巢式監測井施工工藝與方法研究

常彬 魏仁遠

（1 山東省物化探勘查院 山東濟南 250013 2 山東省地質勘查工程技術研究中心 山東濟南 250013）

國家地下水監測工程的開展，將進一步完善地下水監測網絡，更加科學有效的監測地下水動態，促進地下水資源的可持續利用。進行地下水監測工作首先需要建設監測井［1］，監測井的類型包括單管監測井、從式監測井、巢式監測井等，其中巢式監測井是指在一個鉆孔中安裝多根不同長度井管，分別監測不同深度的兩個及兩個以上目標含水層的監測井。由于巢式監測井施工工序繁多，難度較高，再加上鉆孔直徑較大、鉆孔較深、地層巖性復雜、技術措施不合理等諸多問題，容易造成鉆孔坍塌、鉆孔傾斜、各單井井管相貼、投料止水不到位，導致深層水和淺層水相通，既達不到巢式監測井監測多層地下水位的效果，又給施工單位帶來返工的財產損失和工期的延誤。因此，巢式監測井質量的控制要嚴格要求施工工藝，投入技術含量高的技術人員及施工人員，重點控制好各施工階段控制要點，堅持在保證施工安全、文明的情況下，最大限度地發揮人員水平及相關設備性能，實現安全生產與技術達標雙贏。

1 工程概況

國家地下水監測工程（山東省部分聊城段）地下水監測站點土建工程建設巢式監測井7 處，監測井高程26.7 m～35.4 m。其中：一孔雙井監測井4 處，鉆孔直徑600 mm，單井井深50 m 和200 m，井距248 mm，監測目標層20 m～45 m 和120 m～180 m；一孔三井監測井3 處，鉆孔直徑700 mm，單井井深50 m、200 m和400 m，井距248 mm，監測目標層20 m～45 m、120 m～180 m和300 m～380 m。所有單井均使用沉淀管，濾水管為橋式濾水管，井管采用直徑為146 mm 的無縫鋼管。主要實物工作量包括：鉆探、物探測井、下管、填礫止水、洗井、抽水試驗、水樣采集及分析、輔助設施建設。鉆遇地層為第四系，以平原組為主，局部地表可能有黃河組。上部以土黃、灰黃色沖積相粉質粘土、粘土及粉細砂為主；中部為沖積、湖積相，以棕黃、淺灰綠色粉質粘土、粉砂、細砂互層為主；下部以砂質粘土為主，結構致密，含大量鈣質結核。

2 巢式監測井特點

巢式監測井特點如下：

（1）一口巢式監測井中可安裝多個單井完整井，施工成本費用低，可縮短施工周期。

（2）一口巢式監測井可以同時對多個含水層進行觀測。

（3）巢式監測井施工場地占地面積小，保護、維護費用低［2-3］。

巢式監測井平面及垂向示意圖見圖1、圖2。

圖1 巢式監測井平面布置示意圖

圖2 巢式監測井垂向布置示意圖

3 巢式監測井施工工藝方法

巢式監測井施工工藝采用逐級式下管、填礫、止水。成井工藝流程如圖3 所示。

圖3 巢式監測井成井工藝流程圖

3.1 施工準備

項目正式開工之前，技術人員、施工人員要組織好施工所用機械及配備人員，在開工前進行安全教育及技術交底。在接到業主開工令的第一時間內進場組織施工，保證工程進度和施工質量。施工準備工作包括：現場踏勘、場地協調、設備安裝、開工驗收及技術交底。

3.2 鉆探

監測井鉆探方法為正循環無芯鉆進，開孔直徑350 mm，鉆進至200 m 或400 m 后擴孔至600 mm 或700 mm，孔口直徑與孔底直徑相同。鉆進施工過程做到以下5 個方面：

（1）鉆進中采用鉆鋌加壓，使用鉆壓表，合理控制鉆壓。

（2）每回次鉆進，在鉆頭到達孔底前，先開泵沖孔，待孔口返水后，用慢速回轉鉆具，無蹩車蹩泵時，將鉆具下放到孔底鉆進；鉆進中臨時停車，鉆具未提離孔底，不開車、開泵；鉆進過程中，保持鉆壓均勻，加減壓應連續均勻地進行；鉆進過程中定期沖孔排渣，保持孔內干凈，孔底巖粉超過0.3 m～0.5 m時，專程進行撈渣。

（3）在松散地層鉆進，沖孔時間縮短，提、下鉆速度保持勻速，提鉆中或提鉆后向孔內回灌沖洗液，防止塌孔。

（4）鉆進過程中隨時注意孔內情況變化，出現異狀時，立即采取措施。停鉆時，鉆具提至孔外或安全孔段。

（5）鉆進完成后充分循環洗井，調整鉆井液性能，補充相關處理劑，保證物探測井和下井管施工順利。

3.3 物探測井

按照設計要求，對鉆孔揭露的地層進行物探測井，獲取物探測井資料，為解釋含水層提供地質依據。物探測井采用了中裝集團重慶地質儀器廠生產的JGS-1B 智能綜合數字測井系統。測井的主要參數有視電阻率、自然伽瑪、自然電位。取得的主要成果有地層劃分表，自然伽瑪、三側向電阻率及自然電位曲線，資料數據詳實可靠。

3.4 下管

下管前首先應適當稀釋泥漿，選擇合適的井液。其次，探孔深，準確確定鉆孔深度。最后根據井管結構設計，檢查井管質量，測量井管長度，將每一根井管長度同時記錄在班報上，并用記號筆記錄在每一根井管頭上。巢式監測成井下管順序為：深層井管、中層井管、淺層井管。需要安裝的井管類型從井底至井口依次為沉淀管、濾水管、井壁管。為保證巢式監測井施工完成后各單井等間距處于鉆孔中心，下管時在井管上定量安裝扶正器，防止各單井井管相貼，各單井井管與鉆孔孔壁相貼，影響含水層濾料準確投放。巢式監測井下管止水順序為：先下入深層井井管，填濾料止水后，再下入中層井井管；中層井填濾料止水后，最后下入淺層井井管、填濾料、止水。井管下入之前，必須對鉆孔內泥漿進行稀釋換漿，防止填濾料后泥漿過稠，影響井的出水量。

3.5 填礫止水

單井井管安裝后及時進行填礫工作，填礫高度均高于濾水管頂端5 m 以上，濾料為顆粒直徑2 mm～4 mm 石英砂。填礫方法為動水填礫，具體注意事項為：

（1）提前預算好要填礫石體積和重量，按計算用量，現場備足礫料。

（2）認真檢查礫料的質量和規格，不符合要求的礫料不準填入孔內。

（3）填濾料時，濾料沿井壁四周均勻連續填入，并始終保持井管穩定；隨時記錄已填入濾料的數量和測量濾料充填深度，當發現填入濾料的數量與根據測量的濾料充填深度計算的濾料數量有較大差別時，及時找出原因并采取穩妥措施進行排除。填礫應從孔口井管周圍均勻填入。

（4）填礫中定時探測孔內填礫面位置，發現堵塞時，采取措施消除堵塞后再填。

（5）孔內一直保持開泵循環孔液，使孔內的清水通過濾水管孔眼向孔外循環。當孔內泵壓突然增大，說明管外填礫空隙以基本填滿，則停泵和停止填礫。

（6）使用測繩檢查礫料是否填至預定位置，填礫數量是否正確。

（7）填濾料后，開始抽水洗井，待水清后，再次測定填礫位置，發現有下沉，補填至預定位置后開始止水，抽水洗井仍需繼續。

止水黏土球填至次深層井底端，止水黏土球顆粒直徑約50 mm。投粘土球結束后，靜置2 h 待粘土球膨脹，然后進行止水檢查。止水檢查方法采用水位差法。先測量套管內和套管外的水位，并做記錄。具體操作如下：

（1）孔內水位深度埋深較大時（大于30 m），用水泵向孔內注水至孔口，然后停泵同時觀測孔內外水位變化，觀測管外水位隨管內水位變化情況。若管外水位隨管內水位變化不明顯，連續4 h 內管外水位半小時下降不超過1 cm，則止水合格；若管外水位隨管內水位變化而變化，則止水失敗，起拔套管，重新下管、填礫、止水。

（2）管內水位較淺，離孔口不足10 m 時，用水泵向孔外抽水，使孔內外水位差大于10 m，然后停泵觀測水位，觀測管外水位隨管內水位變化情況。若管外水位隨管內水位變化不明顯，連續4 h 內管外水位30 min 下降不超過1 cm，則止水合格；若管外水位隨管內水位變化而變化，則止水失敗，起拔套管，重新下管、填礫、止水。

3.6 洗井

采用潛水泵抽水洗井排渣，抽清后停泵1 h 左右再抽，反復循環洗井，洗至井水水清砂凈，出水含砂量不大于1/20 000（體積比）。

3.7 抽水試驗

抽水試驗方法采用穩定流抽水試驗。采用63QJ20 型潛水泵，最大出水量為12 m3/h，揚程為60 m；水位觀測采用歐洲Water&Land 公司生產的LeveLogger 地下水位自動記錄儀，水位讀數精確到0.1 cm；水量測量選用水表讀數，出水量讀數精確到0.001 m3。巢式監測井各單井抽水試驗均進行了兩個抽水落程，抽水試驗穩定時間：小落程大于8 h，大落程大于16 h，S1=Smax/2，S2=Smax。抽水試驗結束后，編制抽水試驗綜合成果圖表，包括：流量、水位（包括恢復水位）歷時曲線、穩定水位和流量關系曲線、水質分析成果、水文地質參數計算成果、鉆孔成果綜合柱狀圖等。

3.8 水樣采集及分析

各單井在抽水試驗結束前均按規范采集全分析水質水樣一件。為保證取得水樣為含水層內新鮮水，采樣時用源水沖洗采樣容器至少3 次，盡量避免外界條件的干擾；在現場做好采樣的原始記錄工作，詳細記錄采集水樣的監測井編號、位置、深度、采樣編號、送樣編號、現場的外觀指標（如氣、味、色、溫等），及時在現場密封好樣品，填寫好水樣采樣標簽貼于取樣容器醒目位置處。現場采樣后立刻送到化驗室，樣品運送途中做到防震、防凍及防止陽光照射。

采集樣品均送“中國冶金地質總局山東局測試中心”進行水質分析。檢測項目共32 項，分別是：pH、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-、NO3-、F-、游離CO2、侵蝕CO2、氰化物、Cr6+、揮發酚、COD、NO2-、偏硅酸、溶解性總固體、As、Hg、Cr、Mn、Fe、Sr、Cd、Pb、總硬度、總堿度及總酸度等。

3.9 輔助設施建設

輔助設施建設包括井口保護裝置、水準點建設、安裝標志牌。

（1）井口保護裝置包括砌筑鋼筋混凝土井臺基座和儀器保護筒體安裝固定。鋼筋混凝土井臺設計為圓柱體混凝土臺，基座采用一個圓筒型模具澆筑，直徑500 mm，高800 mm，其中地面以上500 mm，地面以下300 mm。澆筑時，井管周圍挖直徑800 mm、深地面以下300 mm 的圓形坑，夯實坑底，以防止后期沉降后井臺失效。井管周邊模具內灌入混凝土至模具口下150 mm，灌入混凝土時一定要用震動棒或木管夯實，模具外周邊用混凝土填至地面。儀器保護筒體安裝固定：將安裝了3 根螺紋鋼筋的儀器保護筒體植入水泥基座，要求筒體應盡量水平、周正，拭去底盤上殘留的混凝土，保持底盤清潔。在井口保護裝置內灌入混凝土至井口平，最后把井口保護裝置外模具內灌滿混凝土整平放入水準點標志。儀器保護箱高300 mm，預埋200 mm，直徑350 mm，鋼板不小于6 mm，箱內設有掛鉤或托盤；箱蓋鑲嵌一個厚度8 mm 的尼龍板，保障自動監測設備信號發射，箱蓋上應具有特殊的鎖固裝置，使用專門工具才能打開井口帽。根據《地質環境監測標識規定》，井口保護設施外觀采用“上紅下藍”的樣式。

（2）水準點標志采用加接鐵質根絡的不銹鋼半球頂的標志。在砌筑鋼筋混凝土井臺基座時，將水準點安裝在井臺基座上。井口保護裝置建設見圖4。

圖4 井口保護裝置建設

（3）標志牌材料采用防風蝕雨蝕的不銹鋼，標志牌規格長450 mm、寬295 mm、厚0.5 mm，銘牌文字采用應蝕刻工藝，刻有“國家地質環境監測及地下水地質環境監測站”文字及地質環境監測Logo 標識，并標有主管部門、建設單位、運行維護單位、電話、監測井編號等信息，銘牌通過螺桿鉚固定在保護箱上。安裝好的巢式監測井見圖5。

圖5 安裝好的巢式監測井

4 結語

巢式監測井的建設可節省人力、物力，縮短施工周期，便于管理，為地下水動態監測提供一種新的方式。但其施工工序繁多，施工工藝要求比較嚴格，確保濾水管放置目標含水層位、填礫止水位置得當并發揮其功能是關鍵。所以，巢式監測井建設時，要對成井材料、技術人員和施工人員嚴格把關，以及對各工序的質量控制，達到預期的目的。