淺表回填及巖溶破碎層地埋管鉆探施工技術(shù)

賈玉川，陳 浩，趙華宣，曾遠(yuǎn)明，湯自華，王 虎

（1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì)，貴州遵義563000；2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊(duì)，貴州貴陽550008）

地埋管地源熱泵廣泛用于舊建筑物能源改造和在建（新建）建筑物空調(diào)節(jié)能技術(shù)，地埋管系統(tǒng)大多沿建筑物周邊臨時(shí)空地布設(shè)并實(shí)施相當(dāng)數(shù)量地埋管以獲得滿足需求的淺層地?zé)豳Y源。在以溶蝕作用為地貌成因、碳酸鹽巖大面積出露、第四系厚度薄、淺表層巖溶發(fā)育、第四系覆蓋層薄的貴州巖溶山區(qū)[1-3]，受地形地貌制約，建筑物場地均存在不同程度開挖回填，地埋管系統(tǒng)布設(shè)場地地面以下淺表層均有厚度不一的開挖回填（破碎）層和巖溶破碎地層，地埋管淺表層成孔施工中常遇松散無結(jié)構(gòu)回填層和軟弱巖溶破碎帶，孔壁垮塌及掉塊嚴(yán)重、成孔困難至不能成孔，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和鉆進(jìn)高成本、甚至影響周邊建筑物安全。在工程實(shí)施中采用鉆進(jìn)與跟管護(hù)壁同步的偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)，有效解決和避免了淺表松散回填層及軟弱巖溶破碎帶孔壁垮塌護(hù)壁問題，提高了鉆進(jìn)效率和成孔質(zhì)量、降低鉆進(jìn)成本，對同類地層地埋管鉆探施工具有參考意義。

1 工程概況

貴州仁懷某在建項(xiàng)目，位于仁懷市鹽津街道周林學(xué)校正西邊、距鹽津河250～500m。房物建筑面積55111.3m2，地上四層、地下1層，供熱及制冷面積46861.3m2，采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。地埋管工程沿在建建筑物周邊場地布設(shè)，孔內(nèi)雙U管連接、間距4m×4m、有效深度120m、鉆孔直徑大于130mm，實(shí)施653鉆孔（深度120～134m）、總延米81182m。地埋管場地為新建開挖回填，表層為厚度不一松散回填物、下部為巖溶發(fā)育及局部軟弱破碎的婁山關(guān)群白云巖，地埋管成孔施工淺表層鉆遇不同厚度的松散無結(jié)構(gòu)回填層及軟弱巖溶破碎帶（19個(gè)鉆孔厚度達(dá)8～22m），孔壁極不穩(wěn)定、坍塌掉塊嚴(yán)重，護(hù)壁管不到位及不能下入致后續(xù)工藝無法進(jìn)行，厚度較小鉆孔可采用常規(guī)工藝強(qiáng)鉆后下管護(hù)壁，厚度較大鉆孔常規(guī)工藝無“快、好、省”的護(hù)壁措施而孔壁垮塌嚴(yán)重不能成孔，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和鉆進(jìn)高成本，需采取有效鉆探施工技術(shù)解決厚度較大淺表回填及巖溶破碎層孔壁垮塌護(hù)壁問題，以提高成孔質(zhì)量和鉆進(jìn)效率和降低鉆進(jìn)成本。

2 地層結(jié)構(gòu)特征

建筑場地受地形地貌影響進(jìn)行不同程度開挖回填，場內(nèi)表層松散無結(jié)構(gòu)回填層厚度大多為0.5～2.0m，地下室剪力墻附近2.5～4.0m，以下為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群（∈2-3Ls）灰、淺灰色薄至中厚層狀白云巖，在巖溶、斷層作用下0.5～5m巖溶裂隙發(fā)育、局部軟弱巖溶破碎（個(gè)別軟弱巖溶破碎厚度達(dá)22m）、下部溶洞發(fā)育，受溶蝕和鹽津河深切割影響地下水埋深大[4]（地埋管深度無水）。地埋管鉆孔地層結(jié)構(gòu)特征見表1。

表1 地埋管鉆孔揭露地層結(jié)構(gòu)特征表

3 偏心潛孔錘跟管鉆探施工技術(shù)

鑒于地埋管施工場地淺表層為厚度各異的松散無結(jié)構(gòu)回填層和局部軟弱巖溶破碎帶，松散軟弱層厚度較小鉆孔采用常規(guī)工藝強(qiáng)鉆后下管護(hù)壁，對地下室剪力墻附近和松散軟弱層厚度較大（大于3.0m）、孔壁垮塌嚴(yán)重不能成孔鉆孔采用鉆進(jìn)與跟管護(hù)壁同步的偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)[5]，隨鉆跟管護(hù)壁。

3.1 鉆孔結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)工藝。

根據(jù)設(shè)計(jì)孔徑不小于?130mm要求，結(jié)合淺表松散無結(jié)構(gòu)回填層和局部軟弱巖溶破碎帶護(hù)壁需求，淺表層鉆孔直徑?180mm（地層松散、軟弱異性）孔徑，偏心潛孔錘跟管（?168mm）護(hù)壁進(jìn)入穩(wěn)定地層1.0～2.0m，換?140mm孔徑空氣潛孔錘裸眼鉆進(jìn)。

3.2 設(shè)備機(jī)具配置

（1）鉆機(jī)：結(jié)合地埋管快速移孔和規(guī)模施工要求，使用張家口市宣化正遠(yuǎn)鉆采機(jī)械有限公司生產(chǎn)的頂驅(qū)式全液壓水井鉆機(jī)SL-400/600鉆機(jī)4臺(tái)套（鉆孔深度400/600m、鉆孔直徑105～305mm、最大扭矩7700Nm、轉(zhuǎn)速80～160r/min）。

（2）空壓機(jī)：根據(jù)偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)能力和松散回填層漏風(fēng)對供風(fēng)量需求，使用自有的美國壽力移動(dòng)式螺桿空壓機(jī)1070XH或英格索蘭XHP1070（額定排氣壓力2.41MPa，額定排氣量30.3m3/min）。

（3）偏心潛孔錘跟管鉆具：使用張家口市宣化蘇普曼鉆潛機(jī)械有限公司生產(chǎn)的“SPM350-140-168高風(fēng)壓偏心潛孔錘（擴(kuò)孔直徑?180mm、耗風(fēng)量8.5～25m3/min、轉(zhuǎn)速小于30r/min）”＋?140mm球齒偏心鉆頭（滑出最大直徑190mm）+?168mm套管。

（4）鉆桿：使用直徑?89mm外平鉆桿、鉆桿長度3m。

3.3 施工工藝技術(shù)

（1）施工工藝流程：鉆孔定位→鉆機(jī)調(diào)平→偏心潛孔錘跟管鉆具組裝→鉆具與鉆機(jī)動(dòng)力頭接頭連接→送風(fēng)正轉(zhuǎn)→鉆機(jī)加壓/偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)護(hù)壁→反轉(zhuǎn)起出偏心潛孔錘。

（2）施工技術(shù)：鉆機(jī)定位調(diào)平后，將組裝好的偏心潛孔錘跟管鉆具經(jīng)導(dǎo)正補(bǔ)芯與鉆機(jī)動(dòng)力頭接頭連接，后啟動(dòng)空壓機(jī)送風(fēng)正轉(zhuǎn)使偏心鉆頭滑塊甩出（擴(kuò)大成孔直徑），緩慢加壓鉆進(jìn)，無問題后正常鉆壓鉆進(jìn)，套管隨孔深加接，快速通過回填層后進(jìn)入穩(wěn)定巖層1.0～2.0m，慢慢反鉆起出偏心潛孔錘鉆具及套管留在孔內(nèi)護(hù)壁，換?140mm錘頭鉆頭通過套管管靴中心孔繼續(xù)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。

（3）鉆進(jìn)參數(shù)。

①鉆壓：從偏心潛孔錘碎巖原理看，巖石主要是靠沖擊動(dòng)載作用破碎，鉆壓只是確保沖擊功率發(fā)揮作用的輔助力，施工中鉆壓以沖擊器工作時(shí)不產(chǎn)生反跳為宜，鉆壓過大會(huì)加速鉆頭磨損[6]并致孔斜，鉆壓在地層松散回填和軟弱巖溶層控制在0.8～1.0MPa、穩(wěn)定巖層1.2～1.4MPa。

②風(fēng)量：根據(jù)選用空壓機(jī)和偏心潛孔錘性能，合理確定風(fēng)量，從回填松散層漏風(fēng)需增大供風(fēng)及和施工成本考濾選擇自有空壓機(jī)，排氣量30.3m3/min（偏大）。

③風(fēng)壓：偏心潛孔錘的沖擊頻率和沖擊功與風(fēng)壓密切相關(guān)，鉆進(jìn)中孔淺及孔內(nèi)無水，因風(fēng)量偏大、管路損失大，鉆進(jìn)中風(fēng)壓在0.7～0.9MPa。

④轉(zhuǎn)速：為空氣潛孔錘的沖擊功有效傳遞到孔底，鉆具轉(zhuǎn)數(shù)按偏心潛孔錘的沖擊頻率和鉆進(jìn)巖層性質(zhì)確定，調(diào)柴油機(jī)油門控制轉(zhuǎn)速25～30r/min。

3.4 施工注意事項(xiàng)

（1）隨鉆跟管套管強(qiáng)度應(yīng)遠(yuǎn)高于普通護(hù)壁管，一般使用剛級42CrMo、壁厚10mm以上，以防沖擊震動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)擠壓變形。

（2）套管絲扣應(yīng)連接緊密，防沖擊斷脫扣事故。

（3）套管絲扣應(yīng)采用反扣，防跟管鉆進(jìn)時(shí)絲扣松脫。

（4）嚴(yán)防潛孔錘堵塞:加接鉆桿時(shí)將鉆桿吹干凈，防止砂土、巖鐵屑等雜物進(jìn)入潛孔錘腔體內(nèi)，堵塞氣道及卡死活塞。

（5）關(guān)風(fēng)時(shí)要慢慢關(guān)閉，閉風(fēng)過快容易產(chǎn)生倒吸現(xiàn)象，砂石吸入卡死沖擊器。

（6）嚴(yán)禁在套管內(nèi)開正轉(zhuǎn)，因鉆頭甩出后擠夾套管內(nèi)壁，并打壞套管。

（7）反轉(zhuǎn)回收起出偏心潛孔錘鉆具前應(yīng)排渣2～3min，待孔內(nèi)清潔后再回收鉆頭，反轉(zhuǎn)不宜過猛，以免將鉆具反脫在孔內(nèi)。

4 偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)效果

在地埋管淺表回填層及軟弱巖溶層成孔施工中，起初采用常規(guī)的三葉PDC鉆頭清水強(qiáng)鉆后下管護(hù)壁鉆進(jìn)，因孔壁極不穩(wěn)定、坍塌掉塊嚴(yán)重，均發(fā)生護(hù)壁管不到位至不能下入致后續(xù)工藝不能正常開展情況?；靥钴浫鯇雍穸容^小鉆孔還可采用反復(fù)起管（擴(kuò)孔下）護(hù)壁、厚度大于3.0m鉆孔成孔困難至不能成孔，護(hù)壁管下入消耗大量人力物力，致鉆進(jìn)效率低及成本高，后在厚度大于3.0m鉆孔采用偏心潛孔錘跟管護(hù)壁鉆進(jìn)，節(jié)省大量人力物力和有效解決提高鉆進(jìn)效率、降低鉆進(jìn)成本。常規(guī)工藝強(qiáng)下管護(hù)壁與偏心潛孔錘跟管護(hù)壁效果見表2。

表2 常規(guī)工藝強(qiáng)鉆下管護(hù)壁與偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)護(hù)壁效果表

5 結(jié)論

（1）偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)對松散回填及軟弱巖溶破碎淺表層成孔是合理的鉆進(jìn)技術(shù)。

（2）在松散回填及軟弱巖溶破碎層地埋管成孔施工，偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)實(shí)現(xiàn)隨鉆護(hù)壁，有效解決孔松散、軟弱巖溶破碎地層護(hù)壁問題，避免孔壁垮塌不能成孔及其誘引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3）偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)對提高松散回填、軟弱巖溶破碎地層鉆進(jìn)效率和降低鉆進(jìn)成本效果明顯，對縮短項(xiàng)目建設(shè)工期和降低建設(shè)成本有重要作用，對同類地層地埋管鉆探施工有參考意義。