地埋管地源熱泵系統在喀斯特地區的鉆孔施工技術分析

尹暢昱 王思丹

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地埋管地源熱泵系統在喀斯特地區的鉆孔施工技術分析

尹暢昱1王思丹2

（1.杭州中聯筑境建筑設計有限公司 杭州 310006； 2.浙江省武林建筑裝飾集團有限公司 杭州 310030）

地埋管地源熱泵系統在國內的應用地區越來越廣，在喀斯特地區的應用工程也與日俱增。但是喀斯特地區地質狀況較復雜，鉆孔難度較大，在一定程度上阻礙了地埋管地源熱泵在該地區的發展。針對喀斯特地區的地質結構，研究其特征，分析了在鉆孔施工中應注意的問題，并提出了一套在喀斯特地區可行性較高、成本較低的鉆孔施工技術。

地埋管地源熱泵系統；喀斯特地區；鉆孔施工技術

0 引言

地埋管地源熱泵系統是一種利用地下淺層地熱能源的既能供熱又能制冷的高效節能環保的空調系統[1]，系統通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低溫位熱能向高溫位熱能轉移。其工作原理：在夏季，熱泵機組將建筑物中的熱量取出，轉移釋放到地層中；在冬季，則從地層中提取熱量，給建筑物供熱[2]。目前地埋管地源熱泵系統因其節能高效的優越性在國內發展迅速，在喀斯特地區的應用也日漸增多，尤其是在貴州地區。貴州地處我國西南地區，喀斯特微地貌地區的核心地帶，喀斯特碳酸鹽的分布面積約占全省總面積的70％左右。喀斯特主要指可溶性巖層在水的作用下產生了化學溶蝕作用，并伴隨沉積、塌陷等過程，形成獨特的地質[3]。

巖土物性是影響地埋管地源熱泵系統的重要因素。地質結構的優劣在一定程度上影響著地源熱泵系統能否高效運行和鉆孔施工的難易。喀斯特地區的地下洞穴和溝壑，常造成機械沖孔泥漿護壁樁孔內泥漿滲漏，給鉆孔施工帶來種種麻煩，不僅拖延了工期，還有可能影響鉆孔的換熱能力。覃彬[4]研究了喀斯特地質條件下機械沖孔樁卡錘原因及其對策，但是該方法是針對建筑打樁提出的，對于地埋管地源熱泵打孔的指導意義不是很大。何文君[5]等研究了巖溶地區淺層巖土體熱物性參數，發現巖溶一般至中等發育的白云巖綜合熱導系數達到2.27～3.12W/(m·℃)，具有較強的地下換熱能力，但是文中未給出喀斯特地質結構的特性與共性。高峰[6]提出在地源熱泵打孔中選擇適當的循環注入物是影響鉆孔質量與效率的關鍵，但是文中未給出適宜喀斯特地貌的鉆孔施工技術。

針對喀斯特地區的地質結構，研究其特征，分析了在鉆孔施工中應注意的問題，并提出了一種在喀斯特地區可行性較高的鉆孔施工技術。

1 喀斯特地質成因

喀斯特地形，又稱溶蝕地形、石灰巖地形，是具有溶蝕力的水對可溶性巖石進行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態的總稱。水對可溶性巖石所進行的作用，統稱為喀斯特作用[4]。

中國現代喀斯特是在燕山運動以后準平原的基礎上發展起來的。老第三紀時，華南為熱帶氣候，峰林開始發育；華北為亞熱帶氣候，長江南北為荒漠地帶，是喀斯特發育很弱的地區。新第三紀時，中國季風氣候形成，奠定了現今喀斯特地帶性的基礎，華南保持了濕熱氣候，華中變得濕潤，喀斯特發育轉向強烈。尤其是第四紀以來，地殼迅速上升，喀斯特地貌隨之迅速發育，類型復雜多樣。

在貴陽地區，地層位于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱貴陽復雜構造變形區，喀斯特地貌，巖層產狀總體變化不大，主要褶皺為近南北向的貴陽一中曹司船型向斜，斷層基本上是以北北東、北東、北東東向為主[7,8]。巖石主要為可溶性碳酸鹽巖，區內的巖溶個體形態較發育，主要表現為溶溝、溶槽、巖溶洼地、落水洞等。

2 喀斯特地質特征

2.1 巖石與土壤交替出現

在喀斯特地區，在多個測試井的地質情況中發現，原始土壤層都較厚，平均厚度可達20米，且在土壤層中有零星的巖石交替出現，如圖1所示，在縱向和橫向，大塊巖石會零星地無規律地分布在土壤層中。這種情形對鉆井造成了一定的困難，對鉆頭的要求也較高，鉆頭要既能應付厚重的土壤層，也能鉆動堅硬的巖石。

圖1 巖石和土壤交替出現的喀斯特地質圖

2.2 巖面傾斜角度不一

由于喀斯特地貌形成過程中地質活動較復雜，其形成的地質結構層存在傾斜，且傾斜角度不一。

圖2 卡斯特地貌中傾斜的巖石層

圖3 卡斯特地貌中不同深度巖心圖

如圖2、圖3所示，經鉆探的喀斯特地區中巖層存在大面積的角度傾斜。觀察鉆探100米取出的巖心，在不同深度的巖層存在不同的傾斜角度，有的完全水平，有的有接近45°角的斜度。這樣大面積的巖石傾斜，以及不同深度巖層傾斜角度不一就對鉆具提出了較高的要求，鉆具必須能將井壁打磨光滑，不能留有突起巖塊，如果打磨不光滑，下換熱管時將費時又費力。

2.3 黃泥碎石緊密混雜

經鉆探的喀斯特地區的地質中經常出現黃泥緊密夾雜碎石的狀況，如圖4所示，碎石與黃泥結合較密實，碎石質硬且脆，黃泥緊密填充在碎石之間，極易卡死鉆頭。

圖4 喀斯特地貌中黃泥碎石夾雜圖

2.4 高度風化層較多

經鉆探的喀斯特地區的地質中發現在地下約40～55米處存在高度風化破碎層，節理裂隙發育，巖體破碎嚴重，以碎石為主，少量為塊狀和大顆粒狀，結合松散，如圖5、圖6所示，在鉆孔時，因為鉆桿的震動，高度風化層的巖石極易破碎成塊，極易踏孔或掉塊卡死鉆桿。

圖5 鉆孔施工時上返的破碎層巖石顆粒圖

圖6 喀斯特地貌中裸露的高度風化巖石圖

2.5 碳酸鹽巖層厚度較大

從經鉆探的喀斯特地區的地質中發現，地層中的碳酸鹽巖層厚度較大，主要為白云巖和石灰巖，且風化程度不一。因為碳酸鹽容易被地下水侵蝕，所以該巖層有可能存在斷層和空洞。

表1 經鉆探的喀斯特地貌地質情況

續表1 經鉆探的喀斯特地貌地質情況

3 鉆孔施工技術

3.1 常用的鉆具及輔助工具

圖7 常用的鉆具及輔助工具圖

針對喀斯特地質中淺層巖石與土壤交替出現的情況，首先用水鉆機和潛孔鉆機交替使用，水鉆機選用比鉆孔大一號的三翼鉆頭，潛孔鉆機選用比鉆孔大一號的潛孔鉆頭。出現土壤時使用水鉆機，出現巖石時使用潛孔鉆機，建議下套管穩固井壁，一般下套管20米左右。如此有針對性的交替使用，可以明顯加快鉆孔速度。

針對喀斯特地質中巖面傾斜角度不一的情況，需注意要將井壁打磨光滑，可以用潛孔鉆機的潛孔鉆頭上下打磨，如果巖層較堅硬，建議放慢鉆桿速度。

針對喀斯特地質中黃泥碎石緊密混雜的情況，建議使用水鉆機，往鉆井里加入適量膨脹劑，將黃泥碎石粘合固定再進行施工。

針對喀斯特地質中高度風化層較多的情況，建議使用潛孔鉆機，對于較淺層的碎石層，可以加套管加固井壁，對于較深層的碎石層，可以加入適量膨脹劑，穩固碎石層后再進行施工。

針對喀斯特地質中斷層空洞較多的情況，建議放慢操縱桿速度，防止鉆桿鉆頭踏空而損壞。

使用潛孔鉆機時，可能因為氣體的力度不夠而在鉆井底沉積了大量的細砂，為了下管時地埋管能順利到達井底，可以使用水鉆機將沉砂筒放入井底，灌入水后將細砂提出。

4 結論

（1）由于喀斯特地區的地質特殊性，地埋管地源熱泵系統進行鉆孔時，常遇到巖石與土壤交替出現，巖面傾斜角度不一，黃泥碎石緊密混雜，高度風化層較多，偶有斷層空洞出現的情況，這些都給施工帶來困難，必須引起足夠的重視。

（2）針對喀斯特地區的各項地質特征，提出了相應的鉆孔施工技術，經施工現場對比使用后，可以有效的加快鉆孔速度，提升鉆孔質量，減少鉆孔天數，節約鉆孔時間成本和人力成本。

[1] 孫友宏,胡克,莊迎春,等.巖土鉆掘工程應用新領域地源熱泵技術[J].巖土鉆掘工程,2002(s1):45-48.

[2] 王勇.地源熱泵的技術經濟分析[J].建筑熱能通風空調,2001,20(5):12-13.

[3] 張廣波,張廣英.淺析貴州喀斯特微地貌的成因及對水土保持影響[J].河南水利與南水北調,2012(4):65-66.

[4] 覃彬.喀斯特地質條件下機械沖孔樁卡錘原因及對策[J].企業科技與發展,2013(11):95-96.

[5] 何文君,王明章,李勇剛.巖溶地區淺層巖土體熱物性參數測試及應用分析[J].貴州地質,2013,30(1):71-74.

[6] 高峰.地埋管地源熱泵工程中的鉆探技術[J].科技風,2012,33(5):832-837.

[7] 袁志英,郝江南.貴陽地區基本地質環境和主要巖土工程問題綜述[J].地球與環境,2005,33(s):251-254.

[8] 譙文浪,陳武,劉凌云.25萬貴陽市幅區域地質調查成果[J].中國科技成果,2016,17(22):30-32.

Analysis of Drilling Technology on Ground Coupled Heat Pump System in Karst District

Yin Changyu1Wang Sidan2

( 1.CCTN Architecture Design Co., Ltd, Hangzhou, 310006; 2.Zhejiang Provincial Wulin Construction Decoration Group Co., Ltd, Hangzhou, 310030 )

Ground coupled heat pump system is more and more widely application in China, the number of projects is growing in karst district. However, geology condition is complicated and drilling is difficult in karst district, to a certain extent, these hinder the development of the ground coupled heat pump. According to the geological structure in karst district, study the commonness and characteristics, analyze the problems that should be paid attention to in the drilling, and puts forward one feasibility drilling technology in karst district.

ground coupled heat pump system; karst district; drilling technology

1671-6612（2017）06-588-05

TU744

A

尹暢昱（1990.03-），男，碩士研究生，工程師，E-mail：changyuyin@vip.qq.com

2017-03-15