尹暢昱 王思丹

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地埋管地源熱泵系統(tǒng)在喀斯特地區(qū)的鉆孔施工技術(shù)分析

尹暢昱1王思丹2

（1.杭州中聯(lián)筑境建筑設(shè)計(jì)有限公司 杭州 310006； 2.浙江省武林建筑裝飾集團(tuán)有限公司 杭州 310030）

地埋管地源熱泵系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用地區(qū)越來越廣，在喀斯特地區(qū)的應(yīng)用工程也與日俱增。但是喀斯特地區(qū)地質(zhì)狀況較復(fù)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(qū)的發(fā)展。針對(duì)喀斯特地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究其特征，分析了在鉆孔施工中應(yīng)注意的問題，并提出了一套在喀斯特地區(qū)可行性較高、成本較低的鉆孔施工技術(shù)。

地埋管地源熱泵系統(tǒng)；喀斯特地區(qū)；鉆孔施工技術(shù)

0 引言

地埋管地源熱泵系統(tǒng)是一種利用地下淺層地?zé)崮茉吹募饶芄嵊帜苤评涞母咝Ч?jié)能環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)[1]，系統(tǒng)通過輸入少量的高品位能源（如電能），實(shí)現(xiàn)低溫位熱能向高溫位熱能轉(zhuǎn)移。其工作原理：在夏季，熱泵機(jī)組將建筑物中的熱量取出，轉(zhuǎn)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(tǒng)因其節(jié)能高效的優(yōu)越性在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，在喀斯特地區(qū)的應(yīng)用也日漸增多，尤其是在貴州地區(qū)。貴州地處我國(guó)西南地區(qū)，喀斯特微地貌地區(qū)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?？λ固刂饕缚扇苄詭r層在水的作用下產(chǎn)生了化學(xué)溶蝕作用，并伴隨沉積、塌陷等過程，形成獨(dú)特的地質(zhì)[3]。

巖土物性是影響地埋管地源熱泵系統(tǒng)的重要因素。地質(zhì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣在一定程度上影響著地源熱泵系統(tǒng)能否高效運(yùn)行和鉆孔施工的難易?？λ固氐貐^(qū)的地下洞穴和溝壑，常造成機(jī)械沖孔泥漿護(hù)壁樁孔內(nèi)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(zhì)條件下機(jī)械沖孔樁卡錘原因及其對(duì)策，但是該方法是針對(duì)建筑打樁提出的，對(duì)于地埋管地源熱泵打孔的指導(dǎo)意義不是很大。何文君[5]等研究了巖溶地區(qū)淺層巖土體熱物性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)巖溶一般至中等發(fā)育的白云巖綜合熱導(dǎo)系數(shù)達(dá)到2.27～3.12W/(m·℃)，具有較強(qiáng)的地下?lián)Q熱能力，但是文中未給出喀斯特地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特性與共性。高峰[6]提出在地源熱泵打孔中選擇適當(dāng)?shù)难h(huán)注入物是影響鉆孔質(zhì)量與效率的關(guān)鍵，但是文中未給出適宜喀斯特地貌的鉆孔施工技術(shù)。

針對(duì)喀斯特地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究其特征，分析了在鉆孔施工中應(yīng)注意的問題，并提出了一種在喀斯特地區(qū)可行性較高的鉆孔施工技術(shù)。

1 喀斯特地質(zhì)成因

喀斯特地形，又稱溶蝕地形、石灰?guī)r地形，是具有溶蝕力的水對(duì)可溶性巖石進(jìn)行溶蝕等作用所形成的地表和地下形態(tài)的總稱。水對(duì)可溶性巖石所進(jìn)行的作用，統(tǒng)稱為喀斯特作用[4]。

中國(guó)現(xiàn)代喀斯特是在燕山運(yùn)動(dòng)以后準(zhǔn)平原的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。老第三紀(jì)時(shí)，華南為熱帶氣候，峰林開始發(fā)育；華北為亞熱帶氣候，長(zhǎng)江南北為荒漠地帶，是喀斯特發(fā)育很弱的地區(qū)。新第三紀(jì)時(shí)，中國(guó)季風(fēng)氣候形成，奠定了現(xiàn)今喀斯特地帶性的基礎(chǔ)，華南保持了濕熱氣候，華中變得濕潤(rùn)，喀斯特發(fā)育轉(zhuǎn)向強(qiáng)烈。尤其是第四紀(jì)以來，地殼迅速上升，喀斯特地貌隨之迅速發(fā)育，類型復(fù)雜多樣。

在貴陽地區(qū)，地層位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆遵義斷拱貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)，喀斯特地貌，巖層產(chǎn)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?yàn)橹鱗7,8]。巖石主要為可溶性碳酸鹽巖，區(qū)內(nèi)的巖溶個(gè)體形態(tài)較發(fā)育，主要表現(xiàn)為溶溝、溶槽、巖溶洼地、落水洞等。

2 喀斯特地質(zhì)特征

2.1 巖石與土壤交替出現(xiàn)

在喀斯特地區(qū)，在多個(gè)測(cè)試井的地質(zhì)情況中發(fā)現(xiàn)，原始土壤層都較厚，平均厚度可達(dá)20米，且在土壤層中有零星的巖石交替出現(xiàn)，如圖1所示，在縱向和橫向，大塊巖石會(huì)零星地?zé)o規(guī)律地分布在土壤層中。這種情形對(duì)鉆井造成了一定的困難，對(duì)鉆頭的要求也較高，鉆頭要既能應(yīng)付厚重的土壤層，也能鉆動(dòng)堅(jiān)硬的巖石。

圖1 巖石和土壤交替出現(xiàn)的喀斯特地質(zhì)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(zhì)活動(dòng)較復(fù)雜，其形成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jīng)鉆探的喀斯特地區(qū)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(duì)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?lián)Q熱管時(shí)將費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。

2.3 黃泥碎石緊密混雜

經(jīng)鉆探的喀斯特地區(qū)的地質(zhì)中經(jīng)常出現(xiàn)黃泥緊密夾雜碎石的狀況，如圖4所示，碎石與黃泥結(jié)合較密實(shí)，碎石質(zhì)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(fēng)化層較多

經(jīng)鉆探的喀斯特地區(qū)的地質(zhì)中發(fā)現(xiàn)在地下約40～55米處存在高度風(fēng)化破碎層，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎嚴(yán)重，以碎石為主，少量為塊狀和大顆粒狀，結(jié)合松散，如圖5、圖6所示，在鉆孔時(shí)，因?yàn)殂@桿的震動(dòng)，高度風(fēng)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(shí)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(fēng)化巖石圖

2.5 碳酸鹽巖層厚度較大

從經(jīng)鉆探的喀斯特地區(qū)的地質(zhì)中發(fā)現(xiàn)，地層中的碳酸鹽巖層厚度較大，主要為白云巖和石灰?guī)r，且風(fēng)化程度不一。因?yàn)樘妓猁}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(jīng)鉆探的喀斯特地貌地質(zhì)情況

續(xù)表1 經(jīng)鉆探的喀斯特地貌地質(zhì)情況

3 鉆孔施工技術(shù)

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(duì)喀斯特地質(zhì)中淺層巖石與土壤交替出現(xiàn)的情況，首先用水鉆機(jī)和潛孔鉆機(jī)交替使用，水鉆機(jī)選用比鉆孔大一號(hào)的三翼鉆頭，潛孔鉆機(jī)選用比鉆孔大一號(hào)的潛孔鉆頭。出現(xiàn)土壤時(shí)使用水鉆機(jī)，出現(xiàn)巖石時(shí)使用潛孔鉆機(jī)，建議下套管穩(wěn)固井壁，一般下套管20米左右。如此有針對(duì)性的交替使用，可以明顯加快鉆孔速度。

針對(duì)喀斯特地質(zhì)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(jī)的潛孔鉆頭上下打磨，如果巖層較堅(jiān)硬，建議放慢鉆桿速度。

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

針對(duì)喀斯特地質(zhì)中高度風(fēng)化層較多的情況，建議使用潛孔鉆機(jī)，對(duì)于較淺層的碎石層，可以加套管加固井壁，對(duì)于較深層的碎石層，可以加入適量膨脹劑，穩(wěn)固碎石層后再進(jìn)行施工。

針對(duì)喀斯特地質(zhì)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(jī)時(shí)，可能因?yàn)闅怏w的力度不夠而在鉆井底沉積了大量的細(xì)砂，為了下管時(shí)地埋管能順利到達(dá)井底，可以使用水鉆機(jī)將沉砂筒放入井底，灌入水后將細(xì)砂提出。

4 結(jié)論

（1）由于喀斯特地區(qū)的地質(zhì)特殊性，地埋管地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行鉆孔時(shí)，常遇到巖石與土壤交替出現(xiàn)，巖面傾斜角度不一，黃泥碎石緊密混雜，高度風(fēng)化層較多，偶有斷層空洞出現(xiàn)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(duì)喀斯特地區(qū)的各項(xiàng)地質(zhì)特征，提出了相應(yīng)的鉆孔施工技術(shù)，經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比使用后，可以有效的加快鉆孔速度，提升鉆孔質(zhì)量，減少鉆孔天數(shù)，節(jié)約鉆孔時(shí)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(yīng)用新領(lǐng)域地源熱泵技術(shù)[J].巖土鉆掘工程,2002(s1):45-48.

[2] 王勇.地源熱泵的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),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(duì)水土保持影響[J].河南水利與南水北調(diào),2012(4):65-66.

[4] 覃彬.喀斯特地質(zhì)條件下機(jī)械沖孔樁卡錘原因及對(duì)策[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2013(11):95-96.

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

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

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

[8] 譙文浪,陳武,劉凌云.25萬貴陽市幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果[J].中國(guó)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