泵吸反循环成井工艺在上海市第Ⅱ含水层中的实施应用

王 彭 宇

(上海长凯岩土工程有限公司，上海 200000)

0 引言

苏州河段深层排水调蓄管道系统工程试验段苗圃西工作井内径30 m，挖深约62.50 m，工作井附属结构挖深约30 m～40 m。对本工程有威胁的地下水是第⑨,⑩A和层承压水含水层。这三个含水层在上海研究较少，基坑降水涉及的第Ⅱ承压含水层较少，第Ⅲ承压含水层更是从来没有涉及降水。为足够了解第Ⅱ、第Ⅲ承压含水层空间分布规律和水头高度、调查水位下降与总涌水量的关系、降水影响半径、水文地质参数和各含水层的水力联系，开展了水文地质勘察工作，为评价基坑抗突涌安全性、降水设计提供基础。

该工程采用泵吸反循环钻进工艺[1]进行钻进，与正循环对比，泵吸反循环有成井效率高、钻头磨损低、孔底沉碴少、孔壁稳定、地层分层清晰、成井质量好、经济效益显著等优势，特别是在第Ⅱ含水层施工优势尤为明显。该工艺应用于水文水井施工具有明显优势。

1 上海市第Ⅱ含水层特征

试验场地揭露155.00 m深度范围内地基土属第四纪晚更新世及全新世沉积物，主要由粘性土、粉性土和砂土组成，分布较稳定，一般具有成层分布的特点。按其沉积年代、成因类型及其物理力学性质的差异，依据上海市工程建设规范DGJ 08—37—2012岩土工程勘察规范[2]相关条款，可划分为10个主要土层，其中第⑤层、第⑧层可分为2个亚层，第⑨层可分为3个亚层，第⑤层、第⑨层、第层含有夹层；缺失上海市统编地层第⑥层暗绿色硬土层和第⑦层粉砂。

1.1 工程地质条件

第①层杂填土，第②1层粉质粘土(上海地区俗称“老土层”)，第③层淤泥质粉质粘土，第④层淤泥质粘土，第⑤1层粘土，第⑤3层粉质粘土夹粉砂，第⑤3夹层粘质粉土，第⑧1层粉质粘土，第⑧2层粉质粘土、粉砂互层，第⑨1层粉细砂，第⑨2-1层中粗砂，第⑨2-2层粉细砂夹中粗砂，第⑨夹层粉质粘土，第⑩层粘土，第⑩夹层粘质粉土，第⑩A层粉砂夹粉质粘土，第层粉砂夹中粗砂，第T层粉质粘土，第层粘土。

1.2 水文地质条件

场地地下水类型主要为松散岩类孔隙水，孔隙水按形成时代、成因和水理特征可划分为潜水含水层、承压含水层。场地深度范围内地下水主要为赋存于浅部土层中的潜水、第⑨层中的第Ⅱ承压水及第⑩夹、第⑩A层中微承压水及第层中的第Ⅲ承压水。

根据区域资料，结合实测水位数据，场地地下水水位见表1。

表1 地下水水位埋深一览表

2 成井要素

水井的成败取决于成孔和成井两个过程。成井施工的成败需要有良好的成孔施工作为铺垫，只有先施工好钻孔才会进一步施工好水井。而在成孔过程中则有以下四点主要要素，这是施工好钻孔的必备条件。

2.1 泥浆

钻进过程中始终要保持泥浆液面高出地下水位至少1.0 m或与自然地面相平以保证钻进过程中不易出现塌孔事故。

成孔钻进过程中泥浆密度控制在1.10 g/cm3～1.20 g/cm3以内；清孔施工后密度1.05 g/cm3～1.08 g/cm3，粘度在18 s～21 s之间，含砂率小于1%。

2.2 垂直度

垂直度的掌控主要目的为了水井管材安装下放过程中顺利施工，再者钻孔的垂直度会影响水井管材是否在孔内居中，如若管材靠近孔壁，滤料在过滤器段回填不均匀会导致水井的出水量。控制好钻孔的垂直度是成孔过程中的一个重要因素。

2.3 钻进速率

钻进过程中应根据场地地层的不同控制钻机进尺速率，尤其是软硬地层交界处更应减缓钻进速率，其主要目的是保证钻进过程中不发生偏移从而保证钻孔的垂直度。在该项目中上部粘土层在钻进过程中控制为30 cm/min，进入第⑨层前开始减缓钻进速率，在第⑨层中的钻进速率控制为20 cm/min。

2.4 孔底沉渣

成孔到设计深度后，需要进行孔底沉渣的清除，其主要手段为更换泥浆进行循环。孔底沉渣的多少会直接影响到水井过滤器段回填滤料的有效性，如若沉渣较多会导致滤料没有完全在过滤器段充填密实，直接导致的后果是水井出水量减少，其次则是水井出水会较浑浊。

成孔阶段控制好以上要素基本上在钻孔质量上会得到足够的保证，钻孔施工的成败并不是最后的胜利，还需要进行成井工作。

2.5 管材焊接

焊接前要检查管材本身质量是否存在漏焊、沙眼，再进行管材安装下放焊接，各个管材之间的接头必须采用满焊，管材对接时要保证垂直度，避免产生弯曲。在滤水管上下两端需要设置扶正器使井管尽量处于孔位中心。

2.6 滤料的选择与回填

针对上海市第Ⅱ含水层，采用标准级配砂，粒径可按下式考虑：

D50=(6～12)d50。

其中，D50为填砾粒径；d50为滤管周围含水层颗粒粒径。在该项目中第⑨层滤料颗粒选用1.0 mm～3.8 mm(包括第⑨1层、第⑨2层、第⑨3层)。滤料回填要四周均匀回填，回填时边填边测回填高度，投砾时要平稳、缓慢，防止架桥。当回填高度比设计高度少1 m时停止投砾，等待滤料落实后再测量回填高度，直至到设计高度。滤料的回填会直接影响到水井的出水量。

2.7 止水材料回填

滤料回填密实后需要进行止水封填，回填材料主要采用粘土球，回填过程中缓慢四周均匀回填，回填至孔口。止水材料的回填主要目的是隔断各个含水层的水力联系。

2.8 洗井

止水回填后12 h内应进行活塞洗井，洗井宜采用空压机气举洗井结合活塞洗井的方式。气举洗井的主要功能是洗出井内的沉淀物；活塞洗井的主要作用是破坏孔壁的泥皮，使地层中的水更容易汇聚至水井中从而增加水井的出水量。

3 成井工艺

针对上海市第Ⅱ含水层，结合泵吸反循环设备的优势制定成井施工工艺。成井施工工序包括场地准备、井位放样、埋设护筒、钻孔、清孔、下放井管、回填滤料、回填粘土球、粘土、洗井等，成井施工是一项质量要求高，须在一个短时间内连续完成多道工序的地下隐蔽工程，施工必须要认真按照施工工艺流程进行。

3.1 测量定位

根据甲方提供的红线区和水准点资料，建立轴线控制网，埋设永久性标志，控制点布设在非施工区域，依据设计图纸放置井位。钻机就位调整稳固、周正、水平，先将机架底盘调到水平。

3.2 埋设护筒

护筒顶端至少高出地面0.3 m，护筒上部设溢浆孔；进入原状土2 m；筒埋设后，四周用粘土加草辫回填、捣实，防止钻孔时浆液从护口管外溢。

3.3 钻孔

采用FXZS-300型钻机配备三翼钻头，钻头直径为850 mm。钻进过程中采用自然造浆进行钻进，钻进同时记录钻进原始记录。钻进过程中粘土层速率为30 cm/min，第⑨层中的钻进速率为20 cm/min。钻进全程采用减压钻进。钻进过程中泥浆比重控制在1.15 g/cm3钻进至第⑨层使泥浆比重控制为1.12 g/cm3，过程中泥浆粘度为18.5 s，含砂量为0.6%。孔深89 m，钻进过程耗时42 h钻进至设计深度。

3.4 清孔

稍提钻具离孔底10 cm～20 cm，更换泥浆，更换后的泥浆比重保持1.06 g/cm3，粘度保持18 s，含砂量为0.6%，随后进行泥浆循环，直至能准确测量孔深，孔内泥浆中无泥块悬浮。清孔完毕后，孔底500 mm内泥浆比重应为1.06 g/cm3，含砂率不大于0.6%，粘度不大于18 s。

3.5 下放井管

井管采用钢管，壁厚8 mm，直径426 mm；过滤器选用缠丝过滤器，缠丝间距1.2 mm，壁厚8 mm，直径426 mm，孔隙率达20.2%，根据设计要求，先下放2 m长沉淀管，随后下放9 m长过滤器，并在过滤器两端焊接扶正器，最后按设计要求下放井管，井管高出地面30 cm。

3.6 回填滤料

井管安装下放完毕后开始回填滤料，回填高度为-89 m～-76 m，滤料颗粒选用1.5 mm～3.8 mm。回填时随填随测，回填高度严格按照设计高度进行施工。

3.7 回填粘土球、粘土

滤料回填完毕后，等待落实后进行止水材料(粘土球)的回填，回填高度为-76 m～-65 m；回填至设计高度后再回填粘土，回填高度为-65 m～0 m，回填时四周缓慢均匀回填。

3.8 洗井

该项目选用活塞洗井和空气压缩机气举法洗井的方式。活塞洗井法的原理是活塞在管内上下运动，反复造成瞬时局部负压和猛烈的水力冲击，通过滤水管孔隙破坏井壁残留泥皮，抽吸出管外砾石层及含水层中的稠泥浆和部分细砂，达到初步洗井目的。

止水材料回填后12 h内进行活塞洗井，活塞洗井时间进行4 h，活塞行程进行40次。活塞洗井结束后更换为空气压缩机气举法洗井，洗井时间为4 h，空气压缩机气举法洗井后测量井内沉淀物高度。

4 抽水

该项目一共施工6口第⑨层水井，施工结束后进行抽水试验，利用1号井作为抽水井进行抽水。抽水后抽水井的水位情况和观测井的水位情况见表2。

表2 抽水试验成果一览表

1号抽水井抽水稳定流量为456 m3/h，可见采用泵吸反循环工艺成井取得明显效果，降水工程经济性以及适用性受水井的出水量影响很大，单井出水量越大，相应的水井数量会得以减少，从而减少降水工程的造价。

5 结语

随着施工工艺的发展以及能源的日益紧缺和环保意识的提高，水井的成井工艺要不断的改进和提高，增加成井的单井出水量，尽可能降低钻井的工程造价已成为必要的趋势。

本项目实践表明：利用泵吸反循环钻进工艺施工上海市第Ⅱ含水层的水井具有可操作性和可行性。同时泵吸反循环钻进工艺也会继续研究，有助于成井工艺的不断完善。