一种降水管井环状间隙回填的环形振动密实装置及施工方法与流程

本发明涉及基坑工程降水井（管井）施工设备与工艺，具体涉及一种用于钻孔成井后、对井管外壁与钻孔壁之间环状间隙内回填滤料（砾砂或中粗砂）及封孔材料（粘土球）进行原位振动密实的环形装置及其施工方法。本发明特别适用于软土地区深基坑降水管井的环状间隙回填密实施工。

背景技术：

1、降水管井是基坑工程中降低地下水位、保障基坑干作业施工的核心技术手段。降水管井通常采用钻孔成井工艺：首先由钻机成孔至设计深度，随后下入井管（含滤管），再于井管外壁与钻孔壁之间的环状间隙（径向厚度通常为100mm至200mm）内依次回填滤料（砾砂或中粗砂）形成过滤层、回填粘土球形成隔水封闭段。这一环状间隙的回填质量直接关系到降水井的过滤效率、使用寿命以及基坑工程的施工安全。

2、现行国家标准gb 50296-2014《管井技术规范》第7.5节与cjj/t 13-2013《供水水文地质钻探与管井施工操作规程》仅规定了静水填砾、动水填砾（返水填砾/抽水填砾）、多层填砾及体积控量等回填方式，回填密实度主要依靠滤料级配与填入体积间接保证，无法实现原位机械夯实。中国农村水利水电《管井围填滤料的施工要求》（1999年11期）指出，管井围填滤料是在钻井过程中下完井管以后，向井管外壁与井孔内壁之间的环状间隙内围填滤料，但该文献同样未涉及任何机械密实手段。《机井施工中充填滤料和管外封闭质量控制》（科技信息2006年s3期）进一步指出，对井管与孔壁之间的环状间隙充填滤料和封闭材料是管井建设的重要环节，主要作用是固定井管、保证管井安全运行、防止地表污水沿井管入渗，但该文献同样未提出有效的机械密实解决方案。

3、中国发明专利cn117702787b公开了一种降水井填料装置，包括用于套设在降水井井管上端的中间套管，通过旋转座、进料口及压实组件实现滤料的均匀填料，其末端连接有压板。然而，该装置的压实组件仅能对井口附近的填料施加压力，无法下放至环状间隙深处进行全深度密实，且压板的压实作用方向主要为竖向，对于窄环状间隙内粒料的侧向填充与致密化效果有限。

4、中国发明专利cn118774684b公开了一种垂直下料井护壁管与井壁间环形空间充填装备，包括竖向布置的中心支撑杆、支撑座、水平支架及升降座等结构。然而，该装备主要解决的是充填物料的均匀布料问题，其定位件与升降座配合实现的是支撑与定位功能，并未涉及对已充填物料的振动密实处理，且其结构复杂、在降水管井的狭窄环状间隙内难以布置和实施。

5、在地质钻探完井领域，中国发明专利cn105696969b公开了一种脉冲机械撞击式固井振动器，安装于套管串浮箍的上部位置，在固井施工时随套管柱下入井内，通过脉冲振动活塞带动冲击杆产生撞击力，使水泥浆颗粒优化布置。然而，该固井振动器是针对石油天然气钻井固井作业设计的，其作用对象是套管与井壁之间环形空间内的水泥浆，而非降水管井环状间隙内的滤料和粘土球回填材料；其安装方式为串联于套管管柱底部，与本发明套设于井管外壁并可沿井管轴向自由升降的结构完全不同；且其脉冲撞击式作用方式对滤料颗粒可能造成破碎，对粘土球则可能造成结构性破坏。

6、此外，中国发明专利申请cn106759234a公开了一种管道周围回填砂加水振实的施工方法，通过将设有喷水管的抱箍固定于振捣器上，分层回填砂并进行振捣。该方法针对的是埋地管道周围的沟槽回填，作业空间开放、振捣器可从外部插入，与降水管井环状间隙这种竖向、狭窄、封闭的空间条件完全不同，其技术方案无法直接应用于降水管井的环状间隙回填。

7、上述现有技术存在的共同缺陷可归纳为以下几个方面：

8、第一，滤料回填密实度不足。由于缺乏有效的原位机械密实手段，滤料回填相对密实度仅约为40%至65%，运行期沉降率达5%至15%，且粒料在重力下落过程中易发生离析和架桥现象。cn117702787b的压实组件虽然能够在井口附近提供一定的压实作用，但无法解决环状间隙深处的密实问题。

9、第二，粘土球封闭不可靠。粘土球投放至环状间隙内容易形成架桥和空洞，水化坐实后残余孔隙率仍约为15%至30%，单靠投球难以形成有效的水力隔离层。cn118774684b的充填装备虽然能够改善物料分布的均匀性，但无法解决粘土球之间的架桥和密实问题。

10、第三，封闭不密实引发的水力问题严重。封闭段不密实将引发绕渗或层间串通：深部承压水沿环状间隙上窜（突涌或管涌）、浅层污水下渗污染承压水层、降水井“抽错层”导致降深不足等工程事故屡见不鲜。

11、第四，行业缺乏有效的机械促密手段。绳钻（cable-tool）时代曾有利用钻具自身重量进行夯实的做法，但仅适用于大井径浅井，且随着现代回转钻工艺的普及已被淘汰。目前行业现状是：(a)机械促密手段严重缺失；(b)可靠封闭依赖于事后“管外注浆”补强，而注浆前若回填空隙较大则浆液耗量高、填充不均匀，难以保证封闭效果。

12、因此，亟需一种能够在钻孔成井环状间隙内安全、有效、可下放至设计深度的机械促密装置与配套施工工艺。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种套设于井管外壁、可随填随振下放至全深度、且具有防偏摆卡阻功能的环形振动密实装置及施工方法。该装置及方法能够在回填过程中对环状间隙内的滤料和封孔材料进行原位振动密实，提高回填相对密实度、减少离析与架桥现象，并为后续管外注浆创造更加均匀的填充基底，从而整体提升降水井的滤层过滤效率与封闭段隔水可靠性。

2、本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、本发明提供一种降水管井环状间隙回填的环形振动密实装置，包括环形振动头、振动发生机构、导向限位机构和升降牵引机构；

4、所述环形振动头呈与井管同轴的环形结构，套设于井管外壁并位于井管与钻孔壁之间的环状间隙内，其内径大于井管外径、外径小于钻孔内径，径向厚度适配所述环状间隙；

5、所述振动发生机构固设于环形振动头以产生径向和竖向振动；

6、所述导向限位机构设置于环形振动头与井管之间，使环形振动头与井管保持同心并防止偏摆卡阻；

7、所述升降牵引机构连接环形振动头并实现环形振动头随回填面的分层下放与提升。

8、根据本发明的一个实施方式，所述导向限位机构包括沿环形振动头内壁均布的多组导向轮或弹性扶正器，所述导向轮或弹性扶正器与井管外壁弹性压贴，各组导向轮或弹性扶正器沿环形振动头内壁周向均匀分布，其数量不少于3组。

9、根据本发明的一个实施方式，所述振动发生机构为对称布置的至少两台振动电机，所述振动电机的频率与振幅可调；

10、所述环形振动头设有可更换内径衬套以适配不同井管外径。

11、根据本发明的一个实施方式，所述环形振动头沿直径方向分为两半瓣结构，两半瓣在井下通过锁紧机构抱合锁紧、在地面可拆卸分离。

12、根据本发明的一个实施方式，还包括深度传感器与控制器，所述控制器与填料设备信号连接，回填时自动启动振动、暂停时自动停止振动。

13、根据本发明的一个实施方式，所述升降牵引机构包括缆绳、井架滑轮与卷扬机，所述缆绳的一端连接环形振动头顶部，另一端经井架滑轮连接卷扬机。

14、本发明还提供一种降水管井环状间隙回填的环形振动密实施工方法，采用上述实施方式的装置，包括以下步骤：

15、（a）钻孔成井并下放井管至设计深度；

16、（b）将环形振动头套入井管并下放至环状间隙底部；

17、（c）自底向上分层回填滤料，每层回填同步开启振动发生机构使回填体密实；

18、（d）随回填面上升逐步提升环形振动头，并保持环形振动头埋入回填体中的深度不小于0.5m；

19、（e）回填至封闭段时改用粘土球回填，切换至低频振动或停止振动并向环状间隙内注水促进粘土球水化坐实；

20、（f）回填至孔口后洗井，补填顶面沉降量；

21、（g）施作管外封闭注浆补强；

22、（h）进行单井抽水试验并监测水温或电导率以判断是否存在层间串通。

23、根据本发明的一个实施方式，步骤（c）中每层滤料的虚铺厚度为0.3m至0.5m，振动频率根据回填材料调整：滤料回填段采用20hz至50hz，粘土球回填段降频至10hz以下或停止振动。

24、根据本发明的一个实施方式，步骤（g）中所述管外封闭注浆采用水泥-膨润土浆液，通过注浆管注入环状间隙内以填充回填残余空隙及界面滑裂面。

25、根据本发明的一个实施方式，还包括回填体积实时反算步骤：将实际填入体积与理论环状间隙体积进行比对，当偏差超过5%时发出报警信号并检查是否存在架桥现象。

26、综上所述，与现有技术相比，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

27、第一，可实现全深度振动密实。本发明采用套设于井管外壁的环形振动头结构，配合导向限位机构和缆绳牵引升降系统，克服了传统“重块锤击下不去、易卡死”的缺陷，环形振动头可沿井管外壁顺利下放至20m至30m甚至更深的设计深度，实现对环状间隙全深度的振动密实。

28、第二，振动密实效果优于冲击夯实。本发明采用振动而非冲击的作用方式，振动使粒料产生重新排列、颗粒间的相对位移增加、细小颗粒填充至大颗粒间的空隙中，同时伴随泌水沉降效应，在窄环状间隙的约束条件下仍能实现高效致密化。与现有技术的脉冲机械撞击式固井振动器相比，本发明的振动方式不会对滤料颗粒造成破碎，也不会破坏粘土球的结构完整性。

29、第三，封闭段兼容性良好。本发明针对封闭段（粘土球回填段）采用低频振动或停止振动并注水的工艺措施，避免了高频振动或冲击作用击碎粘土球、制造新的渗水通道，同时注水促进了粘土球的水化反应和坐实效果，使封闭段更加密实可靠。

30、第四，显著降低后续注浆成本并提高注浆效果。经过本发明振动密实后的回填体更加均匀致密，残余空隙率大幅降低，为后续管外封闭注浆创造了良好的填充基底。与现有技术中“先回填后注浆、注浆前回填空隙大”的工艺相比，本发明的注浆浆液耗量可显著下降，且浆液填充更加均匀，整体封闭可靠性大幅提升。

31、第五，施工过程智能化、可控化。本发明通过深度传感器与控制器的配合，实现了回填与振动的联动控制；通过回填体积实时反算功能，实现了回填密实度的实时监控与预警，确保了施工质量的可知可控。