桩管成井法施工安全试验研究.pdf

! ! ! ! “ “ “ “ 安全工程 桩管成井法施工安全试验研究 龚友成张萍 （中钢集团武汉安全环保研究院武汉 430081） 摘要在利用垃圾场填埋气体发电成井施工过程中， 桩管成井抽气法被普遍应用。但成井过程中的气体爆炸安全问 题是一大隐患。通过施工现场模拟试验和实际成井试验研究， 解决了如何防止成井过程中产生气体爆炸危险的方法。 关键词桩管成井填埋气体爆炸危险垃圾填埋场 Safety Research on the Construction of Pile Wellforming GONG YouchengZHANG Ping （Sinosteel Wuhan Safety & Enwironmental Protection Research InstituteWuhan 430081） AbstractPiIe weIIforming air extraction method is commonIy appIied in the weIIforming construction of using waste burying gas to generate eIectricity，but gas expIosion in the weIIforming process is a probIem. Some methods how to prevent gas expIosion in this process are raised through studies on construction site simuIation test and weII forming test. KeywordspiIe weIIformingburying gasexpIosion dangerIandfiII 目前， 垃圾填埋场抽气井施工常采用桩管法和钻孔法。 钻孔法的弊端是施工时空气容易进入钻孔内与垃圾填埋体 中的填埋气体 （主要是甲烷） 混合而在钻孔内达到爆炸浓度 极限范围以内， 当钻头遇到石块等坚硬物质时， 一旦产生火 花会引起爆炸， 且不易事先采取防护措施。与钻孔法相比， 桩管法具有施工速度快、 成本低等优点， 因而具有一定优势。 但是传统的桩管法施工工艺也存在桩管内因填埋气体而引 发爆炸的可能性。施工过程中， 填埋气体有可能从桩尖与桩 管之间的缝隙进入桩管内， 并与桩管内的空气混合而达到爆 炸浓度极限范围， 在桩锤击打桩头时， 由于桩锤对桩头连续 撞击， 使木桩头温度不断升高， 有可能造成木桩头阴燃、 炭 化， 甚至产生明火。另外， 在桩头与桩管撞击下， 也可能产生 火花， 引起桩管中的混合气体发生爆炸。如因桩管强度偏 低， 不足以抵抗管内填埋气体爆炸时所产生的压力， 就会发 生桩管爆裂事故， 从而造成设备损坏和人员伤亡。本研究的 目的是对桩管法成井施工过程中如何防止填埋气体进入桩 管内部， 从而引发填埋气体爆炸事故的可能性进行探讨， 并 对成井施工工艺的安全问题进行试验研究， 以制定安全可行 的成井施工方法。 1研究内容 桩管成井施工方法是， 打桩前， 在桩管底部先装填 1 m 高的粘土， 并加水湿润、 饱和， 以起到密封桩管与桩尖之间的 缝隙， 阻止成井过程中填埋气体进入桩管内的目的。 这种方法要解决的问题是：!采用既可起到良好的密封 作用， 又要来源广泛且便于采集的材料作封堵料；“最低安 全封堵高度；#加水的比例；$如用粘土作封堵料， 则土内允 许的含石量。 2试验方法 试验分现场模拟试验和现场实际成井抽气检测试验。 2.1模拟试验方法 模拟试验采用的模拟管为 HDPE 管， 管内径为 95 mm， 模 拟管长度为 1.5 m， 在距管壁底部以上 50 mm 处环绕管壁均 匀地钻了 8 个#4.5 mm 的小孔作为渗气孔。管底部用盖子 将其封死， 另一端开口， 用来往模拟管中装封堵料。 试验在已打好的抽气井中选择了填埋气体流量最大的 W7 # 、 W10 # 、 W35 # 3 口抽气井作为试验井， 井管内的气体流 速分别为 1.06 m/ s、 0.64 m/ s 和 0.76 m/ s。 封堵料选择了砂土、 膨润土， 建筑用细沙和粘土 4 种材 料， 其中膨润土粒度为 0.07 mm 以下的占 98%， 粘土和砂土 均为自然状态下的常见土。 试验时， 将装填好封堵料的模拟管架在集气管上， 模拟 管与集气管之间用塑料袋连接， 塑料袋两头用橡皮筋扎紧 （如图 1） ， 以保证从集气管冒出的气体在密封的塑料袋中保 持一定的气压， 可以从模拟管的 8 个小孔中进入管中， 以模 拟桩管成井过程中， 在不同封堵情况下的密封效果， 试验观 察时间为 6 h （因为打 1 口井的时间一般为 3 h 左右， 试验观 图 1 模拟试验 1模拟管； 2封堵料； 3管盖； 4集气管 出气口； 5进气孔； 6 密封袋； 7集气管 ·34· 2006 年第 32 卷第 5 期 May 2006 工业安全与环保 IndustriaI Safety and EnvironmentaI Protection 察证明， 正常情况下 6 h 不漏气， 则 24 h 都不会漏气。 ） ， 如超 过 6 h 在模似管中无甲烷气体渗入， 为密封效果良好 （甲烷 气体的体积分数报警线为 l%， 爆炸浓度下限为 5%） 。 2.2成井施工抽气检测试验方法 成井抽气检测试验是对正在施工、 桩管已达到设计深度 的抽气井进行桩管内部甲烷气体浓度的抽气检测 （如图 2） 。 抽气时， 将抽气管从桩管进料口放入桩管内， 直至管深为 22 h 处 （桩管深度 26 m） ， 抽气管的另一端接入抽气泵 （浙江 黄岩医疗器械厂生产的 ZXL4 型旋片式真空泵） 的抽气端 口， 开始抽气后， 将可燃气体检测仪 （深圳特安电子有限公司 生产的 SSS3l8B 系列便携式气体检测仪） 对准抽气泵的出 口端， 在检测仪上就可显示桩管内渗入甲烷气体的浓度。 图 2 抽气试验 l桩管； 2抽气管； 3堵塞料； 4检测仪； 5抽气泵 3试验结果及分析 3.1桩管模拟试验结果及分析 试验 l。将 4 种封堵料在不加水湿润饱和的状态下装入 模拟管中， 封堵高度为 l m， 架在抽气井上以观察密封效果。 检测结果表明， 4 种封堵料均不能满足封堵要求。模拟管中 的甲烷浓度在 6 h 以内全部达到 5%的爆炸下限值。 试验 2。将 4 种封堵料分别加水 （料水比 2=l） 人工混合 充分湿润后， 再填入模拟管中， 封堵高度分别为 l m、 0.5 m 和 0.25 m， 架到集气管上考察其密封效果。经 24 h 观测， 检 测结果为， 膨润土、 砂土、 粘土都能有效起到封堵甲烷气体渗 入的效果。建筑细沙由于保水性差， 颗粒大， 又无粘性， 水分 不能有效保持， 仅 l h 桩管中渗入的甲烷气体体积分数就已 达到 5%的爆炸下限。 试验 3。模拟实际成井封堵施工顺序， 即先将 4 种不同的 干封堵料分别填入桩管中， 然后往桩管中加水， 使桩管中的干 封堵料吸收水分自然充分湿润， 以达到封堵桩尖缝隙的目的。 该试验对 4 种封堵料也设计了 3 种不同的封堵高度 （l m、 0.5 m、 0.25 m） ， 且每种封堵高度又设计了 3 种不同的 料水比， 分别为 2=l， 3.5=l， 7=l。试验结果说明如下： （l） 在封堵高度为 l m， 料水比为 2=l 的条件下， 砂土和 粘土的封堵效果良好， 而膨润土和建筑细沙则出现渗漏甲烷 气体的现象， 尤其是膨润土粒度细， 被认为应该是很好的封 堵材料， 但试验结果不尽其然。为了证明膨润土的封堵优劣 性， 又在 W7 # 进行了增加饱和水试验。 膨润土加水后， 密封性反而变差， 且加水越多， 密封性越 差。从几次试验过后的模拟管中倒出的膨润土发现， 桩管底 部有相当部分的膨润土是干粉状， 并没有吸收到水分， 这是 因为膨润土的粒度较细， 加水后， 上层较细的膨润土发生结 团现象， 这种现象遏制了下层膨润土的吸水性， 并使膨润土 料结块， 加大了膨润土料层中的缝隙， 以致未能有效阻止甲 烷气体渗入桩管内， 起不到安全封堵效果。 （2） 在封堵高度为 l m， 减少加入封堵料中的水分时 （料 水比为 3.5=l 和 7=l） ， 砂土已不能起到有效的防渗作用。粘 土的抗渗性优于砂土的原因有：!因为粘土颗粒相互间具有 一定的粘结力， 其保水性较强， 因此， 达到饱和所需要的水分 远比干砂土少。“粘土颗粒比砂土细， 经湿润后抗渗性能要 优于砂土， 因此料水比为 3.5=l 时粘土还能起到良好的封堵 作用，但配比较难把握。 （3） 将填料封堵高度由 l m 降为 0.5 m 后， ， 在水量充足 （料水比 2=l） 的条件下， 砂土和粘土均能达到有效的封堵甲 烷气体渗入的效果。当加入的饱和水量不足 （料水比 3.5=l） 时， 则起不到封堵的作用。 （4） 封堵高度降至 0.25 m 后， 尽管加入了充分的水 （l.7 =l） 使之充分湿润， 但仍不能起到封堵的作用， 说明封堵高度 为 0.25 m 是行不通的。 试验 4。粘土含石量对封堵效果的影响。 从上述试验的封堵效果可看出， 粘土是一种理想的防渗 材料， 而且取材方便， 经济实用。但是由于天然粘土中或多 或少都含有颗粒不等的砾石， 对粘土的封堵效果会产生一定 影响， 因此设计了 l 组含石量的影响实验。在本次实验中， 对常规取土用作封堵料的粘土进行了随机抽测 （取 3 个封堵 土样） ， 用水将粘土冲净后， 将剩余的砾石颗粒晒干后进行称 重。3 个土样的砾石重量分别为 0.5 kg、 0.6 kg、 0.65 kg， 其 重量比分别占用作封堵粘土料比例的 l4% l8%， 砾石粒径 为 2 20 mm。含石量的影响实验是分别将含石量增加到 27%、 32%、 36%、 40%， 添加的砾石粒径范围为 l0 25 mm， 个别最大粒径为 40 mm， 料水比为 2=l。实验结果如表 l。 表 1 粘土料不同含石量对封堵效果的影响 （封堵高度 0.5 m） 含石 量 / % 井号 观察时间 / h l23456 27 W7 Wl0 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 32 W7 Wl0 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 36 W7 Wl0 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 40 W7 Wl0 0%l.2%2.7%5% 实验结果表明， 天然粘土料在一个较大的含石量范围 （36%） 以内仍可有效起到封堵作用， 但当含石量达到 40% 时， 则封堵失败。 3.2成井施工抽气检测试验结果及分析 目前管桩成井所采用的井管封堵防渗方式分 2 种， 一种 是就近就地先将不装桩尖的空管桩打入地下 l m 深 （地下的 土应为粘土， 且已被车辆、 设备多次辗压与压实） ， 然后将管 桩拔出， 此时管桩底部已被填满经压实的粘土， 再将管桩装 上桩尖， 并从管桩顶部往管桩中加水， 对管桩中的封堵土料 进行充分湿润后， 才进行打桩成井施工。另一种封堵方式是 从管桩顶部将松散的粘土料倒入管桩底部 l m 高， 再从顶部 往管桩中加水， 对粘土进行充分湿润后才进行打桩施工。两 ·44· 者的根本区别在于， 前者管内是经过压实后的密实度较高的 粘土， 对封堵效果来说， 优点是密实度高， 缺点是吸水性较 差， 后者管内是填入的松散粘土， 优点是吸水及保水性较好， 有利于封堵料充分湿润， 缺点是密实度较差， 其封堵的高度 在加水后有所降低。2 种不同填料形式的封堵效果如表 2。 表 2 成井施工时管桩内两种封堵方式甲烷气体 浓度检测结果比较 （料水比 4.4I1） 井号封堵方式 管桩中 甲烷体积 分数 / % 集气管气 体流速 / （m ·S- l） W46地下取土 l m 高0.40.l5 W42地下取土 l m 高0.80.l8 W45地下取土 l m 高0.850.46 W47地下取土 l m 高 （取了部分垃圾土）5.00.l4 W4l外部加入土 l m 高2.20.ll W48外部加入土 l m 高l.950.08 表 2 检测结果显示了两种封堵方式的封堵效果。表中 的甲烷体积分数值都是在料水比为 4.4 1 l 的条件下测得。 可以明显看出， 从地下取土直接从管桩底部打入管桩中的封 堵效果优于外部加入松散土的封堵效果。从地下取土直接 从管桩底部打入桩管中进行封堵而测得的甲烷体积分数值 都在甲烷浓度报警限值 l%以下， 而采用外部加入松散土封 堵而测得的甲烷体积分数值都超过了 l%， 在报警线以上。 但值得指出的是，经加水封堵模拟实验证明，在料水比为 4.41l 的比例时， 加入的水量偏低， 达不到使管桩中的封堵土 料充分湿润之目的。 另外， 从表中 W47 号抽气井的检测结果可以看出， 虽然 该井是从地下取土封堵， 但因取土质量较差， 土中混入了生 活垃圾， 使封堵效果受到严重影响， 以至使管桩中渗入的甲 烷体积分数达到 5%的爆炸下限， 这是非常危险的。 表 3 从管桩外部加入粘土料， 采用不 同料水比封堵后管中甲烷气体渗入的检测情况 井号料水比 管桩中甲烷体积 分数 / % 集气管气体流速 / （m ·S- l） W4l4.41l2.20.ll W442.21ll.60.l0 W49l.51l0.300.09 W50l1l0.050.l5 W59 l1l00.l0 表 3 是在实际打桩成井施工条件下， 采用向管桩内填入 粘土料以不同的料水比作对比， 而测得的管桩中渗入甲烷气 体的浓度值。检测数据说明， 随着加入水量增加 （料水比减 小） ， 渗入管桩内的甲烷浓度降低； 当料水比达到 l1l 时， 管桩 中的甲烷体积分数只有 0.05%； W59 号抽气井的料水比小于 l 1l， 表示加入水的体积为 l， 封堵料的体积小于 l。在这种料 水比的条件下，管桩中未测得甲烷气体浓度。需要说明的 是， 实际成井施工中向封堵料加水过程中， 有部分水从管桩底 部缝隙中流出， 并不说明管桩中的封堵料已经过饱和， 而是封 堵料吸水饱和的速度慢于水从封堵料缝隙之间流过的速度， 这种情况下， 应当使封堵料有充足的水量供其充分吸收及使 其有达到充分湿润的时间， 才能保证封堵的效果。 4结论 （l） 在完全不加水的条件下， 所有干的封堵土料都达不 到阻止甲烷气体渗入管桩的封堵效果。 （2） 如果将 4 种材料事先用水 （体积料水比 21l） 充分湿 润后， 再填入管桩底部封堵， 除建筑细沙封堵失败外， 砂土、 粘土和膨润土都可以作为封堵材料， 但建议待已湿润的封堵 料装入桩管底部后， 再往桩管中加入 20% 50%的水。 （3） 按目前的管桩封堵施工顺序， 即先将干料堵入管桩 中， 再往管桩中加水湿润以达到封堵效果的施工工艺， 则膨 润土和建筑细沙不能作为封堵料使用， 砂土和粘土可作为封 堵料， 且实验证明， 粘土的封堵效果优于砂土。 （4） 目前管桩施工时所用的封堵料高度 l m 是合适的， 因为模拟试验证明， 如果加水量充足， 封堵材料得到充分湿 润， 0.5 m 高的封堵料也能达到封堵效果。但 0.5 m 高的封 堵料高度不宜用于工程施工。 （5） 粘土料的含石量封堵模拟试验证明， 即使粘土料的 含石量达到 36% 时， 仍能达到有效封堵效果。但按照安全 工作惯例， 在 36%的基础上取 20% 的安全系数， 工程施工中 用作封堵料的粘土的含石量应低于 29%， 而且应将其中大 于 20 mm 的碎石捡出。 （6） 成井施工抽气试验检测结果说明， 料水比越接近于 l1l， 抽气检测到的管中渗入的甲烷体积分数越低， 料水比为 l.51l 时， 检测到的甲烷体积分数为 0.3%， 低于甲烷气体报 警线 l%以下， 但建议施工中采用的料水比为 l1l 为宜。 （7） 管桩成井施工中， 在保证封堵料的土质和料水比的 条件下， 直接从地下取土和在桩管外部加土都可使用。 5建议 模拟管桩封堵实验的检测结果能够提出成井施工中较 为适用的封堵料及封堵条件。但模拟实验与实际成井施工 之间有静态和动态之差别， 不能真实反映实际成井施工中管 桩内渗入填埋气体的实际情况。例如： （l） 桩管在垃圾填埋体中遇到大的石块等坚硬物体时， 会使桩尖歪斜、 变形， 这时桩管和桩尖之间就会出现较大的 缝隙， 如封堵失效， 就会造成填埋气体渗入桩管内。 （2） 实际成井施工中， 桩尖遇到大块硬物时， 桩尖很难穿 过， 这时桩管在桩锤反复击打下会出现反弹回振， 也会使桩 管和桩尖之间的缝隙增大， 造成填埋气体渗入桩管内。 （3） 模拟实验是在试验条件下设定了一个较理想的填埋 气体渗入环境 （选择了最大气量的集气井， 用塑料袋将填埋 气体密封在集气管与模拟管的进气小孔之间的一个小空间， 产生一定的气压） ， 而实际成井施工中， 填埋气体可以顺着桩 管外壁向上溢出地表， 因而在桩管与桩尖间的缝隙的气压在 正常施工条件下要小些。 因此模拟实验结果难免与实际成井施工之间有偏差， 甚 至出现较大的差别， 这些差别是模拟实验难以做到的。因 此， 建议在实际成井施工中， 对填埋气体在各种不同施工条 件下向桩管渗入的情况进行对比检测与分析， 以便给桩管成 井施工提供更加安全可靠的依据。 （收稿日期： 20060l l3） ·54·