天津市某地环境调查中巢式地下水监测井施工工艺研究

刘文强 罗志波 王佳奇 王君宝 张翰奇

（天津市地球物理勘探中心）

全国每年投入大量资金用于土壤环境质量调查、污染场地调查等项目，这些项目都需要建立浅层地下水监测井，地下水监测井建井也是这类项目中主要的施工过程。目前地下水监测井多由单井或一组不同深度的群井组成，存在着施工周期长、投资大、占地较多、不方便监测井的保护和管理等问题。因此，急需一种施工周期短、成本低、能够快速准确地提取不同层位地下水的建井工艺。

因此，研究与改进适合环境调查地区特点的单孔多层地下水监测井成井工艺，遵循“成本低、施工效率高、多段含水层独立建井、避免不同层位地下水混染”等原则，保证地下水环境调查污染物数据的真实性、可靠性，探索一套完整、系统、可靠的方法来检验地下水多层监测井的封水、止水技术，推动地下水环境调查事业发展。

1 区域环境条件

天津位于渤海之滨，地貌类型包括平原、丘陵、山地等，总的地势北高南低，由北部山地向东南部滨海平原逐级下降。试验场地位于天津市西部武清区，属于华北平原东部冲、洪积平原区。该区地势较平坦，自西北向东南倾斜，潜水含水层岩性主要为粉质黏土、粉细砂、粉土，水位埋深以1～3 m为主［1］（图1）。

2 监测井设计

2.1 工作区位置选择

（1）具有代表性。天津市武清区位于华北平原北部，潜水含水层在垂向上表现为多个沉积韵律的特征，这种特点具有很高的代表性，此地可以作为该区域浅层地下水系统的控制点（图2）。

（2）具有实用性。监测井位于天津市武清区某COD污染地块内，深度2～5 m的粉土、粉砂层与7～10 m的粉土之间有明显的化学差异。

（3）天津市正在全面开展土壤污染环境调查项目工作，单孔多层地下水示范监测井建设可以与项目施工相结合，在地下水环境调查与修复施工方面实现突破。

2.2 技术路线

巢式地下水监测井建设是以实现传统单孔多层地下水监测为目标，重点突破传统单孔多层监测井的设计、施工、成井等成套技术，主要遵循“成本低、效率高、数据准确真实、便于采样与维护”等原则，进行了前期研究和论证工作［2］。

（1）研究复杂地层韵律潜水含水层，分析巢式地下水监测井建设的可行性。华北平原地区潜水含水层岩性主要为粉质黏土、粉土、细沙等交替出现，透镜体普遍分布，如何准确判断隔水层位置并止水是关键。

（2）在巢式地下水监测井建设过程中的钻探、开孔、取心、下套管、量尺、下井管、封孔止水、提套管、成井（图3）、洗井技术等方面进行试验研究，力求在成井和施工工艺上有所创新。

（3）采集巢式监测井与传统双井监测井2类成井工艺地下水样品，分析检测数据结果，判断工艺可行性，进而从成本、工期等方面论证其经济性。

2.3 风险分析

该监测井首次在天津地区组织实施，钻井深度只有10 m，采用北京A30型钻机，首次利用PVC材料井壁，在套管保护下，分别在同一眼井内成井2次。因此，该项目存在一定的风险，主要包括以下几方面。

（1）由于PVC材质监测井管较轻，在泥浆水中有较大的浮力，不容易下到位。

（2）成井过程中，若黏土球、石英砂深度参数不合理和岩性编录深度不准确时，很可能出现井管下不到位（图4）。

（3）巢式监测井若止水工序出现问题，将会导致多段含水层水位相互连通，使钻孔施工工程报废。

为了避免上述各类风险的发生，在成井过程中必须严格从方案设计、钻探施工、设备选用、抗风险预案和事故处置预案等多个方面都要做到缜密考虑和部署，确保工程顺利进行、万无一失。

3 施工技术与成井工艺

3.1 钻探设备

本次选择北京A30型钻机作为监测井的主要钻探设备，钻具采用ϕ200、ϕ160 mm改进型钻头，ϕ200 mm套管，绳索重锤与常规环境调查类施工设备基本一致。

3.2 钻探工艺

为保证岩心采取率［3-4］和样品抗扰动性，采用绳索重锤式无水钻进方式和ϕ200 mm套管护壁建井工艺，利用ϕ160 mm钻头进行钻探土壤样品取样，本次岩心采取率大于90%。

3.3 成井工艺

选择天然石英砂滤料，规格为直径2～5 mm，无杂质粉末。止水材料选择机制红色无污染黏土球。井管采用75 mm口径PVC材质井管。选用直径为200 mm不锈钢套管跟进，防止钻进过程中塌孔。下管分2次采用钻机跟进式装填，由深到浅依次下入，通过管箍丝扣连接管材，管箍外径为78 mm。利用便携式伸缩尺进行测量校正深度，先投入黏土球，再投入石英砂，依次往复，投入投滤料和黏土球的体积要计算精确，工序不能出错（图5）。

4 监测方案

当深部1套井管下完后，逐步提取套管，再下第2套井管和第二阶段套管提取，2套井管全部下完、成井后，利用自吸泵分2次分别洗井，洗至水清沙净；为验证试验工艺的可靠性和准确性，在原点建立2口传统工艺监测井，洗井至水清沙净，然后取4组水样进行水质测试。

根据巢式地下水监测井与传统地下水监测井的化学需氧量、生化需氧量等6项检测指标对比分析发现，监测数值基本一致，变化幅度较小，满足地下水环境调查中平行样质控标准，进而充分说明单孔双层地下水示范监测井的分层止水效果显著（表1）。

5 结 论

（1）巢式监测井是针对传统监测井的不足而设计的，相较于传统监测井，其最大创新点在于在一眼钻孔内实现对多个特定含水层的监测，具有节省建井和监测成本、缩短施工周期、节约用地、便于管理等诸多优点，其建井施工和成井工艺可视为水文地质钻探方法的一种突破［3］，达到地下水动态监测投入最少［4］。

（2）巢式监测系统可以实现一孔对2～3层含水层的监测，进而能够满足浅层地下水环境调查、场地环境调查中的应用，特别是在国土面积较大的发展中国家具有广阔的前景，在地下水动态监测设施建设过程中值得推广应用［5］。