淺表回填及巖溶破碎層地埋管鉆探施工技術

賈玉川，陳 浩，趙華宣，曾遠明，湯自華，王 虎

（1.貴州省地質礦產勘查開發局114地質大隊，貴州遵義563000；2.貴州省地質礦產勘查開發局111地質大隊，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）建筑物空調節能技術，地埋管系統大多沿建筑物周邊臨時空地布設并實施相當數量地埋管以獲得滿足需求的淺層地熱資源。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、淺表層巖溶發育、第四系覆蓋層薄的貴州巖溶山區[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，地埋管系統布設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構回填層和軟弱巖溶破碎帶，孔壁垮塌及掉塊嚴重、成孔困難至不能成孔，嚴重影響工程進度和鉆進高成本、甚至影響周邊建筑物安全。在工程實施中采用鉆進與跟管護壁同步的偏心潛孔錘跟管鉆進技術，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壁問題，提高了鉆進效率和成孔質量、降低鉆進成本，對同類地層地埋管鉆探施工具有參考意義。

1 工程概況

貴州仁懷某在建項目，位于仁懷市鹽津街道周林學校正西邊、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，采用地源熱泵空調系統。地埋管工程沿在建建筑物周邊場地布設，孔內雙U管連接、間距4m×4m、有效深度120m、鉆孔直徑大于130mm，實施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、下部為巖溶發育及局部軟弱破碎的婁山關群白云巖，地埋管成孔施工淺表層鉆遇不同厚度的松散無結構回填層及軟弱巖溶破碎帶（19個鉆孔厚度達8～22m），孔壁極不穩定、坍塌掉塊嚴重，護壁管不到位及不能下入致后續工藝無法進行，厚度較小鉆孔可采用常規工藝強鉆后下管護壁，厚度較大鉆孔常規工藝無“快、好、省”的護壁措施而孔壁垮塌嚴重不能成孔，嚴重影響工程進度和鉆進高成本，需采取有效鉆探施工技術解決厚度較大淺表回填及巖溶破碎層孔壁垮塌護壁問題，以提高成孔質量和鉆進效率和降低鉆進成本。

2 地層結構特征

建筑場地受地形地貌影響進行不同程度開挖回填，場內表層松散無結構回填層厚度大多為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婁山關群（∈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巖溶裂隙發育、局部軟弱巖溶破碎（個別軟弱巖溶破碎厚度達22m）、下部溶洞發育，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）。地埋管鉆孔地層結構特征見表1。

表1 地埋管鉆孔揭露地層結構特征表

3 偏心潛孔錘跟管鉆探施工技術

鑒于地埋管施工場地淺表層為厚度各異的松散無結構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工藝強鉆后下管護壁，對地下室剪力墻附近和松散軟弱層厚度較大（大于3.0m）、孔壁垮塌嚴重不能成孔鉆孔采用鉆進與跟管護壁同步的偏心潛孔錘跟管鉆進技術[5]，隨鉆跟管護壁。

3.1 鉆孔結構和鉆進工藝。

根據設計孔徑不小于?130mm要求，結合淺表松散無結構回填層和局部軟弱巖溶破碎帶護壁需求，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）護壁進入穩定地層1.0～2.0m，換?140mm孔徑空氣潛孔錘裸眼鉆進。

3.2 設備機具配置

（1）鉆機：結合地埋管快速移孔和規模施工要求，使用張家口市宣化正遠鉆采機械有限公司生產的頂驅式全液壓水井鉆機SL-400/600鉆機4臺套（鉆孔深度400/600m、鉆孔直徑105～305mm、最大扭矩7700Nm、轉速80～160r/min）。

（2）空壓機：根據偏心潛孔錘跟管鉆進能力和松散回填層漏風對供風量需求，使用自有的美國壽力移動式螺桿空壓機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械有限公司生產的“SPM350-140-168高風壓偏心潛孔錘（擴孔直徑?180mm、耗風量8.5～25m3/min、轉速小于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

（1）施工工藝流程：鉆孔定位→鉆機調平→偏心潛孔錘跟管鉆具組裝→鉆具與鉆機動力頭接頭連接→送風正轉→鉆機加壓/偏心潛孔錘跟管鉆進護壁→反轉起出偏心潛孔錘。

（2）施工技術：鉆機定位調平后，將組裝好的偏心潛孔錘跟管鉆具經導正補芯與鉆機動力頭接頭連接，后啟動空壓機送風正轉使偏心鉆頭滑塊甩出（擴大成孔直徑），緩慢加壓鉆進，無問題后正常鉆壓鉆進，套管隨孔深加接，快速通過回填層后進入穩定巖層1.0～2.0m，慢慢反鉆起出偏心潛孔錘鉆具及套管留在孔內護壁，換?140mm錘頭鉆頭通過套管管靴中心孔繼續鉆進至設計孔深。

（3）鉆進參數。

①鉆壓：從偏心潛孔錘碎巖原理看，巖石主要是靠沖擊動載作用破碎，鉆壓只是確保沖擊功率發揮作用的輔助力，施工中鉆壓以沖擊器工作時不產生反跳為宜，鉆壓過大會加速鉆頭磨損[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、穩定巖層1.2～1.4MPa。

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

③風壓：偏心潛孔錘的沖擊頻率和沖擊功與風壓密切相關，鉆進中孔淺及孔內無水，因風量偏大、管路損失大，鉆進中風壓在0.7～0.9MPa。

④轉速：為空氣潛孔錘的沖擊功有效傳遞到孔底，鉆具轉數按偏心潛孔錘的沖擊頻率和鉆進巖層性質確定，調柴油機油門控制轉速25～30r/min。

3.4 施工注意事項

（1）隨鉆跟管套管強度應遠高于普通護壁管，一般使用剛級42CrMo、壁厚10mm以上，以防沖擊震動和轉動擠壓變形。

（2）套管絲扣應連接緊密，防沖擊斷脫扣事故。

（3）套管絲扣應采用反扣，防跟管鉆進時絲扣松脫。

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

（5）關風時要慢慢關閉，閉風過快容易產生倒吸現象，砂石吸入卡死沖擊器。

（6）嚴禁在套管內開正轉，因鉆頭甩出后擠夾套管內壁，并打壞套管。

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

4 偏心潛孔錘跟管鉆進效果

在地埋管淺表回填層及軟弱巖溶層成孔施工中，起初采用常規的三葉PDC鉆頭清水強鉆后下管護壁鉆進，因孔壁極不穩定、坍塌掉塊嚴重，均發生護壁管不到位至不能下入致后續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起管（擴孔下）護壁、厚度大于3.0m鉆孔成孔困難至不能成孔，護壁管下入消耗大量人力物力，致鉆進效率低及成本高，后在厚度大于3.0m鉆孔采用偏心潛孔錘跟管護壁鉆進，節省大量人力物力和有效解決提高鉆進效率、降低鉆進成本。常規工藝強下管護壁與偏心潛孔錘跟管護壁效果見表2。

表2 常規工藝強鉆下管護壁與偏心潛孔錘跟管鉆進護壁效果表

5 結論

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

（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實現隨鉆護壁，有效解決孔松散、軟弱巖溶破碎地層護壁問題，避免孔壁垮塌不能成孔及其誘引發安全風險。

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