北京(密云)地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔鉆探技術(shù)

秦 沛

(北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院，北京101500)

近年來，為加強(qiáng)北京地區(qū)地應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院開展了北京地區(qū)深孔地應(yīng)力綜合觀測(cè)試驗(yàn)深孔鉆探施工。我院承擔(dān)了位于北京市密云縣園林東路1號(hào)的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔的鉆探施工任務(wù)。

1 工程概況

1．1 施工目的

本工程是中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所主持的國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“重要地區(qū)地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)及構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)綜合研究”項(xiàng)目的鉆探工程，目的是建立北京地區(qū)深孔地應(yīng)力綜合觀測(cè)試驗(yàn)站，開展系統(tǒng)的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)工作。

1．2 鉆孔設(shè)計(jì)及技術(shù)要求

1．2．1 鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所的要求和鉆孔深度、地層情況，確定鉆進(jìn)的方法和結(jié)構(gòu)。

因開孔為第四系地層，主要是粘性土、砂層和卵石層，屬較軟—稍硬地層，易坍塌、孔斜、漏水，且不取心，故采用152/200 mm空氣潛孔錘跟183 mm套管鉆進(jìn)至完整基巖(或甲方要求深度)，水泥封固后分別采用150 mm金剛石單管取心鉆具、130 mm金剛石普通雙管取心鉆具鉆進(jìn)至預(yù)計(jì)孔深，下入114 mm技術(shù)套管后換S96金剛石繩索取心鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。然后提出114 mm技術(shù)套管，用130 mm擴(kuò)孔鉆具根據(jù)地層完整程度進(jìn)行擴(kuò)孔。

1．2．2 技術(shù)要求

(1)第四系可不取心，基巖地層平均取心率≥95%。

(2)鉆孔垂直度偏差≤0.5°/100 m，可以累計(jì)計(jì)算。

(3)鉆孔換徑施工時(shí)保證其同心度。

(4)取出的巖心，應(yīng)自上而下、自左至右按次序排列并及時(shí)整理、裝箱、編號(hào)、不得丟失。按要求存放并做好記錄，及時(shí)移交，以便取樣和保存，為地應(yīng)力測(cè)量和監(jiān)測(cè)選擇深度提供可靠資料。

(5)鉆進(jìn)過程中可以使用清水或泥漿作為循環(huán)液，盡可能減少潤(rùn)滑劑等處理劑的使用;鉆進(jìn)結(jié)束后，清洗孔壁和孔底，孔底巖粉厚度≤0.2 m/100 m。

(6)終孔后，采用孔口板對(duì)孔口進(jìn)行封堵。

(7)按要求配合甲方進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。

1．3 場(chǎng)地條件

場(chǎng)地位于北京市密云縣園林東路1號(hào)，密云縣城西南2 km，潮白河交匯口上游2.5 km，地形平坦。受潮白河古河道變遷的沖洪積作用及人類工程活動(dòng)等多種作用影響，形成廣泛的沖洪積地貌。場(chǎng)地北有101國(guó)道，南有京承高速路，交通便捷。因位于我院院內(nèi)，水、電及場(chǎng)地都比較方便，采用市政用水及市電施工。

1．4 地層情況

鉆探揭露主要地層是:0～37 m為第四系地層，主要是回填土、砂層和卵石層，屬較軟—稍硬地層，巖石可鉆性級(jí)別為2～6級(jí)，易坍塌、孔斜、漏水;

37～1003m為以角閃二輝片麻巖和石榴黑云輝石片麻巖為主的完整地層，風(fēng)化裂隙發(fā)育程度隨深度增加而減弱，富水性較差，中硬—硬，巖石可鉆性為6～9級(jí)，較完整，易于取心，但巖石較硬，擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率較低。

2 鉆探工藝技術(shù)

2．1 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)地層情況及甲方要求，確定鉆孔結(jié)構(gòu)為:第四系地層(0～37.73 m)采用了152/200 mm空氣潛孔錘跟183 mm套管鉆進(jìn)，水灰比0.5的 PO．32．5水泥漿封固;換150 mm金剛石單管鉆進(jìn)至103.46 m，并下入146 mm套管，以水灰比0.5的PO．32．5水泥漿封固;再采用130 mm(小眼導(dǎo)正)金剛石普通雙管鉆進(jìn)至104.10 m，下入114 mm技術(shù)(活動(dòng))套管;換S96金剛石繩索取心鉆進(jìn)至終孔。進(jìn)行應(yīng)力波測(cè)試與水壓致裂實(shí)驗(yàn)后提出114 mm技術(shù)套管，用130 mm擴(kuò)孔至425.42 m后下入儀器，詳見圖1。

2．2 施工工藝

圖1 鉆孔孔身結(jié)構(gòu)示意圖

第四系地層主要由粘性土、砂層和卵石層組成且不要求取心，泥漿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率低，易坍塌、孔斜、漏水。故開孔采用152/200 mm空氣潛孔錘同心跟管鉆進(jìn)?；鶐r地層為了提高鉆探效率，保證鉆孔質(zhì)量，分別采用了150 mm金剛石單管取心鉆具、130 mm普通雙管取心鉆具及S96繩索取心鉆進(jìn)。

2．3 沖洗液選擇

為保證監(jiān)測(cè)儀器與孔壁有效接觸，防止泥漿對(duì)地層影響，應(yīng)盡量使用單一的沖洗液。結(jié)合地層情況，沖洗介質(zhì)為:第四系空氣潛孔錘鉆進(jìn)，以空氣為循環(huán)介質(zhì);150 mm金剛石單管取心鉆進(jìn)以清水鉆進(jìn)施工;130 mm金剛石普通雙管取心鉆進(jìn)，為保證孔壁穩(wěn)定，防止坍塌，使用優(yōu)質(zhì)粘土泥漿。其配方及性能見表1;S96金剛石繩索取心鉆進(jìn)采用清水加皂化液鉆進(jìn)，既能潤(rùn)滑鉆具、冷卻鉆頭、攜帶巖粉、保證金剛石自銳出刃，又能節(jié)省鉆探成本。

表1 優(yōu)質(zhì)粘土泥漿配比及性能

3 鉆孔技術(shù)質(zhì)量保證措施

與一般固體礦產(chǎn)巖心鉆探相比，本孔質(zhì)量要求，一是取心率高，二是孔斜要求嚴(yán)，三是對(duì)沖洗液規(guī)定嚴(yán)。另外，由于擴(kuò)孔深、口徑大，對(duì)孔斜及施工安全有較大的影響。為此，采取以下措施。

3．1 保證巖心采取率措施

(1)S96鉆具下入孔內(nèi)之前應(yīng)檢查調(diào)整以下配合間隙:繩索取心鉆具的彈卡與彈卡擋頭的頂面間隙、卡簧座與鉆頭內(nèi)臺(tái)階之間應(yīng)保持最優(yōu)間隙、卡簧內(nèi)徑和鉆頭內(nèi)徑的配合。

(2)S96繩取內(nèi)管總成投入孔內(nèi)前應(yīng)將所有絲扣擰緊，尤其是內(nèi)管接頭與內(nèi)管、內(nèi)管與卡簧座的連接螺紋及內(nèi)管總成長(zhǎng)度調(diào)節(jié)絲扣的鎖母。防止倒扣造成內(nèi)管總成打撈失靈。

(3)S96每回次打撈出內(nèi)管總成后應(yīng)檢查彈卡的靈活性和內(nèi)管總成的單動(dòng)性。

(4)S96要避免打“單管”現(xiàn)象。

(6)通過逐步探索，正確掌握各種鉆進(jìn)工藝取心操作技術(shù)。

3．2 防斜措施

(1)開鉆前必須對(duì)設(shè)備安裝質(zhì)量進(jìn)行檢查、驗(yàn)收，鉆機(jī)安裝要水平、周整，固定牢固，鉆機(jī)鉆塔要對(duì)正，天車、游動(dòng)滑車、立軸中心三點(diǎn)一線，鉆進(jìn)過程中經(jīng)常檢查鉆機(jī)的水平情況和主動(dòng)鉆桿的重直度，一但發(fā)現(xiàn)偏差，立即糾正。頂角誤差≤0°20'。

(2)潛孔錘鉆進(jìn)時(shí)必須及時(shí)提動(dòng)吹渣，壓力不應(yīng)＞12 kN。

(3)鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)盡量采用剛、長(zhǎng)、直的鉆具滿眼鉆進(jìn)。

(4)換徑鉆進(jìn)時(shí)，要選用鋒利的鉆頭，主動(dòng)鉆桿不得有偏擺，轉(zhuǎn)速要低，壓力要均勻，并應(yīng)隨鉆孔加深而逐步加長(zhǎng)巖心管，正常鉆進(jìn)的粗徑鉆具不得短于6 m，而且要直。

(5)鉆進(jìn)過程中，當(dāng)?shù)貙佑绍涀冇矔r(shí)，應(yīng)采用慢速低壓鉆進(jìn)。

圖2 換徑鉆進(jìn)孔徑示意

(7)擴(kuò)孔時(shí)帶內(nèi)扶正器，換徑時(shí)帶外扶正器。粗徑鉆具用綜合式異徑接頭連接，中心線一致。換徑導(dǎo)正管≥6 m，第一回次小徑巖心≤1 m。

(8)及時(shí)測(cè)斜，每50 m測(cè)斜一次，換徑等特殊情況下及時(shí)測(cè)斜。

3．3 做好原始記錄的措施

原始報(bào)表包括:鉆探班報(bào)表(含簡(jiǎn)易水文觀測(cè)記錄表)、交接班記錄表。各班必須指定專人在現(xiàn)場(chǎng)用鋼筆及時(shí)填寫原始報(bào)表，要做到真實(shí)、齊全、準(zhǔn)確、整潔。有以下幾點(diǎn)措施:

(1)記錄員應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)真、及時(shí)地填寫好各項(xiàng)數(shù)據(jù)，不允許下班后追記、補(bǔ)記。

(2)班長(zhǎng)、機(jī)長(zhǎng)(或綜合記錄員)要每天校對(duì)原始記錄，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤要及時(shí)修正，無誤后簽字自存并定期移交統(tǒng)計(jì)部門保存。

(3)按相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存放巖心并做相應(yīng)的記錄(如巖性鑒定、RQD詳細(xì)統(tǒng)計(jì)等)。

3．4 保證封孔質(zhì)量的措施

(1)必須經(jīng)甲方核實(shí)同意后，方可封孔。

(2)使用泥漿做沖洗液的時(shí)候，應(yīng)該自下而上清洗封閉孔段壁上的泥皮。

(3)封孔前必須準(zhǔn)確掌握封閉段孔深及隔離塞(架橋)的位置，正確選用架橋材料，并將其固定牢靠。

(4)必須用清水將水泥攪拌均勻，水灰比應(yīng)＜0.5。

(5)可視情況采用泵送、導(dǎo)管注入或注送器注入水泥漿的方法，水泥漿出口距隔離位置的距離應(yīng)＜0.5 m。

(6)注漿過程不要中斷，封閉長(zhǎng)度在5 m以內(nèi)時(shí)不得提動(dòng)鉆具;水泥漿灌注完畢，要準(zhǔn)確掌握替漿的清水用量，不得過多。

(7)本孔以技術(shù)(活動(dòng))套管護(hù)壁，應(yīng)先封好套管下部各封閉段后再起拔套管。

3．5 保證地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)措施

(1)做好相關(guān)準(zhǔn)備，及時(shí)解決現(xiàn)場(chǎng)施工和配合過程中出現(xiàn)的問題。主要是:按要求準(zhǔn)備單根長(zhǎng)度＞4 m、耐高壓且密封性好的50或42 mm鉆桿，用于水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量;提供現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作用水和380 V、功率≮20 kW的動(dòng)力電源;現(xiàn)場(chǎng)滿足每臺(tái)班不少于5人配合工作，主要負(fù)責(zé)控制鉆機(jī)通過鉆桿升降井下測(cè)量設(shè)備。主要技術(shù)人員必須熟練和平穩(wěn)地操作鉆機(jī)，安全、準(zhǔn)確地把測(cè)量和監(jiān)測(cè)儀器放置到要求的深度，配合甲方工作時(shí)要服從甲方安排。

(3)終孔后，開展水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量，同時(shí)以鉆機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)配合工作。

(5)按相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)存放巖心并做相應(yīng)的記錄(如巖性鑒定、RQD值詳細(xì)統(tǒng)計(jì)等)，為地應(yīng)力測(cè)量和監(jiān)測(cè)選擇深度提供可靠資料。

4 壓裂實(shí)驗(yàn)

4．1 壓裂工藝

利用一對(duì)可膨脹的封隔器在選定的測(cè)量深度封隔一段鉆孔，然后通過泵入流體對(duì)該試驗(yàn)段增壓，同時(shí)利用數(shù)據(jù)采集器記錄壓力隨時(shí)間的變化。對(duì)實(shí)測(cè)記錄曲線進(jìn)行分析，得到特征壓力參數(shù)，再根據(jù)相應(yīng)的理論計(jì)算公式，就可得到測(cè)點(diǎn)處的最大和最小水平主應(yīng)力的量值以及巖石的水壓致裂抗張強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)。

4．2 實(shí)驗(yàn)過程

水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試包括以下8個(gè)步驟:(1)選擇試驗(yàn)段;(2)檢驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng);(3)安裝井下測(cè)量設(shè)備;(4)座封;(5)壓裂;(6)關(guān)泵;(7)卸壓;(8)印模。

4．3 監(jiān)測(cè)儀器安裝

5 后續(xù)監(jiān)測(cè)及維護(hù)

5．1 監(jiān)測(cè)站建設(shè)

按照甲方要求，地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)探頭現(xiàn)場(chǎng)安裝工作結(jié)束后，于鉆孔位置建設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)房尺寸要求:長(zhǎng)5.00 m，寬4.00 m，檐高3.00 m，檐寬0.30 m，室外散水0.50 m，裝飾要求:室內(nèi)立面白水泥抹面，地面鋪白色地板磚，外墻立面貼白色瓷磚，并于監(jiān)測(cè)房周圍設(shè)置必要的防護(hù)設(shè)施(如圍墻及防護(hù)欄等)，監(jiān)測(cè)站建設(shè)的詳細(xì)要求參見圖3～7。監(jiān)測(cè)臺(tái)站場(chǎng)地平整、通電等工作均由乙方負(fù)責(zé)完成，必要時(shí)，甲方可對(duì)相關(guān)工作進(jìn)行協(xié)助。

圖3 監(jiān)測(cè)臺(tái)站外觀設(shè)計(jì)圖

圖4 監(jiān)測(cè)臺(tái)站外觀實(shí)際效果

圖5 監(jiān)測(cè)臺(tái)站室內(nèi)說明圖片

5．2 監(jiān)測(cè)及維護(hù)

由委托專人對(duì)監(jiān)測(cè)儀器需定期或發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷、異常情況時(shí)進(jìn)行維護(hù)，保證監(jiān)測(cè)工作的正常進(jìn)行。

6 工程質(zhì)量

6．1 鉆探工程質(zhì)量

按照巖心鉆探規(guī)程，質(zhì)量指標(biāo)均符合要求。主要指標(biāo)(巖心采取率、孔斜)如下。

圖6 監(jiān)測(cè)臺(tái)站室內(nèi)監(jiān)測(cè)儀器圖片

圖7 監(jiān)測(cè)臺(tái)站室內(nèi)適時(shí)傳輸儀器圖片

(1)巖心采取率。經(jīng)終孔后統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)孔深1000.00 m，實(shí)際孔深1003.42 m。設(shè)計(jì)取心孔段長(zhǎng)度965.69 m，實(shí)際取心長(zhǎng)度930.01 m。巖心采取率96.3%。

(2)孔斜。鉆孔孔斜(垂直)度詳見表2。由于鉆孔傾角基本在89°～90°之間(即頂角在0°～1°＜5°)，因此，鉆孔方位幅度大，無法測(cè)定。

表2 鉆孔孔斜

6．2 整體工程質(zhì)量

經(jīng)甲方組織驗(yàn)收，認(rèn)為該施工工程質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良。

7 結(jié)論及建議

7．1 結(jié)論

(1)地應(yīng)力孔施工技術(shù)要求高，特別是對(duì)巖心采取率、孔斜控制、鉆具選擇、鉆具配合及工藝參數(shù)選擇的要求比較高。應(yīng)盡量使用繩索取心鉆具，預(yù)防孔斜。

(2)地應(yīng)力孔對(duì)鉆孔質(zhì)量有較特殊的要求，如鉆孔孔壁要平直光滑，孔徑要均勻，這就對(duì)鉆頭及工藝的選取提出了較高的要求。應(yīng)使用孕鑲金剛石鉆具，保證孔壁光滑。

(3)由于地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔需要進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)，因此對(duì)沖洗液護(hù)壁要求高。應(yīng)盡量使用清水或成分簡(jiǎn)單的無固相沖洗液。

7．2 建議

(1)加強(qiáng)選址工作。由于地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔目的是有效監(jiān)測(cè)地層中的應(yīng)力變化，因此，必須選擇完整的基巖體，地層要完整致密堅(jiān)硬，便于開展地應(yīng)力監(jiān)測(cè);同時(shí)，為便于后期建站進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，施工場(chǎng)地必須保障建站要求。

(2)針對(duì)地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔的施工特點(diǎn)，增加相應(yīng)的記錄。由于地應(yīng)力監(jiān)測(cè)孔施工工序多、施工周期長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程復(fù)雜、設(shè)備儀器安裝要求高、后期實(shí)驗(yàn)及監(jiān)測(cè)過程長(zhǎng)，因此，做好工程施工整個(gè)過程詳細(xì)記錄對(duì)今后工程修復(fù)等尤為重要。

［1］ 北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院．北京地區(qū)(密云)地應(yīng)力監(jiān)測(cè)鉆孔竣工報(bào)告［R］．

［2］ 郭紹什．鉆探手冊(cè)［M］．湖北武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1993．

［3］ DZ/T 0227—2010，地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程［S］．

［4］ 劉廣志．金剛石鉆探手冊(cè)［M］．北京:地質(zhì)出版社，1991．

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