地面沉降監測孔施工工藝及要點

蔡正水

（安徽省地質礦產勘查局313地質隊，安徽六安237010）

地面沉降監測孔施工工藝及要點

蔡正水*

（安徽省地質礦產勘查局313地質隊，安徽六安237010）

地面沉降監測孔，分基巖標孔和分層標孔2種類型，是監測地面沉降的重要手段。基巖標孔施工難度大、監測精度高、壽命長，為此，以南通市通州區環本農場基巖標為實例，介紹了基巖標的施工流程、特點及保質措施。

基巖標；施工工藝；保質措施

南通市位于江蘇省南部，臨近東海，人口較多，經濟較發達，都市化程度高，對全省經濟發展具有舉足輕重的意義。近十余年來高速發展的經濟建設，頻繁、活躍的人類活動，對生態環境造成了嚴重影響。地下水長期無計劃開采，地下水位持續下降，導致了區域性地面沉降等較嚴重的地質災害和環境地質問題。

地面沉降造成濱海平原防洪工程的防洪能力和城市排水工程的排放能力大大降低，洪澇災害加劇；水準點高程失真，影響城市規劃建設；橋梁凈空減小，影響內河航道的通航能力等等，造成嚴重經濟損失。地面沉降已嚴重影響本區的城市化進程和經濟、社會的可持續發展，引起了政府和社會的關注。

為了有效監測地面沉降，提供準確水準點，受江蘇省有色金屬華東地質勘查局地球化學勘查與海洋地質調查研究院委托，安徽巖土鉆鑿工程有限責任公司在南通市通州區環本農場遙望港邊防派出所東側施工一座基巖標。設計孔深610m，施工時間60d。

1　基巖標技術要求

根據江蘇省有色金屬華東地質勘查局地球化學勘查與海洋地質調查研究院南通市地面沉降監測網系統基巖標項目招標文件及合同要求，基巖標技術要求如下。

1.1標孔技術要求

孔徑：基巖以上部位不小于?250mm，基巖孔段孔徑不小于?150mm。

孔斜：每100m頂角不超過0.5°，終孔累計頂角不超過3.0°。

孔深：誤差不得大于1‰。

取芯：全孔連續取芯，粘性土、完整基巖采取率不小于90%，連續落芯不得超過1m；松散砂礫和卵石層不低于50%，連續落芯不得超過3m。

1.2標體技術要求

標體結構包括：保護裝置——保護管、引測裝置——標桿、導正裝置——扶正器、標底裝置和地面裝置5大主要結構。

保護管：選用?168×6.5mmDZ40地質專用無縫鋼管。

標桿：標桿結構采取三級寶塔形結構，標桿材質選用DZ40地質專用無縫鋼管。規格分別為?73mm、?50mm 和?42mm。

扶正器：選用滾輪式扶正器，滾輪采用不銹鋼輪，間距9m左右。

標底：直徑為?146mm短管，端部加工呈鋸齒狀并加鋼板20mm厚鋼質環狀托盤。

地面裝置：結合GPS觀測墩建設要求制作。

標體的安裝與埋設要求：保護管要求埋入基巖內2m；標桿埋入新鮮完整基巖內不小于5m；標桿與保護管切忌連成一體。

1.3施工技術要求

（1）泥漿循環系統、泥漿池等要用水泥漿護壁；設置廢漿池，及時處理廢漿；合理設置施工場地，保證施工場地整潔，便于場地恢復。

（2）地層劃分要準確，巖面位置要準確，以便確定保護管下入位置及埋標深度。

（3）保護管要下到位，固井措施合理。

（4）埋標深度要準確無誤，保證標桿與基巖固為一體。

1.4其他

（1）對作業過程和成果做認真的記錄，并提交檢查報告及成果資料。

（2）提供本項目基巖標所用保護管、標桿等材料的質量保證書。

（3）施工前要有施工設計，施工中積極配合甲方工作，服從甲方監督。

2　地理位置

基巖標位于南通市通州區環本農場遙望港邊防派出所東側。具體孔位見圖1。

圖1　南通環本農場基巖標平面位置示意圖

3　完成工作量

該基巖標完成鉆探總進尺625.58m，根據要求進行了全孔連續取芯；下入?168mm保護管610.79m，?73mm、?50mm、?42mm標桿合計626.68m，?168mm管外用水泥封固，水泥用量17t。施工過程中按要求，進行了孔斜測量及孔深校正，終孔孔斜、孔深誤差均達到設計要求。具體施工情況見表1。

表1　基巖標鉆孔施工情況一覽表

4　基巖標施工場區地質條件

（1）第四系松散層（0.00～605.94m）：第四系地層為淤泥、粉砂、粗砂、粉土、粘土、礫石等。

（2）基巖（605.94～625.58m）：基巖地層為砂礫巖、粉砂巖、泥巖、灰巖。

5　基巖標結構

5.1基巖標鉆孔結構

為保證基巖標標桿的垂直度施工質量，采用二級鉆孔結構。基巖標鉆孔結構情況見表1。

5.2基巖標結構類型

目前最新改進的基巖標結構設計為“三級塔式”。此結構類型已在1995～2001年實施的《上海市地面沉降監測網絡修建工程》中得到了實際應用，通過近年的監測檢驗證明，此種結構類型的基巖標運行質量更加可靠，此工程中亦得到了實際應用。

5.3基巖標的埋設

根據鉆孔實際揭露地質情況確定施工場基巖地層埋深。按基巖標設計原理，要求標桿埋設在新鮮、完整基巖內，各基巖標標桿位置見表2。

5.4基巖標結構

（1）引測裝置——標桿。標桿及其配置的合理性直接影響基巖標整體的穩定性與精確性。基巖標標桿采用地質專用管材。根據材料力學原理，按“九五分割”法確定的分段長度使其整體穩定性最好。基巖標各段長度及管徑從下至上見表2。

（2）保護設施——保護管。保護管置于鉆孔內，由水泥漿與基巖固結，其作用是保護引測裝置，盡可能地減小周圍土層對標桿的影響。以往建造的基巖標保護管外大都用粘土球回填；為提高保護管的整體剛性，現采用鋼管外保護水泥層的加強保護結構。

基巖標保護管采用?168mm×6.5mm地質專用鋼管，保護管入井位置見表1。

（3）導正裝置——扶正器。扶正器用于保持引測裝置的垂直，使引測裝置和保護管為“點”式接觸，以便自由滑動。各基巖標標桿扶正器采用的是垂直、水平方向轉動的“銅質三向轉動輪式扶正器”。扶正器外圓與保護管間隙3mm左右。

扶正器垂直設置間距：按力學原理計算標桿每9m間隔安裝一個扶正器為合理。各基巖標標桿扶正器個數見表2。

表2　基巖標各標桿長度及扶正器個數一覽表

（4）GPS平面控制點。在基巖標上直接接高并安裝GPS平面控制點。

6　施工工藝

6.1主要設備及機具

（1）鉆機：HXY-5型液壓鉆機、TSJ-2000水文水井鉆機各1臺；

（2）泥漿泵：BW-850泥漿泵2臺，TBW850/5A泥漿泵1臺，NBB-250/6泥漿泵1臺；

（3）泥漿凈化裝置：NJJ-2泥漿凈化設備1套；

（4）鉆塔：SG-23鉆塔1部；

（5）鉆桿：?73mm、?50mm鉆桿各650m；

（6）測斜儀：KXP-2D測斜儀1臺；

（7）鉆具及鉆頭：?110mm/?130mm外肋骨合金鉆頭、?130mm、?150mm金剛石鉆頭、?250mm四翼合金擴孔鉆頭、?250mm牙輪鋼齒鉆頭及其配套鉆具等；

（8）其它：電纜、配電箱、電焊機等。

6.2基巖標施工工藝流程

基巖標施工工藝流程見圖2。

6.3基巖標成孔工藝

圖2　基巖標施工工藝流程

導正孔鉆進：HXY-5型液壓鉆機，保直鉆具：?121mm鉆鋌+?108mm巖芯管+?110/?130mm硬質合金外肋骨鉆頭取芯鉆進；

擴孔鉆進：TSJ-2000水文水井鉆機，?159mm鉆鋌+?216mm三牙輪鉆頭和?159mm鉆鋌+?250mm三牙輪鋼齒鉆頭分兩級擴孔鉆進；

基巖鉆進：HXY-5型液壓鉆機，風化基巖用?110mm/ ?130mm硬質合金外肋骨鉆具、完整基巖用?150mm金剛石鉆鉆具鉆進。

（1）采用帶短導正管的外肋骨取芯鉆具開孔。

（2）覆蓋層孔段采用外肋骨合金鉆具全孔取芯鉆進。

（3）基巖孔段除基巖面的風化、破碎層可采用硬質合金鉆具等取芯鉆進外，其余基巖孔段應全部采用配備卡簧或投卡的金剛石鉆具取芯鉆進。

（4）鉆進覆蓋層，選用優質低固相泥漿作為鉆孔沖洗液，以保證孔壁的穩定。選用泥漿的要求：應選用造漿率高、雜質少的優質膨潤土，配比為：粘土粉4%～6%（泥漿體積），處理劑添加量是：粘土∶純堿（Na2CO3）：腐植酸鉀（KHM）=100∶（3～5）∶（2～3）。其原漿的主要性能指標為：比重1.03～1.05g/cm3、粘度21～23s、pH值8.5～9.5、失水量10～15mL/30min、泥皮厚0.5～1.0mm。

（5）鉆孔垂直度測量：

①孔深：每50m及終孔時測量并校正孔深，誤差均小于0.1%，終孔累計誤差為9cm，符合設計要求。

②孔斜：鉆孔的垂直度是基巖標優劣的最主要參數。第一級小徑鉆進時有扶正裝置，保證了鉆孔垂直。每鉆進50m及終孔時檢驗了孔斜情況，每100m孔斜不超過0.5°，基巖標終孔孔斜為0.9°，滿足設計要求。孔斜測量記錄見表3。

表3　基巖標孔斜測量記錄表

6.4基巖標成標工藝

（1）下入保護管前的準備工作：

①擴孔到位后，采用帶加扶正管的同徑鉆具（?250mm）對覆蓋層孔段進行自上而下的掃孔。

②采用平面鉆頭磨平基巖孔底。

③循環泥漿的同時逐步調整泥漿性能，降低粘度、比重及含砂量，同時不間斷地除砂，下管前孔口上返泥漿的粘度降至20s左右，比重降至1.05，含砂量應低于1%。

④采用與保護管底托盤同徑、長度為10m的長鉆具探孔，探孔到底無誤差。

⑤對保護管的檢查：下管前全面檢查了保護管質量，剔除管圓直度差、絲扣損壞的管材；按照下管深度，配備足量的保護管，并逐根進行了丈量、編號、記錄；清除保護管內、外壁銹蝕層及雜物；底部安裝托盤，安裝管鞋及浮箍，并檢查其密封性。

（2）下入保護管：

①按編號順序將保護管逐根下入孔內。

②保護管絲扣涂防滲材料并擰緊絲扣。

③邊下管邊往管內注入清水，防止因孔內泥漿浮力使保護管上浮。

④保護管必須要下到位，其深度誤差符合設計。

（3）固井：為增加保護管的強度和剛性，并對上覆含水層進行止水，在保護管與鉆孔間隙內灌注水泥漿進行補強、加固。

本采用保護管內灌注法：

①在保護管底安裝有浮箍，孔口處安裝水泥頭，固井前充分循環泥漿。

②現場配制水泥漿液16m3。水泥標號為42.5，水泥漿液的水灰比為0.5。

③注漿前先注入1m3前置液，再注入水泥漿，最后注入11m3壓漿液，將管內水泥漿壓至管外，關好水泥頭，等待水泥凝固。

（4）透孔及鉆進基巖：

①管外水泥固結后，先用鉆具鉆取保護管底部的“浮灰”、浮箍及浮鞋和底部基巖孔段的水泥芯。

②以?150mm金剛石鉆具繼續鉆進至基巖底部。

③再采用與基巖孔段相同口徑的硬質合金平面鉆頭磨平基巖孔底，同時采用大泵量清水清洗鉆孔。

（5）標桿的埋設：

①下管前檢查了標桿、標底托盤、接箍、扶正器的質量，符合設計標準。

②丈量了標桿長度，并逐根編號、記錄。“寶塔型”標桿結構按設計規范要求配備好不同規格的標桿、標底托盤、接箍、變徑接頭及扶正器。

③按編號順序逐根下入標桿，底部安裝標底及鋼質環狀托盤，并在設計規范要求的相應位置上安裝扶正器。

④標桿下到位后，往標桿內灌入標號為42.5、水灰比為0.5的定量水泥漿液。

⑤保護管與標桿間注入清潔水（一般為自來水），上部2～3m灌入防銹油。

⑥按技術要求安裝了主、副標頭及GPS固定監測點。

7　質量保證措施

為保證工程按時保質完工，施工中采取了以下保質措施。

7.1防斜措施

（1）把好安裝關，設備安裝穩固、周正，做到天車、立軸、孔口三中心成一線。

（2）把好鉆具、材料關，下入孔內鉆具進行檢查，鉆具必須圓直及保證其內在質量。

（3）開孔后，下好護孔管，防止孔口坍塌，保證了開孔的垂直度。

（4）鉆導正孔時采用“剛、滿、直、厚、重”鉆具；擴孔時采用加重鉆鋌，帶扶正鉆具，擴孔鉆頭帶下導向；合理選用鉆進參數，以保證鉆孔垂直度。

（5）鉆孔每點孔斜測量不少于2次，如發現同點測量重復性差，找出原因，進行誤差消除，且每次測時對上次2～3點進行復測對比。

（6）不論在鉆導正孔，還是擴孔，均及時測斜，測斜儀器采用KXP-2D測斜儀。鉆孔終孔后，進行全孔測斜。

7.2泥漿的使用管理

（1）雖受場地限制，仍合理設置了泥漿循環系統，泥漿池約30m3，沉淀池20m3，泥漿槽15m，保證了沉渣沉淀及撈渣。

（2）采用了旋流除砂器除砂，保證了泥漿性能。

（3）配制了優質泥漿，其配比：粘土粉5%、Na2CO3為0.2%、KHM0.1%。

（4）鉆進中隨時測定泥漿性能，發現泥漿性能較差時，及時調整，或除砂或添加處理劑或更新泥漿，保證了護壁及鉆進安全。

（5）在關鍵程序上及時調整泥漿性能，如在鉆進至砂礫層段，增加泥漿的粘度，特別在下保護管和水泥固孔前，均降低泥漿比重、粘度、含砂量等，保證了孔壁穩定和孔底干凈，使保護管下放到位及管外注漿得以順利完成。

7.3取芯確定層位及孔深

該基巖標由江蘇省有色金屬華東地質勘查局地球化學勘查與海洋地質調查研究院、監理及施工方有關負責人員，根據現場取芯情況，確定保護管下入位置及標桿下入深度。該標在605.94m見巖石，巖性為粉砂巖、灰巖，保護管下入位置在609.79m，標桿下入深度為625.58m；該基巖標標桿進入完整基巖超過5m，完全滿足設計要求。

8　施工質量

8.1孔斜

經現場實測，該基巖標終孔孔斜為0.9°，全孔未出現超差孔段，滿足要求。

8.2孔深誤差校正

基巖標施工中不論鉆導正孔，還是擴孔均每50m及終孔校正孔深，所有校正孔深誤差均小于1‰，滿足設計及規范要求。

8.3巖芯采取率

按設計要求全孔取芯，合理掌握鉆進參數，未出現超打和打懶鉆現象。巖芯采取率完全滿足設計要求。

8.4固井

該基巖標按設計要求進行了灌注水泥固井及標桿固定，做到了水泥量充足，水灰比合適，灌注方法恰當，保護管與孔壁間隙采用42.5優質復合硅酸鹽水泥封固，水泥用量17t，基本與理論用量相吻合，達到良好的固結效果。并候凝72h，加強了保護管的牢固程度。標桿與基巖用水泥固結，灌注方法恰當，灌注順利，保證了標桿與基巖連成一體。

8.5成標

保護管進入基巖3.85m；標桿進入完整基巖15.20m，大于5m，均滿足設計要求。

9　結束語

該座基巖標雖然最后成孔及成標質量滿足合同要求，施工人員都是長期從事基巖標施工的技術骨干，但是在施工中也走了很多彎路，歸納為以下幾點必須重視：

（1）地層地質資料；

（2）機械設備的選型和使用維護保養；

（3）施工技術交底及安全交底；

（4）泥漿的使用與維護；

（5）現場施工管理；

（6）做好孔內事故的預防和處理工作。

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P642

A

1004-5716（2016）08-0064-05

2016-04-11

2016-04-15

蔡正水（1974-），男（漢族），安徽濉溪人，工程師，現從事特種鉆探及深部鉆探技術研究與施工工作。