地源熱泵系統鉆孔施工遇巖溶問題的解決措施★

任永林,鄒 行,林華穎,趙 磊,張世帆

(1.貴州綠能星新能源開發有限公司，貴州 貴陽 550000； 2.貴州省有色金屬和核工業地質勘查局地質礦勘察院，貴州 貴陽 550005； 3.貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

開發利用淺層地熱資源有利于調整能源結構、改善環境、對于未來能源的供應以及節能減排有巨大的潛力[1-2]。地埋管地源熱泵技術作為目前開發淺層地熱資源的主流方式，在國內北方地區得到了大力推廣。對于南方巖溶地區，由于地區地質條件十分復雜，地下溶洞裂隙眾多，初期鉆孔投資成本較大、鉆孔難度較高，使得很多房地產開發商望而止步，因此該技術在南方巖溶地區發展比較緩慢。

為解決相應問題，該文基于百里杜鵑施工現場物探巖溶數據，探討分析了在實際鉆孔施工過程中遇巖溶問題的解決措施，具有一定的工程借鑒意義。

1 工程概況

1.1 交通位置

工區位于百里杜鵑管委會西北約2 km處，地理坐標106°24′57.69″E，27°48′10.08″N。行政區劃屬于百里杜鵑管委會直管，北部有杭瑞高速，西部有黔大高速，南部有都江高速穿過。工區前是花海大道，交通情況便利。

1.2 地形地貌

畢節市百里杜鵑景區地處黔西高原向黔中山丘陵過渡的斜坡地帶，屬于高原中山丘陵地貌類型。境內地表尚保持著較原始的剝夷面狀態，丘崗起伏，綿延成片，山體相對高差約500 m。境內基巖主要為碳酸鹽巖，其分布面積約占70%。主要分布著下二疊統含燧石灰巖、寒武系中上統白云巖。

1.3 工區地層

工區地層自上而下為第四系素填土，第四系坡殘積紅黏土，二疊系陽新統棲霞—茅口組，其巖性主要是底部薄至中厚層灰巖夾有機質黏土巖，下部灰層灰巖夾燧石灰巖及泥質條帶灰巖；上部厚～巨厚層生物屑泥晶灰巖夾燧石灰巖及白云質灰巖。

2 設計參數

本項目地點位于百里杜鵑花海大道，本項目為新建人民醫院提供集中供暖系統，冬季提供3 118.4 kW熱負荷，夏季提供2 168.8 kW冷負荷，改善室內溫度為18 ℃～24 ℃。主要建設內容包括：冷熱源地埋孔施工44 549 m，地源熱泵機房一個300 m2。本項目主要由地埋管系統、主機系統構成。根據施工圖設計，各系統主要工作如下。

2.1 地埋管系統

設計總延米數46 153 m。計算井深160 m～200 m，得出地下換熱井數量為220口～250口。在施工過程中因地質條件的復雜性，部分鉆孔可能無法下足200 m地埋管，故考慮一定的鉆孔富余量來保證達到地埋管設計總延米數要求，本項目設計地下換熱井314口，根據實際現場情況選取位置施工。鉆孔布置共分為A，B，C，D，E五個大區，每個區對應一組分集水器，分集水器管道連接至主機房。

2.2 主機系統

該項目設計兩套系統，分生活熱水系統和供暖制冷系統，地源熱泵主機房內設螺桿式地源熱泵機組3臺，單機制熱量1 312.8 kW；地源側、負荷側配置變頻水泵各3臺，以及附屬水處理設備、集分水器、管道、閥門、配電、自動化控制等系統供應醫院采暖制冷；設置2臺渦旋式地源熱泵機組，單臺制熱量170 kW，供應醫院生活熱水使用[3]。

3 巖溶物探

為了揭示該工區巖溶裂隙發育情況，現場采用瞬變電磁法勘查，以各地質體的電性差異為勘探對象及解釋依據，目標體與圍巖物性差異的大小直接影響物探勘查成果及精度。

3.1 物探原理

地面瞬變電磁法(TEM)測量，它是以接地導線或不接地回線通過脈沖電流作為場源，以激勵探測目的物感生二次電流，在脈沖間隙測量二次場隨時間變化的響應。其數學物理基礎是基于導電介質在階躍變化的激勵磁場激發下引起的渦流場問題，通過地球物理方法間接解決地質問題[4]。

完整的基巖導電性比較差，電阻率比較高，當基巖比較破碎時或有巖溶時，在巖溶、破碎帶中因含有地下水，呈現出強的導電性，相對于視電阻率較高的圍巖而言，在電性上表現為相對低電阻率區域，這些物性差異為在工作區采用瞬變電磁法(TEM)勘探提供了良好的地球物理前提，從而我們可以依據低阻特征和其發育深度有效地獲取地下構造、巖溶的發育情況從而達到工作的目的。

3.2 區內測網布置

測區范圍目前情況較復雜，主要是目前醫院主體結構基本完成，場地中各類施工材料較多，特別是對測量結果有影響的鋼材較多，靠近居民區，建筑物和各種設施分布，影響測量布線工作，根據該測區特殊環境，測線從不同方向布設，線距不等，測點距10 m進行測網布設。

3.3 測點巖溶分析

區內共布置9條側面，結合相應數據，推斷各剖面巖溶構造發育情況，文中僅分析1號線3個異常以及2號線2個異常。

1)1號線異常分析。

如圖1所示，1號剖面瞬變電磁測量(TEM)視電阻率斷面圖整條剖面上出現1個高阻異常(1號異常)和2個低阻異常(2號異常、3號異常)，其中1號異常出現在剖面的10號點～20號點之間，深度約80 m～180 m之間，異常形態呈圈閉的橢圓狀，2號異常電阻率高于1 047 Ω·m，根據異常解釋原則并且結合該區的地質情況，推測1號異常由不充泥不充水巖溶引起；2號異常出現在60號點～70號點之間，深度上從約50 m處向深部延伸，從小號點向大號點傾斜，2號異常將兩側的相對高阻錯斷，為高低阻的分界面，根據異常解釋原則并結合該區的地質情況，推測2號異常為破碎引起。3號異常出現在120號點～130號點之間，深度上從約50 m處向深部延伸，從大號點向小號點傾斜，3號異常將兩側的相對高阻錯斷，為高低阻的分界面，根據異常解釋原則并結合該區的地質情況，推測2號異常為破碎引起。

2)2號線異常分析。

如圖2所示，2號剖面瞬變電磁測量(TEM)視電阻率斷面圖表明，整條剖面上出現1個高阻異常(4號異常)和1個低阻異常(5號異常)，其中4號異常出現在剖面的25號點～30號點之間，深度上深約100 m～170 m，異常形態呈圈閉的橢圓狀，4號異常電阻率高于1 047 Ω·m，根據異常解釋原則并結合該區的地質情況，推測4號異常由不充泥不充水巖溶引起；5號異常出現在40號點～55號點之間，深度上從約30 m處向深部延伸，從小號點向大號點傾斜，5號異常將兩側的相對高阻錯斷，為高低阻的分界面，根據異常解釋原則并且結合該區的地質情況，推測5號異常為破碎引起[5]。

3)異常總結。

分析此次物探總計發現物探異常11個，1線一號剖面3個異常，其中1號異常為巖溶內不充泥或不充水引起；2號異常為破碎引起；3號異常為破碎引起；2號剖面2個異常，其中4號巖溶內不充泥或不充水引起異常；5號異常為破碎引起；3號剖面1個異常，6號異常為破碎引起；4號剖面1個異常，7號異常為破碎引起；5號剖面1個異常，8號異常為巖溶充水或充泥引起；7號異常為破碎引起；6號剖面2個異常，9號異常和10號異常為巖溶充水或充泥引起；7號剖面1個異常，11號異常巖溶充水或充泥引起。8號線、9號線無異常[6]。

4)異常分類。

將物探獲得異常進行分類，并將相鄰測線可能由于地下連通而造成的異常連接，獲得兩個可能對后期淺層地溫能開發造成影響的巖溶發育區及破碎帶區域。其中第一個巖溶發育區在1線的剖面10號～20號點及2號剖面25號～30號點之間，推測平面不封閉的橢圓狀，埋深在70 m～180 m之間，巖溶內部不充泥不充水。第二個巖溶發育區位于5號剖面0號～30號點及6號剖面0號～110號點之間，埋深小于10 m以下，巖溶內部充泥或充水。第一個破碎帶，位于1號剖面60號～70號點及2號剖面40號～55號點之間；第二個破碎帶位于1號破碎帶120號～130號點之間，可能向北部延伸；同時第一個和第二個異常深部較為破碎。第三個破碎帶位于4號剖面15號～25號點，可能向東部發育。第四個異常位于3號剖面40號～65號點之間，可能向西部發育。

基于上述地質特征，可判斷工區地下巖溶和破碎帶的發育。

4 鉆孔施工

4.1 鉆孔施工工藝

本工程選用4臺履帶式地源熱泵專用鉆機，配備4臺29 m3空壓機，采用潛孔錘干鉆成孔。潛孔錘成孔工藝是常規回轉取芯鉆進速度的3倍～5倍。根據現場情況(電力、地層情況)的不同還可采用不同的鉆進工藝，直到達到設計要求孔深。

4.2 鉆孔施工難點

本例現場鉆孔過程中，遭遇巖溶裂隙，溶洞裂隙碎石常常導致鉆孔堵塞，從而增加施工難度，鉆孔難以成型。遭遇過不同程度的溶洞，石灰巖等地質情況，多數物探刨面均出現了測點異常，充水、充泥巖溶在區內比較發育，導致鉆孔的施工難度較大。

4.3 鉆孔遇巖溶解決措施

結合物探數據，在深入認識該區巖溶發育的基礎上，本次鉆孔過程中針對鉆孔遇巖溶問題提出如下解決措施：

1)若溶洞位置較淺，溶洞位置距地面不超過20 m，則可以下和孔徑相符的鋼制套管，將溶洞進行隔離，鉆孔完成后可將套管拔出。若溶洞位置距地面超過20 m，那么下套管難度增大，同時套管下好后難以拔出。

2)若鉆孔過程遇到溶洞，沖洗液流失較為嚴重，鉆孔將無法繼續施工，此時應根據此孔溶洞的大小采用永久性鋼管保護孔壁，才能繼續施工，否則該孔難以成型。

3)由于該項目場地下有發育程度不同的溶洞，施工過程中不可避免出現廢孔，造成地埋管總長度不夠，因此設計了其他地方進行補孔，以滿足總管長延米數。

4)提管后應當馬上下管，避免泥漿沉降堵孔、引起下管深度不夠、無法下管。

5)地源側水平管平面圖應該結合施工實際鉆孔布置進行調整。

5 結論

針對鉆孔過巖溶構造等問題，本文主要提出如下結論：

1)地下換熱工區鉆孔施工前，應當做好前期物探工作，深入認識區內巖溶構造情況。

2)巖溶深度距地面深度不超過20 m時，應下套管將溶洞隔離，待鉆孔實施完成后將套管拔出。

3)鉆孔過程中遭遇溶洞時，若溶洞斷面較大，應基于溶洞大小下永久性套管保護孔壁。

4)提管后應當及時下管，避免泥漿沉降堵孔，導致鉆孔深度不滿足要求。

5)施工過程中難免遇到廢孔，此時應當在其他地方設孔進行彌補，不然會導致總設計管長不滿足要求，使得設計負荷出現偏差。

6)孔壁不穩定但貫穿溶洞高度較小時可采用投黏土的方式進行護壁。

7)孔壁穩定時應采用降壓鉆進的方法在溶洞底部緩緩磨出小孔至0.5 m左右，再恢復正常鉆井。