新型雙管取心鉆具及其在軟土地層中的應(yīng)用

歐陽濤堅(jiān)， 程春紅

(浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315010)

新型雙管取心鉆具及其在軟土地層中的應(yīng)用

歐陽濤堅(jiān)， 程春紅

(浙江省工程勘察院，浙江 寧波 315010)

寧波河姆渡—田螺山遺址科學(xué)鉆探要求采取無擾動原狀土樣，由于寧波地區(qū)特殊的地層巖性，采用傳統(tǒng)的厚壁取土器及薄壁取土器均難以達(dá)到試驗(yàn)要求。為此，研發(fā)了新型雙管取心鉆具，同時改進(jìn)泥漿工藝。應(yīng)用證明提高了巖心采取率，大幅減少對原狀土擾動，取得高質(zhì)量巖土樣；新型雙管取心鉆具，采用PVC內(nèi)管和單向閥、大出水口鉆頭和高出刃切削片，具有高效、高性價比和操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

雙管取心鉆具；泥漿工藝；原狀土；巖心采取率；軟土

0 引言

寧波位于我國海岸線中段、浙江寧紹平原東端，屬典型飽和軟粘土地區(qū)，在漫長復(fù)雜的地質(zhì)歷史中，自上而下逐漸形成了粘土、淤泥、粉質(zhì)粘土、泥炭質(zhì)土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土等典型土層。軟粘土具有含水量較高、強(qiáng)度偏低、壓縮性大、固結(jié)速度較慢等特點(diǎn)。同時，軟弱土層有一定的結(jié)構(gòu)性，這種特性主要表現(xiàn)為觸變性和高靈敏度。觸變性軟土的原狀土受到振動或擾動后，由于土體結(jié)構(gòu)遭破壞，強(qiáng)度會大幅度降低。

根據(jù)《浙江1∶5萬鳴鶴場、澥浦鎮(zhèn)、慈城鎮(zhèn)、鄞江鎮(zhèn)、姜山鎮(zhèn)幅區(qū)調(diào)成果報告》，河姆渡—田螺山研究區(qū)及周邊區(qū)域，為平原區(qū)和山麓溝谷區(qū)。其中山麓溝谷區(qū)沉積物成因類型簡單，為典型的陸相地層，沖積平原的淺部多為河漫灘相，具典型的二元結(jié)構(gòu)。

《四明山地質(zhì)公園研究課題》為了查明河姆渡—田螺山遺址及附近全新世沉積物的物質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)、粒度變化、形成時間、成因類型，系統(tǒng)分析全新世以來沉積物質(zhì)變化的時空分布特征，擬對河姆渡—田螺山遺址外圍實(shí)施地質(zhì)鉆探，地質(zhì)鉆探共布設(shè)4個鉆孔，180 m全孔取心。本次鉆探為科學(xué)鉆探，要求所采取巖心不能出現(xiàn)任何形式的擾動，達(dá)到Ⅰ級原狀土試樣標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)原狀土取樣規(guī)范，原狀土樣的采取可采用薄壁取土器、二(三)重管回轉(zhuǎn)取土器、束節(jié)式取土器、厚壁取土器。在工程地質(zhì)鉆探中，技術(shù)人員根據(jù)不同硬度的土層，不同的取樣要求，選擇不同的取土器和鉆進(jìn)工藝，采?、窦壴瓲钔猎嚇?、Ⅱ級原狀土樣、擾動土樣等。

目前，寧波地區(qū)工程地質(zhì)鉆探土樣的采取大多采用厚壁取土器單管干鉆法，該法工藝簡單、成本低、可操作性強(qiáng)，因而被廣泛應(yīng)用。然而該取心工藝存在巖心采取率低的問題，尤其在遇流變性強(qiáng)的地層或細(xì)顆粒、厚度大的砂層時，采取率更低，而且對原狀土樣擾動嚴(yán)重，破壞了原狀土的原始應(yīng)力結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真，甚至無法制成測試土樣，從而嚴(yán)重影響基礎(chǔ)資料的質(zhì)量。

薄壁取土器可以減小對原狀土的擾動，但適用范圍受限，巖心管長度短，二(三)重管回轉(zhuǎn)取土器在可塑至流塑粘性土、粉砂、粉土、可塑—堅(jiān)硬的粘性土、粉土、粉砂、細(xì)砂、硬塑—堅(jiān)硬的粘性土、中砂、粗砂、礫砂、碎石土、軟巖中使用，可提高原狀土樣采取率，但對鉆探設(shè)備和操作人員的要求高，雙(三)管鉆進(jìn)時鉆機(jī)要求扭矩大，操作人員經(jīng)驗(yàn)豐富，操作不當(dāng)很容易糊鉆燒鉆，處理事故費(fèi)時費(fèi)力且不能保證取心質(zhì)量。

為順利完成本次課題鉆探任務(wù)，提高鉆探工藝水平，獲得真實(shí)準(zhǔn)確的第一手鉆探基礎(chǔ)資料，我院研發(fā)了一套新型鉆具和鉆探工藝。

1 工程概況

河姆渡—田螺山作為未來四明山申報國家地質(zhì)公園的組成部分。本次野外鉆探共布置4個鉆孔，孔深20～50 m，孔徑110 mm。按設(shè)計(jì)要求，所采取巖心不能出現(xiàn)任何形式的擾動，每一回次巖心提鉆上來后，巖心的頂部和底部不能有擾動，出現(xiàn)擾動即為不合格巖心，如出現(xiàn)2次以上底部、頂部、巖心中部擾動現(xiàn)象，則該孔作廢、在原地重新開孔。

每孔上部取心時，務(wù)必保證巖心的長度，即每一回次取心務(wù)必1.5 m以上的長度，切不可出現(xiàn)幾十厘米一截一截的短鉆。

每一回次的取心率要達(dá)到95%以上，如遇砂層至少保證80%以上的取心率，在保證巖心質(zhì)量的前提下，每孔綜合取心率要達(dá)到90%以上。

總之，本次鉆探對巖心的采取要求非常高，如果使用常規(guī)的取心工具和方法，難以完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

2 新型雙管取心鉆具結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

新型雙管取心鉆具包括分水接頭、廢土管、外管、鉆頭及內(nèi)管(見圖1)，分水接頭內(nèi)設(shè)置單向閥(鋼球)，沖洗液只能自下而上單向流動；分水接頭的側(cè)壁上開有供分水接頭中的泥漿流出的出水通道；取心管內(nèi)腔上部為廢土管，上端與分水接頭下端相連接；外管上端與廢土管下端相連接；鉆頭設(shè)于外管下端，且鉆頭的上部連接于外管下端的內(nèi)側(cè)；內(nèi)管設(shè)置于外管內(nèi)且下端與鉆頭的上端相抵，該內(nèi)管與外管之間形成有一間隙。

1—球閥；2—分水接頭；3—廢土管；4—外管；5—PVC內(nèi)管；6—鉆頭

圖1雙管取心鉆具結(jié)構(gòu)組合及拆分圖

相對于普通雙管取心鉆具而言，新型雙管取心鉆具具有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1)結(jié)構(gòu)簡單、輕便，操作方便。因內(nèi)管采用輕質(zhì)PVC管，中間減少了單動裝置雙向推力軸承等，因而十分輕便簡單，操作方便，效率高；普通雙管取心鉆具因結(jié)構(gòu)復(fù)雜,質(zhì)量大，取心時顯得笨重，地層復(fù)雜鉆機(jī)扭矩小時功率不足，操作時操作工必須小心謹(jǐn)慎，稍有不慎內(nèi)管就會被卡死。

(2)內(nèi)管與外管連接簡單，內(nèi)管只要直接插入即可，鉆進(jìn)時，巖心進(jìn)入內(nèi)管，因巖心與內(nèi)管間存在摩擦力，取心時外管轉(zhuǎn)動而內(nèi)管不動，內(nèi)管對巖心起到保護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)單動雙管功能,且不存在單動裝置失效燒鉆的可能。

(3)內(nèi)管超前于外管，土樣先于鉆頭進(jìn)入內(nèi)管，可減小對土樣的擾動，內(nèi)管超前長度和壁厚可根據(jù)地層軟硬程度調(diào)整。

(4)鉆具的外管與內(nèi)管分離，降低了對原狀土樣的擾動，提高了鉆具的取心質(zhì)量及巖心采取率。

(5)內(nèi)管采用PVC管，成本低，大幅度降低了鉆具造價。

3 泥漿工藝改進(jìn)

按設(shè)計(jì)要求,鉆孔要求全孔連續(xù)取心，山麓溝谷區(qū)鉆孔，淺部地層松散，成孔過程中易出現(xiàn)坍孔，為保證孔壁穩(wěn)定，采用常規(guī)自造漿難以保證安全，為此采用改良泥漿，適當(dāng)加大泥漿密度，在泥漿中加入純堿、聚丙烯酰胺等泥漿處理劑，控制泥漿性能指標(biāo)：粘度20～23 s、密度1.08～1.15 g/cm3、pH值7.5～8.5，在孔內(nèi)形成優(yōu)質(zhì)泥漿。

泥漿配制前，先計(jì)算孔壁側(cè)壓力Pc和沖洗液液柱壓力Pm，以Pm≥Pc為原則配制泥漿。

Pm=9.81×10-3Hρm

Pc=λPs=9.81×10-3λρs

9.81×10-3Hρm≥9.81×10-3λρs

得出：ρm≥λρs

式中：ρm——沖洗液密度，g/cm3；ρs——土層密度，g/cm3；λ——土層側(cè)壓力系數(shù)。

本次鉆孔松散層密度ρs=2.15 g/cm3，λ值在0.35～0.4之間，ρm≥λρs=0.4×2.15=0.86 g/cm3。

考慮平衡安全附加壓力和沖洗液上返時作用在孔底的循環(huán)附加壓力，確定泥漿密度應(yīng)控制在1.08～1.15 g/cm3較為合適。

4 鉆頭改進(jìn)

本次鉆探地層以土層為主，土層硬度不大，可采用硬質(zhì)合金鉆頭，新型雙管鉆具因出水改為側(cè)邊，因而對鉆頭進(jìn)行了改進(jìn)，加大出水口尺寸，出水口高度改為25 mm，硬質(zhì)合金外出刃3 mm，底出刃7 mm，內(nèi)出刃3.5 mm。鉆頭內(nèi)出刃一定要保證，以免巖心進(jìn)入內(nèi)管后受到擠壓擾動。

改進(jìn)后鉆頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖

5 工程應(yīng)用及使用效果

2015年3月在井頭山附近實(shí)施了第一口鉆探巖心取樣孔(ZK1)，采用XY-1型巖心鉆機(jī)，孔徑110 mm，取樣時，開孔0.50 m左右采用慢速壓入，低壓慢速鉆進(jìn)，鉆壓在5～8 kN，轉(zhuǎn)速142 r/min，采用普通泥漿，臥式單缸雙作用泥漿泵，第一回次取樣后，鉆速采用中速或高速，轉(zhuǎn)速285～570 r/min，鉆壓在5～8 kN，因ZK1孔20 m以淺地層均為軟土，故采用普通泥漿，泵量控制在30～50 L/min。ZK1孔采集了20 m的巖心樣，鉆孔深至黃灰色第二硬土層，采取巖心長19.63 m，巖心采取率98.12%，具體見表1。

第二次在寧波橫街西陸(ZK2)、河姆渡廬山寺村、杭州市余杭區(qū)西良村完成3口鉆探巖心取樣孔，ZK2孔淺部為第四系松散堆積層，厚度4.3 m，土層膠結(jié)性差，采用改良泥漿護(hù)壁，沒有出現(xiàn)坍孔，保證順利成孔。3個孔共取心196 m，每孔綜合巖心采取率98.3%，均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，每孔均為一次性取心成功，沒有出現(xiàn)返工情況。

表1 ZK1鉆孔取心情況

所有采取土樣送檢至檢測單位，均達(dá)到Ⅰ級原狀土試樣標(biāo)準(zhǔn)。圖3為ZK1孔巖心開樣后情況。

圖3 ZK1孔采取土樣照片

6 結(jié)語

通過工程中的實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，新型雙管取心鉆具在本項(xiàng)目及寧波軌道交通1號線工程地質(zhì)鉆探項(xiàng)目中應(yīng)用，都取得非常好的效果，值得推廣應(yīng)用。

從使用效果可以證明，新型雙管取心鉆具具以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)使用方便，操作簡單；

(2)可以達(dá)到普通雙管鉆具效果，可以減小對原狀土的擾動，提高巖心采取率，獲得高質(zhì)量原狀土樣；

(3)輕便，功耗低，比普通雙管鉆具成孔速度快；

(4)鉆具成本低。

當(dāng)然，新型雙管取心鉆具也存在一些不足和需要改進(jìn)的地方，一是在軟土中可以百分之百保證土樣不脫落，但在極松散地層，如單次進(jìn)尺過長(大于1 m)，則土樣容易逃落；二是遇到局部硬土層，超前內(nèi)管不易壓入，有時一個小碎石就可能損壞內(nèi)管。改進(jìn)方法：(1)控制單次進(jìn)尺；(2)內(nèi)管底端加接金屬環(huán)刀等，但有時還是會有土樣逃落現(xiàn)象，下步改進(jìn)主要是解決土樣脫落問題。

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ApplicationofNewTypeDouble-tubeCoreBarrelinSoftSoilStratum

OUYANGTao-jian,CHENGChun-hong

(Zhejiang Engineering Prospecting Institute, Ningbo Zhejiang 315010, China)

The soil samples are required to be undisturbed in scientific drilling of Hemudu-Tianluoshan site in Ningbo. Due to the special strata lithology in Ninbo area, it is difficult to meet the requirements with the traditional thick-wall and thin-wall soil samplers. In this case, a new type double-tube core barrel is developed, and the mud technology is also improved. The application shows that the core recovery has been improved with high quality soil and rock samples, the disturbance on undisturbed soil are largely decreased. This new type double-tube core drilling tool, with PVC inner tube and one-way valve, large water outlet and proud exposure bit, has advantages of high efficiency, high performance price ratio and good operability.

double-tube core barrel; mud technology; undisturbed soil; core recovery; soft soil

2017-03-08；

2017-06-18

歐陽濤堅(jiān)，男，漢族，1970年生，高級工程師，注冊巖土工程師，從事巖土工程設(shè)計(jì)和技術(shù)管理工作，浙江省寧波市寶善路206號，284474128@qq.com。

P634.4

B

1672-7428(2017)09-0065-03