李 炯， 王 瑜， 孔令镕， 錢程遠， 胡茂興， 劉寶林， 陳 坤

(1.中國地質(zhì)大學〈北京〉工程技術(shù)學院，北京 100083; 2.國土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室，北京 100083; 3.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京 100083; 4.北京天順長城液壓科技有限公司，北京 100083)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程的加快，水資源短缺和人均耕地面積不斷減少的問題日益嚴峻。我國淡水資源的31%為地下水，由于地表水污染越來越嚴重，到20世紀80年代末，全國71%的城市將地下水作為城市供水水源[1]；我國鹽堿化土地面積占我國可利用土地的13.4%，鹽堿化使部分地區(qū)寸草不生[2-3]，每年需投入大量精力改良鹽堿地。輻射井在地下集水過程中具有單井出水量大、水質(zhì)穩(wěn)定、壽命長、運營成本低等特點[4-7]，在鹽堿地改良中根據(jù)其擁有的排水速度快且單井即可控制較大土地面積的特點而具有良好的發(fā)展前景。

本文調(diào)研了傳統(tǒng)的輻射井施工方法，分析出這些方法中存在施工安全性低、鉆進效率慢且鉆孔質(zhì)量差等問題，為解決這些問題提出輻射井的集水井施工可采用旋挖鉆進而輻射孔的施工可采用水平定向鉆進技術(shù)來完成，通過在山東省東營市孤島鎮(zhèn)進行現(xiàn)場實驗，驗證了該方法具有施工速度快、成井質(zhì)量高等特點，進一步研究后可推廣應用。

1 輻射井技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 輻射井的結(jié)構(gòu)

輻射井是一種高效取水構(gòu)筑物，包含大直徑豎向集水井和小直徑水平輻射孔兩部分，因其水平輻射孔以豎向集水井為中心向周圍地層輻射而得名[8]，如圖1所示。

圖1 輻射井示意圖

一般豎向集水井只起集水的作用，根據(jù)地層情況，可選用鋼筋混凝土或磚塊兒等不透水材料來修筑豎向集水井，而水平輻射孔中則需要鋪設(shè)具有過濾功能的鋼管或PE管，為達到輻射井所要求的出水量，可根據(jù)地層的含水情況來鋪設(shè)多層或多根水平輻射孔[9]。

1.2 輻射井的施工

由于輻射井主要由集水井和輻射孔兩部分組成，因此需要對二者分別進行施工，傳統(tǒng)施工方案及施工過程中出現(xiàn)的問題如下。

1.2.1 傳統(tǒng)集水井的施工

傳統(tǒng)集水井施工方式主要包含沉井法、人工挖孔-逆作法和反循環(huán)成孔-漂浮沉管法[10-11]：(1)沉井法是指預制混凝土井管僅依靠重力沉入土體，在井管下沉的同時需不斷將井內(nèi)土體挖出的一種集水井施工方法，鑒于此，沉井法通常在松軟地層應用較多，但所形成的豎井深度和直徑均有限，通常深度<20 m，直徑為4～8 m，該方法具有施工簡單、安全性高的優(yōu)點，遇較硬地層或直徑較大的集水井則不宜采用該方法；(2)人工挖孔-逆作法是指先通過人工開挖裸孔，再澆筑混凝土或其他材料的施工方法，該方法可用在較硬地層中，雖然可以開挖各種直徑的集水井，但是由于人力有限，單次開挖的深度通常不超過1.5 m，且施工過程中工作人員需要長期待在環(huán)境惡劣的井下，存在較大的安全隱患；(3)反循環(huán)成孔-漂浮沉管法是指通過反循環(huán)鉆機鉆成裸孔，再采用漂浮沉管法下入大直徑井管的方法，漂浮沉管法是指先將第一節(jié)井管封底，再將第二節(jié)對接到前一節(jié)上，并將接頭處密封，最后通過調(diào)節(jié)重力和浮力下入各井管的施工方法，該方法適用于各種地層、不同管徑的集水井，雖然安全性和成井質(zhì)量高于前兩種方法，但成孔速度卻低于前兩種。

1.2.2 傳統(tǒng)輻射孔的施工

相較于豎向集水井，水平輻射孔具有更大的施工難度，傳統(tǒng)水平輻射孔的施工通常是在豎向集水井施工完成后，攜帶水平鉆機的施工人員到達豎向集水井中指定深度，再將鋼質(zhì)濾水管通過豎向集水井上預留的孔洞鋪設(shè)到地層中[12]，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)輻射孔施工圖

按照動力分類可將濾水管的鋪設(shè)方法分為3種：人力錘擊、頂入和跟管鉆進。(1)人力錘擊法是指通過人力將鋼質(zhì)濾水管錘入地層中，該方法不但勞動強度大，施工安全性差，還由于此種方法的能量有限，導致只能鋪設(shè)有限長度的濾水管；(2)頂入法是指通過專用設(shè)備，包括水平鉆機或千斤頂?shù)葘V水管頂入地層中，此方法只適用于剛性濾水管，且由于井內(nèi)空間有限，導致每次只能頂入有限長度的濾水管；(3)跟管鉆進法是指采用潛孔錘跟管鉆進技術(shù)，先鉆進到預定深度，然后抽出鉆桿，再用頂桿將軟式材料的濾水管頂入套管內(nèi)，最后拔出套管的方法[13]。

因此，傳統(tǒng)集水井施工方法具有局限性或者施工效率低等問題，而傳統(tǒng)輻射孔施工時，大量地下水易從已施工完的輻射孔中涌入集水井中，且操作人員需長期在集水井中工作，在這種狹小空間中操縱鉆機，具有施工安全性低、鉆進效率慢、成孔質(zhì)量差等問題，而采用旋挖和水平定向鉆進技術(shù)的輻射井成井方案將有效解決這些問題。

2 新輻射井成井方案

鑒于傳統(tǒng)輻射井成井方案中存在諸多問題，這里提出一種新的成井方案，即以旋挖的方式完成集水井施工，以水平定向鉆進的方式完成輻射孔的施工。

2.1 旋挖和水平定向鉆進介紹

旋挖成孔的原理是鉆機帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)，鉆桿和底部鑲有鉆頭的桶式鉆斗相連，旋轉(zhuǎn)切削的巖土可進入鉆斗內(nèi)，當鉆斗內(nèi)部裝滿土體之后可將其提出并卸土。旋挖鉆機自20世紀80年代引入我國之后，憑借成孔效率高、孔徑偏差小和施工安全性高等特點而在成孔施工中廣受歡迎[14]。

水平定向鉆技術(shù)是由20世紀60年代的一種非開挖鋪設(shè)管道的方法發(fā)展而來[15]，施工過程主要包括3步。(1)定向孔鉆進：在動力驅(qū)動下，鉆頭鉆具同水平面呈一定角度進入地層中，通過控制鉆頭鉆具的運行軌跡先進行小直徑孔的鉆進；(2)擴孔：利用擴孔器將第一步鉆成的小直徑鉆孔擴充到所需直徑，若所需直徑較大通常會進行多次擴孔，逐步達到要求；(3)回拖：定向鉆進所用的鉆桿上面通常安裝有單動器可用來連接管道和鉆桿，回拖鉆桿從而帶動管道鋪設(shè)到第二步所形成的鉆孔中，完成管道的鋪設(shè)[16]。

2.2 現(xiàn)場實驗

2.2.1 場地介紹及目的

本實驗場地位于山東省東營市孤島鎮(zhèn)的一片農(nóng)田，該場地屬黃河三角洲地區(qū)，海拔不到2 m，地下水埋深在1 m左右，土地鹽堿化嚴重，不利于農(nóng)作物生長，且場地中有一條溝渠，兩邊為堤壩。該實驗是為驗證采用旋挖和水平定向鉆進結(jié)合的方式在輻射井成井過程中的可行性并在以后將其用于鹽堿地改造。

2.2.2 實驗過程

2.2.2.1 集水井的施工

集水井施工過程可分為集水井鉆進和下水泥護筒兩部分，根據(jù)規(guī)范，為保證集水井在鉆進過程中不會坍塌，必須滿足在鉆進時井內(nèi)水位高于地下水位1.5倍管井以上，因此，集水井位置選擇在堤壩的中部。

為方便大型旋挖鉆機施工，本次實驗在鉆進集水井前搭建了一個高度約2.5 m的施工平臺，旋挖鉆機的成孔直徑為2.2 m，為防止塌孔，鉆進深度達到2 m之后下入外徑為2.2 m高度為2 m的鋼護筒作為支撐體，如圖3所示，在鉆進過程中需始終保持井內(nèi)泥漿充足以平衡地層壓力，集水井完井深度為17 m。

圖3 集水井施工圖

集水井鉆進過程結(jié)束之后，為采用漂浮法下入水泥護筒需平整井口并墊放枕木，在枕木上放入事先由光滑的鋼桶焊接而成的四邊形支架，漂浮法下入水泥護筒即是將做好封底的且底部焊接有4個吊耳的水泥護筒吊到井口，然后將鋼絲繩鎖死在吊耳上，另一端纏繞到四邊形支架上，此工程考慮到水泥護筒重量巨大，為保證安全而在完成上述步驟之后將4根鋼絲繩又分別纏繞到了已經(jīng)楔入到地下的樁上，4根鋼絲繩同步下放即可使水泥護筒下入豎井中，等到第一節(jié)水泥護筒即將完全下入到豎井中時再吊裝第二節(jié)護筒到前一節(jié)上，并將接頭處密封，如圖4所示，重復下沉水泥護筒的動作直到水泥護筒的長度和集水井高度相差無幾，期間若因浮力導致水泥護筒無法下沉可向其中注入清水等來平衡浮力。最后，為防止水泥護筒傾斜，可在水泥護筒下入完成后在其外壁與孔壁之間的間隙中投入砂石，并將護筒內(nèi)的水抽出，至此，集水井的施工結(jié)束。

圖4 下放水泥護筒圖

2.2.2.2 輻射孔施工

輻射孔中的濾水裝置采用?75 mm HDPE管，在開始鉆進前需要在HDPE管上打濾水孔，每50 mm的長度上錯開布置6個，孔隙率為4%，為防止地層中細小的顆粒大量進入濾水管最后進入集水井，需要在濾水管外套上能起到過濾作用的土工布，完成之后如圖5所示。

圖5 濾水管

本實驗采用輻射孔施工方法中的“一鉆雙孔”方式，即鉆頭從入土點進入地層，直接穿過集水井，在對側(cè)方向繼續(xù)鉆進輻射孔；與之對應的是“一鉆單孔”，即鉆頭從入土點進入地層，鉆進到集水井之后停止。

第一次鉆進的入土位置選擇與堤壩軸線夾角為105°，水平方向距集水井50 m處，出土位置在水平方向距離集水井為41.3 m，即第一條輻射孔水平方向總長度為91.3 m，該輻射孔最大埋深為3.5 m且鉆進到集水井時保持最大埋深，鉆進流程見圖6。

圖6 輻射孔施工流程圖

為保證鉆孔之后回拖濾水管的時候輻射孔不被坍塌的地層堵塞并省略擴孔步驟，本次鉆桿采用雙壁鉆桿，即內(nèi)鉆桿和鉆頭連接保證鉆進，外鉆桿起到支撐土體作用。濾水管的回拖方式是卸掉鉆頭，將鋼絲繩一端同內(nèi)鉆桿連接固定另一端連接濾水管，回拖穿過外鉆桿，最后通過鉆機將外鉆桿拖拽回地面?；赝蠟V水管時，根據(jù)阻力不同可選擇人力拉拽或機器拖拽，依次鉆進3個輻射孔，每孔參數(shù)如表1所示。

表1 輻射孔參數(shù)

通過本次實驗驗證了輻射井中集水井由旋挖鉆機施工，輻射孔由水平定向鉆進成孔的技術(shù)的可行性，并且該施工方法在施工速度、精度及安全性等方面均遠遠高于傳統(tǒng)輻射井施工方法，此次采用的雙管定向鉆進工藝通過3次鉆進形成6個輻射孔，有效地克服了粉細砂地層易坍塌的問題，施工完成之后現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 實驗現(xiàn)場輻射井平面圖

3 結(jié)論

(1)輻射井作為一種在城市地下水供應和鹽堿地改良中廣泛應用的高效構(gòu)筑物，傳統(tǒng)的施工方法具有局限性，且存在勞動強度大、施工速度慢、安全性低及鉆孔質(zhì)量差等缺點。

(2)通過現(xiàn)場實驗，以旋挖鉆進輻射井中的集水井部分，以水平定向鉆進輻射井中的輻射孔部分的新型輻射井施工方案具有施工速度快、安全性好及成井質(zhì)量高等特點，采用的雙管定向鉆進工藝能有效克服地層坍塌導致的無法鋪設(shè)濾水管現(xiàn)象。

(3)新輻射井施工方案在濱海鹽化潮土地層中得到了良好驗證，而在其他地層復雜地區(qū)能否取得良好效果以及對鹽堿地土壤的改良效果還需要進一步實驗研究。