基于鉆進(jìn)能量理論的隧道凝灰?guī)r地層界面識 別及圍巖分級方法

田 昊，李術(shù)才，薛翊國，邱道宏，蘇茂鑫，王 凱

(山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟(jì)南 250061)

1 引 言

巖石分級中用到的最重要能量指標(biāo)是鑿碎比能，即破碎單位體積巖石需要做的功，搗碎法和砸碎法是獲得此能量指標(biāo)的常用測定方法，其大小與破碎比有關(guān)[1]。鑿碎比能的概念早在20 世紀(jì)60 年代就已經(jīng)提出[2]，并應(yīng)用于地質(zhì)鉆探、巖土工程勘探和石油鉆井等領(lǐng)域，原理是根據(jù)鑿碎比能對巖石可鉆性進(jìn)行分級，以此選擇鉆頭及確定生產(chǎn)定額。但鑿碎法是通過沖擊破碎巖石的方式在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測定的，許多方面與現(xiàn)場實(shí)際鉆進(jìn)存在差異：（1）鑿碎法不適合以旋轉(zhuǎn)方式為主的取芯鉆進(jìn)情況，它主要采用沖擊破碎巖石的方法獲得；（2）實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測定的鑿碎比能數(shù)值可能與實(shí)際現(xiàn)場值有出入，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室內(nèi)脫離了原始的環(huán)境場，不存在應(yīng)力、溫度等約束條件，所以，測得的鑿碎比能并不能很好地反映現(xiàn)場巖石的破碎難易程度；（3）鑿碎比能難以計(jì)算確定。沖擊鉆進(jìn)方式下難免會有摩擦、聲、熱等的能量消耗，并且在不同鉆井液條件下的消散速度也不同，所以，這些無形的能量消耗無法定量地計(jì)算得出，用于破碎巖石的功難以確定。因此，運(yùn)用鉆進(jìn)時獲得的鉆機(jī)工作參數(shù)對圍巖進(jìn)行分級具有重要應(yīng)用價值。

利用儀器鉆進(jìn)系統(tǒng)可以得到豐富的鉆進(jìn)參數(shù)，進(jìn)而得到有關(guān)地層的大量地質(zhì)信息[3－6]，這些參數(shù)包括鉆桿和鉆頭的位置、位移和轉(zhuǎn)動，以及鉆機(jī)對鉆頭施加的各種動力載荷等[7]，研究表明，某些巖石的物理性質(zhì)與鉆進(jìn)物理參數(shù)存在一定的響應(yīng)關(guān) 系[8－11]，對模擬地層進(jìn)行識別時誤差低于5%[12]，可以較準(zhǔn)確地對地層進(jìn)行界面識別和圍巖判別。但由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性以及鉆孔作業(yè)的隨機(jī)性，鉆機(jī)工作參數(shù)與地層特征參數(shù)之間的相關(guān)性并不高[12－15]；鉆進(jìn)過程中工作環(huán)境必須接近理想狀態(tài)，然而由于鉆進(jìn)系統(tǒng)所獲得的參數(shù)并不穩(wěn)定，影響因素很多，如：與鉆頭形狀、沖洗液、排渣狀態(tài)、鉆頭直徑等條件，以及鉆機(jī)穿孔作業(yè)操作者的技術(shù)水平差異等。由于在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，理想狀態(tài)是不存在的，所以鉆機(jī)取得的參數(shù)與巖石物理性質(zhì)之間的響應(yīng)程度并不高。

本文變換思路，根據(jù)能量守恒理論，從鉆進(jìn)能量的角度分析鉆機(jī)工作參數(shù)變化特征，避免了上述不利因素的限制，通過利用鉆進(jìn)過程監(jiān)測系統(tǒng)獲得的鉆進(jìn)參數(shù)繪制出了鉆進(jìn)能量變化曲線以及鉆進(jìn)比能變化曲線，進(jìn)而對凝灰?guī)r地層進(jìn)行了界面識別和圍巖分級研究。

2 能量原理

2.1 鉆進(jìn)能量

在穿孔作業(yè)設(shè)備和技術(shù)水平固定的條件下，破碎單位體積巖石所需的能量與巖石物理力學(xué)性質(zhì)之間有一定的相關(guān)性[16]。利用這一特點(diǎn)，用監(jiān)測的鉆機(jī)鉆進(jìn)參數(shù)來表示對應(yīng)的能量參數(shù)，即可找到鉆進(jìn)參數(shù)與巖石物理力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，從而用于界面識別與圍巖分級。

2.1.1 鉆進(jìn)過程能量分析：

在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，破碎巖石的能量來自鉆頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭矩和作用于鉆頭的軸向推力，這兩部分的能量是破碎巖石、破碎發(fā)聲、摩擦生熱等消耗的能量。

將鉆進(jìn)系統(tǒng)看作質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)能量守恒原理，鉆機(jī)的動力系統(tǒng)所做功有以下能量轉(zhuǎn)換關(guān)系[16]：

式中：eP 為鉆進(jìn)動力系統(tǒng)輸出總能量，即圖1 中的鉆進(jìn)能量；kP 為鉆進(jìn)時提供的鉆具旋轉(zhuǎn)能量；dP 為支持鉆具向上或向下移動時所消耗的能量；t 為鉆進(jìn)工作時間；fP 為鉆頭破碎巖石所做的功，即鉆機(jī)工作時發(fā)生摩擦、產(chǎn)生噪音以及振動的能量消耗。

式中： m∑ 為鉆進(jìn)系統(tǒng)各部分的質(zhì)量總和，包括鉆頭、鉆桿、取樣器和加長桿的質(zhì)量，其值隨著鉆進(jìn)深度的增大和鉆桿的增加而增加；1V 為鉆進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量中心的瞬時線速度；D 為鉆進(jìn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)直徑；n為鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速。

式中： Fe為鉆進(jìn)時的軸向壓力；S 為鉆頭單位時間的進(jìn)尺；α 為鉆進(jìn)方向與水平方向之間的夾角（0° ≤ α≤9°）；V 為鉆進(jìn)速率； Ft為鉆頭受到的向下軸壓力；Fα為鉆頭受到的向上軸向拉力，抵消鉆頭的重量。

鉆進(jìn)系統(tǒng)所做的功，一部分用于破碎巖石，生成新的表面并發(fā)聲、發(fā)熱；另一部分用于鉆桿和鉆井液之間的摩擦消耗以及液體運(yùn)動。

鉆頭破碎巖石時的摩擦能耗包含兩個部分：鉆頭孔底的摩擦和側(cè)向摩擦，此部分能量用于摩擦破碎巖石，生成新表面并發(fā)聲、發(fā)熱。

單位時間內(nèi)鉆具側(cè)向摩擦所消耗的能量用f,sP表示為

式中：sμ 為鉆具與巖石之間的側(cè)向摩擦系數(shù)；sK 為軸向壓力的側(cè)壓系數(shù)；bD 為鉆頭外直徑。

單位時間內(nèi)孔底摩擦所消耗的能量用f,bP 表示為

式中：bμ 為鉆具與孔底巖石間的摩擦系數(shù)；fτ 為鉆具外直徑；

鉆具和孔壁及排渣液之間的摩擦，主要源于鉆桿和鉆孔液（排渣液）之間的黏滯阻力，分為沿著鉆桿推進(jìn)方向和沿著鉆桿環(huán)向的摩擦。

式中：cP 為單位時間內(nèi)鉆頭環(huán)向摩擦所消耗的能量；cμ 為鉆頭旋轉(zhuǎn)時的摩擦系數(shù)；cN 為鉆桿與孔壁或沖洗液之間的黏滯力；rD 為鉆桿外直徑。

式中：aP 為單位時間內(nèi)鉆頭軸向摩擦所消耗的能量；aμ 為鉆頭軸向運(yùn)動時的軸向動摩擦系數(shù)；aN 為鉆桿與孔壁或沖洗液之間的黏滯力（aN =cN ）。

在鉆頭形式及鉆進(jìn)方式一定時，摩擦所消耗的能量由巖石性質(zhì)所決定。因而，與破碎巖石有關(guān)的能量rfP 可以用wP 減去鉆桿-鉆液之間的黏滯阻力力等參數(shù)表示：

式中：wP 為kP 與dP t 之和。

由以上分析可以看出，想要確定摩擦能耗和與巖石有關(guān)的能耗，必需知道有關(guān)摩擦系數(shù)、巖石泊松比和黏聚力等參數(shù)。然而，這些參數(shù)的測定非常復(fù)雜，通常只能依靠試驗(yàn)?zāi)M來估計(jì)。因而，想精確計(jì)算鉆進(jìn)過程中用于巖石破碎的能量是不可能的。

但是，在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，由于鉆進(jìn)速度很低，所以，軸向黏滯阻力很小，可以忽略不計(jì)。環(huán)向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的黏滯阻力會帶動鉆桿與孔壁間液體運(yùn)動，并且由于鉆桿與孔壁間的距離很小，所以，液體質(zhì)點(diǎn)沿著徑向的速度梯度將很小，孔間液體質(zhì)點(diǎn)可視為等線速度運(yùn)動。

因而，根據(jù)能量守恒和傳遞原理，黏滯阻力所做的功將轉(zhuǎn)化為液體的動能lkP 。

式中：1m 為鉆桿與孔壁間排出渣液的質(zhì)量；ρ 為排渣液的密度；eD 為排渣液環(huán)形柱的等效直徑；hD為鉆孔直徑。

所以，式（8）可由式（10）確定：

式（1）可寫為

通過轉(zhuǎn)換后，不易測得的參數(shù)變成了容易獲得的可測參數(shù)。最后，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用上述分析所得公式對鉆進(jìn)過程中的能量進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1.2 鉆進(jìn)總能量曲線特征分析

由圖1 可知，鉆進(jìn)能量變化曲線大體可劃分為低能耗區(qū)、中能耗區(qū)、高能耗區(qū)和過渡區(qū)。與物探結(jié)果對照表明，在低能耗區(qū)主要是Ⅵ～Ⅴ級凝灰?guī)r（含有夾泥層）；中能耗區(qū)主要是Ⅲ～Ⅵ級凝灰?guī)r；高能耗區(qū)主要是Ⅱ～Ⅲ級凝灰?guī)r；過渡區(qū)主要是Ⅵ級凝灰?guī)r。很明顯，巖石越堅(jiān)硬，鉆鑿巖石消耗的能量就越大，鉆進(jìn)總能量的消耗也相應(yīng)增大。在各個能量消耗區(qū)可以看到有些能量脈沖，這表明鉆進(jìn)能量對巖石堅(jiān)硬程度非常敏感，曲線變化的平滑或者脈沖大小表明地層可能存在節(jié)理、裂隙或者夾泥層等，充分揭示了地層環(huán)境的復(fù)雜性。

圖1 凝灰?guī)r中鉆進(jìn)能量隨鉆頭位移變化曲線 Fig.1 Change curve of drilling energy with displacement of bit in tuff stratum

2.2 鉆進(jìn)比能

2.2.1 鉆進(jìn)比能概念

旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)在鉆孔時，給鉆頭一定的軸向壓力，通過鉆頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力破碎前方巖石，并給予及時、合理的沖洗液，排出破碎巖石的粉末，起到排渣和降低鉆頭溫度的作用。鉆進(jìn)的難易程度除了與巖石的物理性質(zhì)有關(guān)以外，也受到鉆頭直徑大小、鉆頭形狀、鉆進(jìn)方式和排渣系統(tǒng)的影響。假定鉆頭直徑、鉆頭形狀、鉆進(jìn)方式和排渣系統(tǒng)一定，這時鉆進(jìn)的難易程度可以反映出巖石的可鉆性程度，進(jìn)而反映了巖石抵抗破壞的難易程度。

基于以上的分析，引入了鉆進(jìn)比能的概念[17]，即鉆進(jìn)過程中，在一定的鉆頭直徑、鉆頭形狀、鉆進(jìn)方式和排渣系統(tǒng)條件下，鉆頭破碎單位體積巖石所消耗的總的鉆進(jìn)能量?？捎霉奖硎緸?/p>

式中：Pf為鉆進(jìn)過程中單位時間內(nèi)鉆頭破碎巖石所做的功，是孔深或地層深度h 的函數(shù)，由式（10）確定； Di為鉆頭內(nèi)直徑，當(dāng)為破壞式鉆進(jìn)時，Di= 0。

從式（12）可以看出，比能反映了鉆進(jìn)能量與破碎面積及穿孔速率的關(guān)系，從而，表明了在一定軸壓下巖石抵抗鉆頭鉆入及破碎的難易程度。

2.2.2 鉆進(jìn)比能曲線特征分析

鉆進(jìn)比能變化曲線與鉆進(jìn)能量變化曲線具有相似性，大體可劃分為低能耗區(qū)、中能耗區(qū)、高能耗區(qū)。亦可得在低能耗區(qū)主要是Ⅵ～Ⅴ級凝灰?guī)r；中能耗區(qū)主要是Ⅲ～Ⅵ級凝灰?guī)r；高能耗區(qū)主要是Ⅱ～Ⅲ級凝灰?guī)r。

如圖2 所示，3 個能量消耗區(qū)較明顯，可以容易劃分，各個區(qū)域所占的鉆進(jìn)比能數(shù)值分布較為集中，可以定量分區(qū)；鉆進(jìn)比能曲線圖中能量脈沖較多，沒有明顯的過渡區(qū)，各個能量區(qū)間內(nèi)曲線變化較大，表示地層內(nèi)的節(jié)理、裂隙、夾泥或裂隙水較多。

圖2 凝灰?guī)r中鉆進(jìn)比能隨鉆頭位移變化曲線 Fig.2 Change curve of penetrating specific energy with displacement of bit in tuff stratum

2.2.3 鉆進(jìn)比能在凝灰?guī)r中的分布

從鉆進(jìn)比能來分析，比能隨鉆頭位移變化曲線的各個能量消耗區(qū)之間沒有明顯地過渡，根據(jù)監(jiān)測的比能數(shù)據(jù)可以整理出表1，表中揭示了在不同硬度凝灰?guī)r中鉆進(jìn)比能的平均數(shù)值，從而為凝灰?guī)r的定量分級提供了依據(jù)。在不同的鉆進(jìn)深度（即鉆頭位移）中，巖石的風(fēng)化程度不同，強(qiáng)度及硬度不同，其抵抗鉆頭鉆進(jìn)的能力不同，因而破碎巖石的比能也不同。通過不同風(fēng)化程度凝灰?guī)r地層中能耗的記錄分析，得到鉆進(jìn)比能的分布如表2 所示。

表1 鉆進(jìn)比能在凝灰?guī)r中隨鉆頭位移的變化 Table 1 Variation of penetrating specific energy with displacement of bit in tuff stratum

表2 鉆進(jìn)比能在凝灰?guī)r中的分布 Table 2 Distribution of penetrating specific energy in tuff stratum

3 數(shù)字鉆機(jī)

3.1 試驗(yàn)采用鉆機(jī)

RPD-150C 是礦研的主力機(jī)型，采用柴油發(fā)動機(jī)作為動力單元；鉆機(jī)通過5 個液壓缸實(shí)現(xiàn)大范圍作業(yè)；150 m 鉆探、取芯，最大口徑為225 mm。

數(shù)字鉆機(jī)系統(tǒng)包括感應(yīng)系統(tǒng)（SS）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（DC）和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)（DA），其工作圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)字鉆機(jī)系統(tǒng)工作圖 Fig.3 Work system of digital drill machine

3.2 感應(yīng)系統(tǒng)（SS）

安裝在鉆機(jī)或鉆架上，用于獲得鉆機(jī)的鉆進(jìn)參數(shù)，包括：（1）位置傳感器；（2）旋轉(zhuǎn)傳感器；（3）壓力傳感器；（4）流量傳感器。

3.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（DC）

此系統(tǒng)用于進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)化，包括：（1）A/D轉(zhuǎn)換器，將傳感器采集的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。（2）單片機(jī)，執(zhí)行編好的功能程序，處理得到的數(shù)字信號，最終傳向數(shù)據(jù)終端。

3.4 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)（DA）

上位機(jī)可以安放在測試現(xiàn)場、實(shí)驗(yàn)室或者較遠(yuǎn)處的辦公室，可以是計(jì)算機(jī)或者外部顯示終端。

3.5 數(shù)字鉆機(jī)測量參數(shù)

數(shù)字鉆機(jī)測量參數(shù)包括：（1）軸壓力參數(shù)；（2）鉆具轉(zhuǎn)速參數(shù)；（3）沖洗水壓力參數(shù)；（4）鉆進(jìn)速度-推進(jìn)力參數(shù)。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 工程概況

青島膠州灣海底隧道是中國大陸第2 條大斷面海底隧道，是連接青島市主城與輔城的重要通道，南接薛家島，北連團(tuán)島，下穿膠州灣灣口海域，該海域平均水深為7 m 左右，最大水深為65 m，其中灣口最大水深為42 m。該隧道是一條以城市道路功能為主兼有公路功能的隧道，設(shè)雙向6 車道，設(shè)計(jì)車速為80 km/h。設(shè)2 條3 車道主隧道和一條服務(wù)隧道（長度約5 950 m），主隧道中軸線間距為55 m。隧道全程采用新奧法施工。

4.2 鉆孔取芯和TSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為了探究利用能量原理對凝灰?guī)r地層進(jìn)行界面識別和圍巖分級的效果，在數(shù)字鉆機(jī)鉆進(jìn)的同時，也采用鉆孔取芯、編錄、力學(xué)試驗(yàn)和TSP(Tunneling Seismic Prediction)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等物探方法對該段地質(zhì)進(jìn)行了分析（見表3）。

水平鉆孔取芯工作從現(xiàn)掌子面FK4+375.5 處開始進(jìn)行。該段巖體整體較破碎，巖性多變，并發(fā)育有多處斷層破碎帶及斷層破碎影響帶，主要為火山角礫凝灰?guī)r、花崗巖等，取出的巖芯如圖4 所示，部分段巖體破碎，無法取出完整的圓柱形巖芯，用白色柱狀塑料管代替。經(jīng)過對服務(wù)隧道取出巖芯的分析可得出以下認(rèn)識：（1）FK4+375.5～363 處為一斷層影響帶，本處斷層影響帶規(guī)模較大，核心地帶FK4+342.5～343.5 處長1 m，巖體極為破碎，并夾雜斷層泥，取芯率很低，巖性交界處風(fēng)化較嚴(yán)重。（2）FK4+363.5～356 段節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，并伴有強(qiáng)風(fēng)化軟弱破碎充填，局部極為破碎，節(jié)理面弱風(fēng)化，局部強(qiáng)風(fēng)化，取芯率較低且所取出的巖芯較為細(xì)碎。（3）FK4+ 345～341 處發(fā)育有較明顯裂隙，并含有破碎軟弱充填，巖性由凝灰?guī)r變?yōu)槟屹|(zhì)火山角礫巖，又過渡到凝灰?guī)r，尤其是在FK4+344～342 處，巖芯經(jīng)過2 次操作仍難以取出，并且在本段鉆進(jìn)過程中有紅色黏稠漿液沿孔口管流出，初步判斷為夾泥層被鉆頭研磨破壞產(chǎn)生。

表3 TSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)詳細(xì)解釋表 Table 3 Detailed explanation of TSP advance geologic prediction

圖4 巖芯圖 Fig.4 Image of cores

4.3 現(xiàn)場數(shù)字鉆機(jī)監(jiān)測及數(shù)據(jù)曲線分析

4.3.1 數(shù)字鉆機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)

為了得到鉆進(jìn)能量的大小，在青島膠州灣海底隧道右線主隧道基本擴(kuò)挖成型，正式開始向海域段施工之前，使用數(shù)字鉆機(jī)在掌子面FK4+375.5 上斷面進(jìn)行了一次超前地質(zhì)探孔作業(yè)。根據(jù)主隧道走向和坡度以及鉆機(jī)工作條件，將開孔位置選在掌子面中部稍偏左，鉆孔上偏2°?？讖綖?5 mm，歷時5 h，鉆進(jìn)沖洗液為潔凈的天然水，鉆進(jìn)工作參數(shù)由系統(tǒng)自動控制和調(diào)節(jié)，共鉆進(jìn)64 m。數(shù)字鉆機(jī)監(jiān)測的參數(shù)包括扭矩、轉(zhuǎn)速、推進(jìn)力、打擊能、打擊數(shù)、送水流量、送水壓力、排水流量和排水壓力等，在凝灰?guī)r地層中的鉆進(jìn)參數(shù)如表4 所示。

4.3.2 測量數(shù)據(jù)曲線分析

根據(jù)地質(zhì)情況，選取不同巖性的里程段進(jìn)行量測，并得到參數(shù)曲線圖（見圖5）。

表4 凝灰?guī)r地層中的鉆進(jìn)參數(shù) Table 4 Drilling parameters of tuff stratum

圖5 凝灰?guī)r中鉆進(jìn)能量隨鉆頭位移變化曲線 Fig.5 Change curve of drilling energy with displacement of bit in tuff stratum

FK4+375.5 掌子面以凝灰?guī)r為主，夾流紋巖。巖體微風(fēng)化，較完整，以塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部為塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。巖質(zhì)較硬，透水性較弱，為Ⅲ級圍巖。本次超前探孔采用不取芯鉆探，主要目的為探明前方是否存在斷層和破碎帶。通過對鉆機(jī)自行記錄的鉆進(jìn)速度、推進(jìn)力、轉(zhuǎn)速、扭矩、打擊能等數(shù)據(jù)，以及現(xiàn)場技術(shù)人員對鉆進(jìn)全程監(jiān)控資料的綜合分析，對該段圍巖鉆進(jìn)情況分述如下：

（1）掌子面前方0～12 m 范圍內(nèi)，即FK4+ 375.5～FK4+363.5 段，開孔時鉆速波動不大，最大為46 m/min；另外幾次較大鉆速波動均發(fā)生在加長鉆桿繼續(xù)鉆進(jìn)前后，打擊能和推進(jìn)力也隨之大幅波動；其余鉆速、推進(jìn)力、打擊能均比較穩(wěn)定。本段鉆孔回水顏色無明顯變化，無滲水。鉆進(jìn)總能量變化不大，由此推斷本段圍巖和掌子面基本一致。

（2）掌子面前方12～28 m 范圍內(nèi)，即FK4+ 363.5～FK4+347.5 段，鉆進(jìn)能量曲線顯示，鉆進(jìn)能量下降較明顯，有幾次較大鉆速波動，其余扭矩、鉆速、推進(jìn)力、打擊能均隨之波動。本段鉆孔回水顏色也輕微變化，回水量變大。由此推斷本段圍巖和掌子面比較，強(qiáng)度較差，裂隙較發(fā)育，含有裂隙水。

（3）掌子面前方28～41 m 范圍內(nèi)，即FK4+ 347.5～FK4+334.5 段，鉆進(jìn)參數(shù)有明顯波動，與掌子面鉆進(jìn)參數(shù)相差較大，曲線圖顯示鉆進(jìn)能量在本段波動大，鉆孔回水顏色較深。由此判斷本段圍巖與掌子面比較，強(qiáng)度差，可能存在斷層，斷層處存在夾泥，節(jié)理裂隙較發(fā)育，特別是在31 m 處，鉆進(jìn)能量達(dá)到最低。

（4）掌子面前方41～55 m 范圍內(nèi)，即FK4+ 334.5～FK4+320.5 段，能量曲線波動大，扭矩、鉆速、推進(jìn)力、打擊能同時也較大回升，各參數(shù)值大體與FK4+375.5～FK4+363.5 段持平，鉆孔回水顏色明顯清澈。由此判斷本段圍巖與現(xiàn)掌子面圍巖很接近，堅(jiān)硬且不滲水，未發(fā)現(xiàn)有不良地質(zhì)體，通過比對巖粉可知，前方巖體仍為凝灰?guī)r，與設(shè)計(jì)相符。

（5）掌子面前方55～63 m 范圍內(nèi)，即FK4+ 320.5～FK4+312.5 段，有幾次較大鉆速波動，其余扭矩、鉆速、推進(jìn)力、打擊能均隨之波動。鉆進(jìn)能量下降至一定值就維持小幅波動，鉆孔回水較渾濁，水量明顯加大。由此判斷本段圍巖較破碎，可能還有裂隙水。

4.4 圍巖分級

研究發(fā)現(xiàn)，鉆進(jìn)比能與巖石的某些物理性質(zhì)之間存在很好的響應(yīng)關(guān)系[17]，當(dāng)鉆進(jìn)條件確定時，可以利用鉆進(jìn)比能來對圍巖進(jìn)行分級。

圖2、6 是海底隧道凝灰?guī)r中鉆進(jìn)比能隨鉆頭位移的變化曲線，在此試驗(yàn)段中，鉆進(jìn)比能隨圍巖級別的降低而增大，其比能值變化如表5 所示。由表可知，隨著圍巖級別的降低，平均比能值增大，說明了巖石隨著圍巖級別的降低，抵抗破壞能力增強(qiáng)的性質(zhì)。雖然鉆進(jìn)比能在不同堅(jiān)硬程度的巖體中具有明顯的分區(qū)性，但是鉆進(jìn)比能的變化范圍較大，不同硬度的巖石比能值，其下界值低于次級硬度巖石上界指標(biāo)，即不同級別的圍巖，其比能變化區(qū)間呈相互交叉的特性。因?yàn)殚_挖時，前方的圍巖中必然包含各種節(jié)理、裂隙甚至軟弱夾層等結(jié)構(gòu)面，比能曲線會出現(xiàn)脈沖線條，比能值會出現(xiàn)較低的下界值。但是，采用試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行的圍巖分級，巖體中結(jié)構(gòu)面的含有率大大降低，進(jìn)而增大了比能指標(biāo)的下門檻值，縮短了變化范圍，在應(yīng)用上對完整性好的巖石才是適合的。

事實(shí)上，工程中對巖石的劃分，要求可操作性強(qiáng)，不可能也沒有必要劃分太細(xì)。根據(jù)圖2，可將比能值劃分為3 個區(qū)間，即低能耗區(qū)、中能耗區(qū)和高能耗區(qū)。其鉆進(jìn)位移、比能均值和比能變化范圍如表5 所示。

圖6 鉆進(jìn)比能曲線及圍巖分級 Fig.6 Change curve of penetrating specific energy and classification of surrounding rock

表5 鉆進(jìn)比能在凝灰?guī)r中的分布 Table 5 Distribution of penetrating specific energy in tuff stratum

如表6 所示，根據(jù)比能均值的變化，可將相應(yīng)區(qū)間的巖石劃分為軟巖、中硬巖和硬巖。由圖6 可得，軟巖層主要包含全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r（Ⅳ～Ⅴ級），中能耗區(qū)主要包含中等風(fēng)化凝灰?guī)r（Ⅲ級），其中含有少量強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r（Ⅳ級），高能耗區(qū)主要包含微風(fēng)化凝灰?guī)r（Ⅱ級）。

表6 根據(jù)鉆進(jìn)比能的凝灰?guī)r分類 Table 6 Classification of tuff by penetrating specific energy

5 結(jié) 論

（1）在凝灰?guī)r中，數(shù)字鉆機(jī)參數(shù)與圍巖巖性響應(yīng)程度較高，圍巖完整、堅(jiān)硬、無裂隙水時，整體鉆進(jìn)參數(shù)值較高；圍巖裂隙發(fā)育、含水或有斷層、夾泥層時，鉆進(jìn)速度、推進(jìn)力、轉(zhuǎn)速、扭矩、打擊能等數(shù)據(jù)會突變，其值變小。

（2）通過鉆進(jìn)比能對圍巖性質(zhì)進(jìn)行判定所得結(jié)果，與鉆孔取芯、TSP 超前預(yù)報(bào)等物探手段得到的結(jié)果基本一致。在鉆進(jìn)比能曲線圖中能量脈沖較多，沒有明顯的過渡區(qū)，各個能量區(qū)間內(nèi)曲線變化較大，表示地層內(nèi)的節(jié)理、裂隙、夾泥或裂隙水較多，同時也表明鉆進(jìn)比能曲線與地層復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)有較好的響應(yīng)性。因此，在此類巖石中鉆進(jìn)時可以采用能量法對圍巖進(jìn)行分析，各級巖石分別對應(yīng)一定的鉆進(jìn)比能均值和比能變化范圍，進(jìn)而可以通過鉆進(jìn)比能指標(biāo)劃分相應(yīng)的巖體區(qū)段，即低能耗區(qū)、中能耗區(qū)和高能耗區(qū)，每個區(qū)段對應(yīng)不同巖性的巖體，進(jìn)而判斷出圍巖等級。

（3）通過能量曲線分析，在斷層區(qū)域時，鉆進(jìn)能量均在0.95 kJ 能量以下，由此可得在凝灰?guī)r地層中，當(dāng)鉆進(jìn)能量小于0.95 kJ 時會出現(xiàn)斷層或較大的節(jié)理裂隙區(qū)。

[1] 徐小荷, 余靜. 巖石破碎學(xué)[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 1984.

[2] TEALE R. The concept of specific energy in rock drilling[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts, 1965, 2(1): 57－73.

[3] JAN Y M, CAMPBELL R L J. Borehole correction of MWD gamma ray and resistivity logs[C]//Transactions of the SPWLA Annual Logging Symposium. Houston: Society of Professional Well Log Analysts Inc., 1984: 189－197.

[4] GAO D, ZHANG H, WANG J. Method of formation classification while drilling with PDC bits[J]. Acta Optica Sinica, 1998, 18(1): 25－26, 36.

[5] DOWELL I A, YORK P L, JACKSON C E. Evolution of an LWD toolstring with applications for petrophysical logging and drilling control[C]//Proceedings of Annual Offshore Technology Conference, Field Drilling and Development Systems.[S. l.]: [s. n.], 1993: 897－905.

[6] NAVLLE C, SERBUTOVIEZ S, THROO A, et al. Seismic while drilling(SWD)techniques with down hole measurements，introduced by IFP and its partners in 1990-2000[J]. Oil and Gas Science and Technology, 2004, 59(4): 371－403.

[7] 譚卓英, 蔡美峰, 岳中琦, 等. 鉆進(jìn)參數(shù)用于香港復(fù)雜風(fēng)化花崗巖地層的界面識別[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 25(增刊1): 2939－2945. TAN Zhuo-ying, CAI Mei-feng, YUE Zhong-qi, et al. Interface identification of intricate weathered granite ground investigation in Hong Kong using drilling parameters[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(Supp.1): 2939－2945.

[8] HOWARTH D F, ADAMSON W R, BERNDT J R. Correlation of model tunnel boring and drilling machine performances with rock properties[J]. Journal of Rock Mechanics Sciences & Geomechanics Abstract, 1986, 23(2): 171－175.

[9] DE P B, VIOLA G, TOMIOLO A. The use of drilling energy for soil classification[C]//Proceedings of the 2nd International Symposium on Field Measurement in Geomechanics. Kobe: [s. n.], 1988.

[10] ZACAS M, KAVADAS M, MIHALIS I. The use of recording drilling parameters in rock mass classification[C]//Proceedings of the 8th ISRM Congress. Tokyo: International Society for Rock Mechanics, 1995, (3): 1121－1124.

[11] GUI M W, SOGA K, BOLTON M D, et al. Instrumented borehole drilling for subsurface investigation[J]. ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2002, 128(4): 283－291.

[12] LABELLE D, BARES J, NOURBAKHSH I. Material classification by drilling[C]//Proceedings of the 17th International Symposium on Automation and Robotics in Construction. Taipei: [s. n.], 2000.

[13] ZACAS M, KAVADAS M, MIHAILIS I. The use of recording drilling parameters in rock mass classification[C]//Proceedings of the 8th ISRM Congress. Tokyo: International Society for Rock Mechanics, 1995.

[14] TAN Z Y, CAI M F, YUE Q Z, et al. Application and reliability analysis of DPM system in site investigation of HK weathered granite[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2005, 12(6): 481－488.

[15] GUI M W, SOGA K, BILTON M D, et al. Instrumented borehole drilling for subsurface investigation[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2002, 128(4): 283－291.

[16] 譚卓英, 岳中琦, 蔡美峰. 風(fēng)化花崗巖地層旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中的能量分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007, 26(3): 478－485. TAN Zhuo-ying, YUE Zhong-qi, CAI Mei-feng. Analysis of energy for rotary drilling in weathered granite formation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(3): 478－485.

[17] 譚卓英. 巖土工程界面識別理論與方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008.