鐵路隧道復(fù)雜地層鉆探綜合治理

張 昊

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司甘肅勘察院, 甘肅蘭州 730000)

時(shí)值鐵路建設(shè)的高峰,隨著鐵路隧道勘探孔的深度不斷加大,所遇復(fù)雜地層的機(jī)會(huì)也日漸增多；同時(shí)勘察設(shè)計(jì)部門的工作量非常飽和,要求勘探隊(duì)伍能快速、安全、高質(zhì)量的通過此類復(fù)雜地層。復(fù)雜地層是指巖芯鉆探中孔壁不穩(wěn)定(發(fā)生坍塌、掉塊、遇水膨脹、遇水溶解等)、鉆孔漏水或涌水、取芯困難的地層。反映在施工中主要有兩個(gè)方面的問題：一是孔壁不穩(wěn)定,導(dǎo)致成孔困難、鉆進(jìn)無法正常進(jìn)行；二是取芯困難,巖芯采取率達(dá)不到地質(zhì)要求。以下結(jié)合具體工程實(shí)例探討復(fù)雜地層鉆探的綜合治理。

1 工程概況

新建蘭新鐵路客運(yùn)專線,可提升西北地區(qū)鐵路綜合運(yùn)輸能力,并滿足新疆、甘肅、青海三省區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要,縮短西北地區(qū)與中東部和西南地區(qū)的距離。達(dá)坂山隧道CDSZ-23深孔位于蘭新客運(yùn)專線祁連山麓南支脈,海拔高度為3 382 m。鉆探現(xiàn)場(chǎng)地點(diǎn)偏僻,高寒缺氧,交通極為不便,現(xiàn)場(chǎng)離水源地較遠(yuǎn)。主要巖性為：破碎角閃巖、片麻巖、構(gòu)造角礫，以及綠泥石化、葉臘石化斷層泥。從在同一區(qū)域進(jìn)行鉆探施工的其他配合單位的情況來看,普遍存在孔壁不穩(wěn)定,巖芯采不上來的問題。

2 鉆探過程遇到的難題及分析

2.1 孔壁失穩(wěn)

鉆孔穿過地層由新至老依次為第四系、下第三系、奧陶系。施工地層復(fù)雜,局部嚴(yán)重破碎,破碎帶中夾雜大量“斷層泥”,斷層泥為黏土夾雜斷層角礫。巖石可鉆性從3～5級(jí)到8～10級(jí)。黏土層泥質(zhì)角礫層厚度為15～50 m,遇水極易膨脹縮徑。在局部地層,地層綠泥石化嚴(yán)重,巖層軟硬極不均勻,穩(wěn)定性很差,層間的破碎片麻巖又大量以黏土質(zhì)膠結(jié)。在鉆探施工中,坍塌、掉塊現(xiàn)象十分嚴(yán)重,夾鉆、卡鉆、埋鉆、斷鉆等孔內(nèi)事故頻繁發(fā)生。

造成孔壁失穩(wěn)的主要原因有地層應(yīng)力作用、鉆進(jìn)工藝不當(dāng)、鉆孔漏失以及沖洗液的沖刷作用等。鉆進(jìn)水敏性地層時(shí)會(huì)造成孔壁膨脹縮徑,孔壁剝落超徑等現(xiàn)象。在力學(xué)不穩(wěn)定地層中,由于所受應(yīng)力不平衡,一旦鉆穿破壞了原有的平衡狀態(tài),加之受上部覆蓋層重力的作用,使孔壁產(chǎn)生垮塌、掉塊的現(xiàn)象。鉆進(jìn)過程中,當(dāng)升降鉆具時(shí),鉆具在孔內(nèi)會(huì)發(fā)生抽吸及壓滲作用,從而影響地層壓力平衡。鐵路鉆探的口徑大,孔徑與鉆桿外徑的比值較大,導(dǎo)致加劇鉆桿柱的多點(diǎn)彎曲,而鉆進(jìn)時(shí)鉆具的高速回轉(zhuǎn)亦產(chǎn)生對(duì)孔壁的碰撞、敲擊,尤其當(dāng)使用了彎曲的鉆桿時(shí)更為明顯,造成孔壁加快失穩(wěn)。沖洗液如果使用不當(dāng),對(duì)地層的破壞作用也很大,主要表現(xiàn)為對(duì)孔壁的沖刷以及造成壓力差,進(jìn)一步影響孔壁穩(wěn)定。

2.2 取芯困難

在鉆遇的斷層帶地層,巖石松散破碎,是典型的硬、脆、碎地層,其間以黏土質(zhì)膠結(jié)。在使用普通細(xì)分散泥漿取芯鉆進(jìn)中,由于泥漿抑制性差,造成孔壁縮徑坍塌或者黏性巖層糊鉆,泵壓增高,泥漿在高壓下破壞軟弱、破碎和松散的巖芯,巖芯中的松軟破碎的細(xì)顆粒成分都被潰散而被沖掉,導(dǎo)致取芯率不高,達(dá)不到地質(zhì)設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),造成取芯困難的原因主要有兩方面：一是巖芯在進(jìn)入內(nèi)管前就被破壞；二是巖芯在內(nèi)管中被研磨損耗。旋轉(zhuǎn)的鉆頭與靜止的巖芯之間的摩擦力會(huì)對(duì)巖芯產(chǎn)生扭力矩,而破碎地層巖芯成分間相互結(jié)合的內(nèi)應(yīng)力是很弱的。在扭力矩作用下,整體或局部碎裂，碎裂的巖芯往往堆落擠壓在鉆頭內(nèi)臺(tái)階處,堵塞通道,并極易造成水路受阻、泵壓升高而加重對(duì)巖芯的沖蝕。沖洗液對(duì)巖芯的沖擊力及侵蝕對(duì)膠結(jié)性較差的巖芯的破壞也是非常嚴(yán)重的，并且在復(fù)雜地層使用的單動(dòng)雙管性能也不像設(shè)計(jì)時(shí)的效果那么好。特別是只有一級(jí)單動(dòng)機(jī)構(gòu)的鉆具單動(dòng)性能差,內(nèi)管無法保證絕對(duì)的不旋轉(zhuǎn),巖芯無法維持與內(nèi)管的同步狀態(tài),內(nèi)管的振動(dòng)會(huì)將進(jìn)入到其中的不完整巖芯振碎,再互相研磨,細(xì)小的顆粒與內(nèi)管中的液體攪和在一起,進(jìn)入沖洗液循環(huán)系統(tǒng)。打撈內(nèi)管時(shí),內(nèi)管及卡簧夾持不住的細(xì)顆粒便掉入孔內(nèi),造成巖芯采取率不足。

3 復(fù)雜地層鉆進(jìn)綜合治理

3.1 注重地質(zhì)因素對(duì)工藝選擇的影響

復(fù)雜地層鉆進(jìn)困難,主要原因之一是對(duì)復(fù)雜地層成因分析不夠,注重了鉆探工藝的選取,忽視了地層因素這一內(nèi)因的作用。地質(zhì)因素是內(nèi)因,鉆進(jìn)工藝技術(shù)是外因,內(nèi)因起著主導(dǎo)作用。只有在掌握巖層的地質(zhì)構(gòu)造、巖性、礦物組成的基礎(chǔ)上,才可以確定合適的鉆進(jìn)工藝，配制適用的泥漿,進(jìn)而保障正常鉆進(jìn),避免孔內(nèi)事故,降低成本提高鉆效。

對(duì)于孔壁失穩(wěn)現(xiàn)象只有在判斷孔壁不穩(wěn)定屬于哪一種情況的基礎(chǔ)上,方能采取相應(yīng)對(duì)策,正確選用防塌方法和泥漿。對(duì)于力學(xué)不穩(wěn)定巖層,由于巖層破碎,松散的性質(zhì)和地層側(cè)壓力大,想阻止或減少巖層垮塌,保證正常鉆進(jìn),泥漿比重是重要因素,適當(dāng)提高泥漿比重可以平衡巖層的側(cè)壓力,用高聚物抑制各種巖層的垮塌,用高分子化合物提高泥漿黏度。對(duì)于水敏性地層,表現(xiàn)為表面水化和滲透水化。掌握了水化機(jī)理后,在此類地層鉆進(jìn)時(shí)泥漿配制上要考慮低失水、高礦化度、適當(dāng)比重和黏度。目前防塌泥漿的配方及類型已有很多種類,但在實(shí)際生產(chǎn)中遇到垮塌,卡、埋鉆等情況時(shí),要做出判斷，分析造成這種情況的是地質(zhì)因素還是鉆進(jìn)工藝技術(shù)因素,要做到具體問題,具體分析，才能解決好孔內(nèi)問題。

3.2 復(fù)雜地層護(hù)壁技術(shù)

在復(fù)雜地層使用普通分散型泥漿時(shí),形成的泥皮較厚且松散,泵壓較高,對(duì)巖芯的沖蝕嚴(yán)重。針對(duì)復(fù)雜地層的礦物特點(diǎn),經(jīng)過對(duì)比分析及室內(nèi)實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)了一套植物膠—PHP低固相泥漿。新型泥漿表觀黏度比較高,即使采用較小的泵量,排粉的能力也很強(qiáng)。加入植物膠后的泥漿是一種黏彈性液體,這種黏彈性膠體在孔壁和巖芯的表面及一定深度的表層具有膠結(jié)作用和黏彈性強(qiáng)度,在一定程度上可抵抗鉆具的振動(dòng)破壞和地表其他外力的破壞。而普通細(xì)分散泥漿產(chǎn)生的泥皮是黏塑性體,膠體很少,大多是固體顆粒,護(hù)壁效果差。

新配制的泥漿配方及性能見表1。新型泥漿失水量低,形成泥皮薄而韌。在用巖樣浸泡方法觀察泥漿是否適合該復(fù)雜地層鉆進(jìn)要求時(shí),CDSZ-23孔內(nèi)的巖屑制成的巖樣在普通細(xì)分散泥漿中1 h即垮塌,而巖樣在新型泥漿中能保持5 d不垮。這說明新配制的泥漿能夠滿足復(fù)雜地層的鉆進(jìn)要求。

表1 新型泥漿配方及性能

在實(shí)際施工過程中,根據(jù)地層成因情況,有部分地層綠泥石化嚴(yán)重,鉆孔明顯地表現(xiàn)為縮徑、坍塌、裹鉆現(xiàn)象,而且沖洗液被侵染嚴(yán)重。為此在泥漿中補(bǔ)充沖洗液的離子濃度,比如K+,使之與巖層中水的離子濃渡相平衡,阻止巖層的滲透水化,以利于孔壁的穩(wěn)定。對(duì)于力學(xué)不穩(wěn)定地層,在泥漿中加入水玻璃及部分交聯(lián)劑。泥漿中的聚合物除了產(chǎn)生泥皮式高分子網(wǎng)膜吸附在孔壁上外,更主要的是在絮凝劑作用下,硅酸鈉形成無定形的SiO2膠團(tuán)。這些膠團(tuán)以滲析作用膠結(jié)孔壁間隙,通過自身變形,有效地支持和封堵不穩(wěn)定巖層。同時(shí),低聚合度的水玻璃可能與高嶺土、膨潤(rùn)土晶體中的硅氧四面體和鋁氧八面體的斷鍵連結(jié),增加孔壁顆粒間的網(wǎng)絡(luò)連結(jié)力,加速孔壁硬化穩(wěn)定,有效地維護(hù)了孔壁。

3.3 取芯工具的治理措施

鉆具的單動(dòng)性能是影響取芯質(zhì)量的主要因素,它是鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量的綜合效果,只要其中有一個(gè)零部件加工和配合有問題,都將會(huì)影響取芯效果。普通單動(dòng)雙管鉆具,只有一套單動(dòng)機(jī)構(gòu),在條件極為復(fù)雜和惡劣的鉆孔內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間高速回轉(zhuǎn),各種影響因素都集中于一個(gè)單動(dòng)體上,因此很難保證鉆具長(zhǎng)時(shí)間的良好效果。如機(jī)械加工的誤差、裝配的質(zhì)量、潤(rùn)滑脂被沖洗液或其他雜質(zhì)侵污而降低潤(rùn)滑性能、鉆具的沖擊載荷對(duì)軸承的損傷、高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高溫使?jié)櫥匣透晒痰挠绊?、間隙較小的相對(duì)回轉(zhuǎn)件之間因?yàn)楦邷鼐€性膨脹而產(chǎn)生的黏滯咬死現(xiàn)象以及橡膠密封圈在高速回轉(zhuǎn)時(shí)的磨損,都將直接影響單動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和壽命。通過對(duì)巖芯的觀察,決定換用具有兩級(jí)單動(dòng)機(jī)構(gòu)并且軸承密封性好的雙管鉆具。從單個(gè)單動(dòng)承受改為兩個(gè)單動(dòng)分?jǐn)偝惺?則單動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性和壽命至少應(yīng)提高2倍以上。即使在孔內(nèi)意外的情況下,其中一個(gè)單動(dòng)失去單動(dòng)性,另一個(gè)單動(dòng)仍可繼續(xù)起單動(dòng)作用,避免雙動(dòng),保障取芯的效果。

在使用過程中我們還發(fā)現(xiàn),鉆具配套的卡簧內(nèi)徑與鉆頭內(nèi)徑不相匹配,卡簧內(nèi)徑過小,巖芯進(jìn)入困難。我們后來按照1 mm級(jí)差加工一組6個(gè)卡簧供復(fù)雜地層選用,解決了卡簧導(dǎo)致的巖芯進(jìn)入遇阻和掉巖芯的問題。

為減輕泥漿對(duì)巖芯的沖蝕,選用了底噴型鉆頭,此鉆頭有特殊的隔水裝置,沖洗液只能沿底噴水眼進(jìn)入孔底,而不直接沖刷巖芯。

3.4 規(guī)范鉆進(jìn)操作工藝

控制好鉆進(jìn)工藝參數(shù)對(duì)于孔壁的穩(wěn)定和巖芯的采取具有很重要的作用。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),制定了復(fù)雜地層操作要點(diǎn)：

(1)始終要保持泥漿具有良好的性能,當(dāng)沖洗液稠度高,巖屑沉淀分離慢時(shí),應(yīng)及向沉淀池及循環(huán)槽入口加入少量聚丙烯酰胺水溶液,使泥漿能夠滿足排除巖粉和護(hù)壁等要求。

(2)控制好鉆進(jìn)工藝參數(shù),減小壓力波動(dòng)。鉆進(jìn)過程中,要均勻加壓,嚴(yán)禁突然給壓。在地層巖性變化不大的情況下,盡量統(tǒng)一各小班的壓力。

(3)鉆具下至離孔底約0.5 m時(shí),應(yīng)開泵沖洗,待孔口返漿后方可輕壓慢轉(zhuǎn)掃孔到底,以防下鉆過快,孔底沉淀堵塞水口。

(4)正常鉆進(jìn)時(shí),轉(zhuǎn)速和鉆壓不要忽高忽低,不宜頻繁活動(dòng)鉆具。若發(fā)現(xiàn)巖芯堵塞,處理無效時(shí),應(yīng)立即提鉆,檢查原因。

(5)根據(jù)斷層破碎帶地層的特點(diǎn),為防止沖洗液沖刷孔壁,破壞巖芯的原狀結(jié)構(gòu),應(yīng)適當(dāng)減少泵量,操作人員應(yīng)適時(shí)提鉆取芯,減少對(duì)巖芯過多的磨耗。

(6)提鉆時(shí)應(yīng)慢速、均勻上提,以防芯樣滑落和鉆頭抽吸作用,破壞孔壁的穩(wěn)定。每次提鉆后應(yīng)檢查保養(yǎng)鉆具,保持良好的單動(dòng)性能。

4 治理效果

運(yùn)用新型泥漿和單動(dòng)鉆具及與之配套的底噴型鉆頭后,孔內(nèi)事故明顯減少。新型泥漿的護(hù)壁、攜帶巖屑、潤(rùn)滑鉆具和減少孔內(nèi)阻力的能力得到充分的體現(xiàn),保證了鉆進(jìn)的安全。治理后CDSZ-23孔比之此前的鉆孔來看,孔內(nèi)阻力小泵壓低、鉆效高、事故少,保證了鉆進(jìn)安全,為鉆取高質(zhì)量的巖芯創(chuàng)造了條件。具體數(shù)據(jù)對(duì)比見表2、表3、圖1。

表2 孔內(nèi)事故統(tǒng)計(jì)

表3 鉆效對(duì)比

圖1 巖芯采取率對(duì)比

綜合使用與復(fù)雜地層相適應(yīng)的鉆具和新型泥漿,以及完善鉆具及泥漿的管理措施以來,CDSZ-23孔在取芯率上得到了很大的提高。特別是在100～188 m、204～288 m的斷層泥孔段取出的巖芯較為完整、取芯率高,達(dá)到90%。

5 總結(jié)

隧道深孔復(fù)雜地層巖石結(jié)構(gòu)比較松散,膠結(jié)性差且易水化分散,鉆具的震動(dòng)、敲擊、孔內(nèi)液柱高低的變化,上下鉆的抽吸和壓力激增都有可能破壞沖洗液對(duì)井壁的保護(hù),鉆具、鉆頭及鉆進(jìn)工藝上的選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致取芯的困難,故在復(fù)雜地層鉆進(jìn)中要特別強(qiáng)調(diào)綜合治理。面對(duì)復(fù)雜地層施工中這些接踵而至的復(fù)雜地層問題,在認(rèn)真分析地質(zhì)構(gòu)造和地層特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合設(shè)計(jì)合理的雙級(jí)單動(dòng)鉆具、底噴型鉆頭、護(hù)壁性能良好的泥漿和規(guī)范的操作工藝，可保證復(fù)雜地層鉆進(jìn)的安全和取芯質(zhì)量。

[1] 曾祥熹,陳志超.鉆孔護(hù)壁堵漏原理[M].北京：地質(zhì)出版社,1986

[2] 鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2002

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