹、超細(xì)顆粒極易分散、粘結(jié)力特別強(qiáng)等特點(diǎn),所以易出現(xiàn)泥包鉆頭現(xiàn)象。

2.成井偏斜率大,影響井筒端面利用率,以致于影響整個(gè)鑿井的成敗。

3.鉆頭在通過破碎或不穩(wěn)定底層后,如果泥漿質(zhì)量較差、井內(nèi)漿液平面較低,巖幫將會(huì)失穩(wěn),在泥漿臨時(shí)護(hù)壁作用薄弱處將會(huì)突破缺口而掉入井內(nèi),造成卡鉆事故。

4.鉆井井壁結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)理論均難以滿足設(shè)計(jì)與施工要求,造成井壁塌陷等重大事故的發(fā)生。

5.在鉆井過程中,由于設(shè)計(jì)、加工、使用和管理等方面的原因,常常發(fā)生鉆頭、刀盤、滾刀、吸收器及風(fēng)管等物意外掉落井內(nèi),若不及時(shí)打撈,輕則影響鉆井工程的繼續(xù)進(jìn)行,重則使已經(jīng)完成的鉆井工程全部報(bào)廢。

6.在不穩(wěn)定地層中、松散的流沙及砂礫層中易出現(xiàn)塌幫。在個(gè)別地層中由于其化學(xué)成份有時(shí)可以迅速破壞泥漿質(zhì)量,而又未及時(shí)調(diào)整,亦會(huì)導(dǎo)致塌幫。

(二)凍結(jié)法鑿井常見問題

1.在凍結(jié)鉆孔施工中,鉆機(jī)性能跟不上要求,不能滿足深凍結(jié)孔施工要求,以致影響工期。

2.掘進(jìn)段高是指掘進(jìn)段未經(jīng)支護(hù)的高度。由于影響段高的因素較多,沒有成熟的理論,目前只能采用工程類比法,按施工經(jīng)驗(yàn)選取。

3.深厚膨脹性黏土層的凍結(jié)外壁發(fā)生破壞在國(guó)內(nèi)凍結(jié)井施工中是一種較為普遍的現(xiàn)象,也是困擾國(guó)內(nèi)建井界的棘手問題。究其原因,有以下幾個(gè)方面:(1)對(duì)地層土體性質(zhì)掌握不全面,尤其是含有膨脹性礦物的地層;(2)凍結(jié)壁強(qiáng)度低,黏土蠕變膨脹擠裂外層井壁;(3)低溫下混凝土早期強(qiáng)度低,在其未達(dá)到最終強(qiáng)度前井壁破裂;(4)因凍結(jié)壁形狀不規(guī)則和厚度不同等造成凍脹力不均勻以及在掘砌過程中,由于凍結(jié)壁流變量的不均勻,造成砌筑外壁前凍結(jié)壁凍脹量釋放不均勻,致使作用在外壁上的凍脹力不均勻。

4.在凍結(jié)井筒掘進(jìn)中,凍結(jié)管斷裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。近年來,由于凍結(jié)深度逐年增加,遇到厚粘土層的機(jī)會(huì)越來越多,凍結(jié)管斷裂的現(xiàn)象也就會(huì)越來越嚴(yán)重。

四、結(jié)論

通過對(duì)兩種鑿井法的比較可知,兩種鑿井法各有利弊,所以不能簡(jiǎn)單地?cái)嘌阅姆N鑿井法更為有利。實(shí)踐中要結(jié)合各地層的具體情況,合理地使用兩種鑿井法。凍結(jié)法、鉆井法在深厚表土層中建鑿井筒時(shí)廣泛應(yīng)用,凍結(jié)法還應(yīng)用到建設(shè)斜井、城市地下鐵道、過江隧道的引道工程,鉆井法不只開鑿井筒,在高層建筑樁基礎(chǔ)、大橋墩樁、高架公路基墩工程中也廣泛應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介:趙智慧(1987-),男,山西晉中人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院06級(jí)土木工程專業(yè)學(xué)生,研究方向:礦山與地下工程方向;張艷妮(1988-),女,陜西西安人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院06級(jí)學(xué)生,研究方向:建筑環(huán)境與設(shè)備工程;高云龍(1988-),男,四川綿陽人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院06級(jí)學(xué)生,研究方向:建筑環(huán)境與設(shè)備工程。