“金蟬脫殼”工法在巨厚砂層鉆探中提、下超長護壁管的應用

張敏

(山東省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三水文地質工程地質大隊(山東省魯南地質工程勘察院)，山東 濟寧 272100)

1 引言

工程地質鉆探是探測地球表層巖土工程性質的關鍵性支撐技術，是獲取地層巖性第一手資料的主要手段，具有不可替代的作用和地位。與其他地質勘探工程相比，工程地質鉆探具有投資規(guī)模小，周期短，風險低等優(yōu)點。鉆探工程隱蔽于地下作業(yè)，復雜地層和孔內復雜情況的存在，導致一些不確定性、隨機性和不可預見性因素出現(xiàn)，產(chǎn)生孔內、孔底情況識別不準、判斷和決策失誤等情況，致使孔內事故發(fā)生，將會導致鉆進作業(yè)中斷，延長施工工期，同時影響鉆探質量，延誤成果提交。處理不當，還可能報廢鉆探工作量和鉆具，鉆探成本大幅度提高，嚴重時還可能導致鉆探設備事故和其他傷害，因此必須充分重視鉆探孔內事故的預防處理工作。

近兩年全國高鐵、城際高鐵、地鐵、公路等基礎設施建設如火如荼，特別是高速鐵路，時速達到350 km，甚至450 km，這種速度特別是瞬間沖擊力量是巨大的，對軌道、路基都是不小的考驗。鐵路路基的設計離不開第一手資料—路基勘探，在勘探過程中，鉆探成果質量受到諸多因素影響，比如技術人員素質、設備、鉆機操作人員業(yè)務素質以及地層條件等。有時地層條件能影響鉆機操作和鉆機性能正常發(fā)揮，對此需要針對特殊地質、地層條件采取專門措施克服鉆探困難。本文將就新建魯南高速鐵路地質勘探中，受區(qū)域地層不利影響鉆探質量和進度的案例，以“金蟬脫殼”的思路，創(chuàng)新的解決了在巨厚砂層(厚40～50 m)中提、下護壁管(長50～60 m)的工藝問題進行闡述。該工法成功降低了成本，助推了項目質量和進度。該案例為我院實際操作的工程，希望該案例為今后遇到類似工程問題的同仁提供參考。

2 工程概況

新建魯南高速鐵路臨沂至曲阜段位于山東省南部臨沂市、濟寧市境內，線路東端起自臨沂市，向西經(jīng)費縣、平邑縣、泗水縣，終至曲阜市，正線長度138.284 km。線路西端通過聯(lián)絡線在曲阜東站與既有京滬高鐵銜接，并與規(guī)劃的魯南高速鐵路曲阜至菏澤段貫通，向西通過曲阜至菏澤段在菏澤地區(qū)連接規(guī)劃的京九客運專線；線路東端與規(guī)劃的魯南高速鐵路日照至臨沂段連接，在日照與在建青連鐵路相連。本次工況發(fā)生在臨沂至曲阜段，地處曲阜市尼山鎮(zhèn)境內，所屬“西余村特大橋”工點，根據(jù)技術要求，鉆探需要穿透上部土砂層，進入完整巖石5～8 m即可終孔，根據(jù)鉆探揭露情況看，上部砂層厚度達40 m左右，水位5 m左右，下伏寒武系中統(tǒng)張夏組(∈2jz)石灰?guī)r、泥灰?guī)r和頁巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育。當鉆至巖石界面，就出現(xiàn)漏水、漏泥漿，進而造成塌孔、埋鉆等孔內事故，上部巨厚砂層給鉆探施工造成了不少的困難。本文就是針對上部巨厚層砂層的不利影響，按照“金蟬脫殼”的思路，通過現(xiàn)場試驗，最大程度消除或基本消除因特殊地層造成的鉆探困難。

3 工程和水文地質條件

3.1 工程地質條件

測區(qū)所處構造單元屬華北板塊的魯西隆起區(qū)。上覆第四系砂土層厚度最大為56.8 m，下伏巖層存在巖溶不良地質作用?？扇軒r分布特征為寒武系中統(tǒng)張夏組泥灰?guī)r，測區(qū)內碳酸鹽巖地層經(jīng)過長期的溶蝕和侵蝕作用，局部形成了豐富的地下巖溶形態(tài)，如溶孔、溶隙、溶洞等。由于不良地質作用的存在，在鉆探過程中發(fā)現(xiàn)，當鉆至基巖面或入巖一定深度，就會發(fā)生漏水、漏漿，導致上部砂層塌孔，一度造成施工不前。上部0～40 m，主要制約工程順利鉆進的地層巖性如下：

粉質黏土(Q4al+pl)：黃褐色，硬塑，見鐵錳氧化物及其結核，土質不勻，見少量砂粒，Ⅱ級普通土。

中砂(Q4al+pl)：褐黃色，稍實，稍濕，主要顆粒成分為石英、長石，屬Ⅰ級松土。

中砂(Q4al+pl)：黃褐色，中密，稍濕，砂質不純，級配一般，黏性土含量約為20%，Ⅰ級松土。

中砂(Q4al+pl)：黃褐色，密實，潮濕～飽和，砂質不純，級配中等，偶見礫石，黏粒含量15%，Ⅰ級松土。

粗砂(Q4al+pl)：褐黃色，中密，潮濕～飽和，以長石、石英為主，顆粒級配較好，黏粒含量約5%，Ⅰ級松土。

粗砂(Q4al+pl)：褐黃色，密實，飽和，以長石、石英為主，顆粒級配較好，黏粒含量約5%，Ⅰ級松土。

粉質黏土(Q3)：黃褐色～棕紅色，硬塑，見鐵錳氧化物及其結核，土質不勻，零星砂巖風化碎屑，屬Ⅱ級普通土。

中砂(Q3)：黃褐色，中密，稍濕，砂質不純，級配一般，黏性土含量約為20%，Ⅰ級松土。

粗砂(Q3)：褐黃色，密實，飽和，以長石、石英為主，顆粒級配較好，黏粒含量約5%，Ⅰ級松土。

灰?guī)r(∈2jz)：橋址區(qū)內廣泛分布，青灰～灰白色，隱晶質結構，中厚層構造，巖質堅硬。強風化帶(W3)原巖結構部分被破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖心主呈短柱狀、塊狀，層厚0～5.45 m，屬Ⅳ級軟石，B組填料；弱風化帶(W2)原巖結構基本未破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖心較完整，主呈柱狀，屬Ⅴ級次堅石。

頁巖(∈2jz)：紫紅色，泥質結構，層狀構造，強風化帶(W3)原巖結構部分被破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖心主呈塊狀，屬Ⅳ級軟石，C組填料；弱風化帶(W2)原巖結構基本未破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主呈短柱狀，屬Ⅴ級次堅石。

泥灰?guī)r(∈2jz)：灰黃間黃褐色，隱晶質結構，中厚層構造，泥質膠結，強風化帶(W3)原巖結構部分被破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖心主呈塊狀，層厚0.78～8.2 m。屬Ⅳ級軟石，C組填料；弱風化帶(W2)原巖結構基本未破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主呈短柱狀，屬Ⅴ級次堅石。

泥巖(∈2jz)：灰綠～褐紅色，泥質結構，層狀構造，以黏土礦物為主要礦物成分，全風化帶(W4)層原巖結構完全被破壞，呈土狀，夾少量碎塊，屬Ⅲ級硬土，D組填料。強風化帶(W3)層原巖結構部分被破壞，呈碎塊，夾土狀，屬Ⅳ級軟石，C組填料；弱風化帶(W2)層原巖結構基本未破壞，巖心呈柱狀，夾少量碎塊狀，屬V級次堅石。

花崗巖(aSηγ21)：灰綠色，粒狀結構，塊狀構造，主要礦物成分為長石、石英，強風化帶(W3)層原巖結構部分被破壞，呈碎塊，夾土狀，屬Ⅳ級軟石，B組填料；弱風化帶(W2)層原巖結構基本未破壞，巖心呈柱狀，夾少量碎塊狀，屬V級次堅石。

3.2 水文地質特征

勘察期間地下水水位埋深4.7～52.3 m，水位變化幅度1～2 m。橋址區(qū)未見明顯地表水，僅在雨季時溝渠、河道內形成季節(jié)性水流。

地下水主要賦存于沖洪積層和坡洪積層的粉質黏土和砂類土等含水層中，接受大氣降水補給，在松散巖類的孔隙中形成孔隙潛水。結構疏松，滲透性好，含水類型為潛水、上層滯水，水量貧乏，徑、排條件較好。

巖溶水主要賦存于寒武系中統(tǒng)張夏組(∈2jz)石灰?guī)r、泥灰?guī)r等地層中。巖層中的裂隙、孔隙是地下水的主要賦存、運移空間，加之所處構造部位的不同，從而含水層的透水性、富水性不均一，且含水透水性都較弱。主要由大氣降水及地表水補給為主，鄰近含水層徑流補給為輔，沿層面和裂隙向低處徑流，流量隨季節(jié)而變化，流量不一。大氣降水是該區(qū)地下水的主要補給來源，測區(qū)內位于地下水補給區(qū)，未見明顯地下水排泄點。

4 鉆探困難

由于孔內情況復雜給鉆探造成一定困難，孔內復雜情況歸納起來主要有：鉆孔漏失(或漏水)、鉆孔彎曲、孔內溫度異常、鉆孔縮徑(或擴徑)、鉆孔坍塌(或阻滯)、孔內沉渣、孔內異物和其他孔內異常情況。本次場區(qū)鉆探復雜情況是，土砂層分布厚大，最厚達56.8 m，中密到密實，地下水水位埋深4.7 m左右，在如此淺水位、粘聚力為零、深度范圍內又廣泛分布砂層中,同時下伏基巖又存在不良地質巖溶、裂隙發(fā)育造成漏漿漏水嚴重的地質環(huán)境中鉆探，在剛鉆至觸基巖面或深入部分深度就漏失嚴重，造成孔內壓力失衡，造成塌孔、埋鉆時有發(fā)生，在這種情況下，如果不能有效穩(wěn)固如此巨厚砂質孔壁，就無從談起下部基巖鉆探(下部會遇到巖溶鉆探，同樣需要克服鉆探困難，本文不再專述)。埋鉆、卡鉆，鉆具被埋而遺棄和廢孔，一度成了機長們難以克服的傷心之痛，導致大量鉆機“撂挑子”、“跑路”，也給我們項目部造成了工期壓力。

5 解決辦法

通過仔細剖析造成鉆探困難的各個環(huán)節(jié)，查閱資料和分析類似案例，最終弄清原因，簡而言之就是砂層分布過厚、淺水位、下部巖溶裂隙發(fā)育漏失嚴重造成孔內壓力失衡而導致塌孔。解決問題的方向必須是穩(wěn)固砂質孔壁，對此，采用了加大泥漿黏度，但由于下伏裂隙、巖溶發(fā)育，再黏的泥漿也無法抵御漏失。因此考慮下護壁管，跟管鉆進，可是鋼質的護壁管下入孔底后，當終孔的時候，卻怎么也提不上來?？咨?0多米，側壁是砂層，砂層握裹護壁管，鉆機提升能力根本無法克服砂層的側摩阻力，強力提拔可能會造成鉆機變形，設備損壞，安全生產(chǎn)不能保證，其結果造成護壁管廢棄，不能周轉使用，據(jù)測算護壁管每米直接成本就高達70元，況且，鉆孔一般都布置在樁位上，廢棄的鋼質的護壁管還會影響后續(xù)的樁基施工，所以必須加以解決，以減少損失降低成本，并且還不能給后續(xù)工程形成新的障礙。嘗試多種辦法，最后想到“金蟬脫殼”，目的就是能夠把護壁管提拔出來，達到周轉使用降低成本，且不給后續(xù)基礎施工造成麻煩，具體做法確定在護壁管外表面涂抹潤滑油(該型潤滑油水環(huán)境下專用)，然后再套上PVC管，使鋼質護壁管與PVC管形成互不粘連、且潤滑良好的“兩張皮”，可使護壁管不直接接觸“制造摩擦”的巨厚砂層，在護壁管外壁涂抹潤滑油，目的是大大降低護壁管與PVC管的摩擦，確保護壁管順利提拔，PVC管就是“殼”。簡易流程見圖1。

圖1 鉆探流程圖

具體操作注意需要事項：①按照技術要求鉆至基巖面以上一定深度，就要停止鉆進，著手下入護壁管，從前期鉆探情況看，一般在將至基巖時，砂層往往漸變成一層硬塑黏土，或薄或厚一點，將護壁管擱置本層即可，如果鉆透本層，可能就會達到基巖面，將無法確保漏失泥漿造成塌孔，這樣將會失去下入護壁管的有利時機。鉆探的同時，做好護壁管外壁均勻涂抹潤滑油等準備工作；②向孔內迅速下入PVC管，管之間干插接(選擇定尺的、單根兩端直徑差異化的，便于插接，適于現(xiàn)場方便操作)，材質不能太差，要有一定抗沖切強度；③向PVC管內緩緩導入護壁管，用力不要過大，要輕放輕提，拿捏有度，否則有擠壓傷害PVC管的可能，嚴重的話可能前功盡棄。護壁管采用螺紋連接，一定要擰緊牢固，嚴防中途脫扣；④孔口雙管采用夾板固定，密封雙管間上部端口縫隙，防止含有砂粒的循環(huán)液流入雙管間的縫隙，導致雙管間縫隙堵塞，給提拔護壁管工作帶來不暢；⑤繼續(xù)下部鉆探，下部要縮徑鉆探，確保護壁管底端擱置穩(wěn)定，在鉆探過程中，起、下鉆具要平穩(wěn)，避免強力撞擊護壁管而意外的傷及外包的PVC管，造成PVC管部分或全部破壞，導致“腸梗阻”，那將給提拔護壁管形成一定的困難，很可能造成半途而廢、前功盡棄；⑥終孔后，根據(jù)事先準備的方案，要迅速提拔護壁管，由于護壁管底端植入巖土時間過長，在起拔護壁管初始階段，阻力會比較大，為了保證安全可以配置小噸位千斤頂配合作業(yè)。

6 效果評價

萬事開頭難，在經(jīng)歷了漏失泥漿、塌孔、埋鉆、強力提拔損壞設備、無奈遺棄鉆具、廢孔、一度停工等一系列困難情況下，通過現(xiàn)場多次嘗試，事實證明思路決定出路，最終以“金蟬脫殼”的思路，設計成雙管護壁，人為設置雙管“兩張皮”，巧妙的最大程度的使護壁管與砂層“零接觸”，使護壁管順利起拔，最大程度降低了鉆探成本，通過核算，如果鋼質的護壁管無法多次周轉使用，直接成本將每米增加70多元；采用“金蟬脫殼”工法，鐵質護壁管順利起拔，管材得到周轉、重復使用，增加的就是PVC管、潤滑油的成本，每米增加7到10元，并且護壁管起拔后，不會給后續(xù)的基礎施工形成新的障礙。同時安全生產(chǎn)有了很大保證，同時在經(jīng)濟、工期等方面效果明顯。

6 結論

(1)我單位長期在魯南、魯西南地區(qū)做工程地質

勘察工作，但類似本區(qū)分布如此厚的砂層地質條件的情況實數(shù)不多見，又恰逢下伏巖溶、裂隙等不良地質作用，漏失十分嚴重，多方不利因素共同作用，給鉆探工作造成了很大的困難，國家高速鐵路工程，責任意義重大，不能一蹴而就，必須認真克服困難，不留遺憾。

(2)在遇到施工困難時，要認真分析各個環(huán)節(jié)，不留空白，針對性的加以解決。思路決定出路，“金蟬脫殼”工法，巧妙的隔離了砂層對護壁管的直接接觸造成的強力握裹，雙管間的潤滑油作用又大大降低了護壁管的側摩阻力，多方作用有效降低了護壁管的起拔阻力。達到了護壁管能夠周轉、重復使用、大大降低了施工成本、消除了后續(xù)基礎施工障礙、降低了安全生產(chǎn)隱患、工期得到保障的諸多目的，得到了業(yè)主的贊同。

(3)由于護壁深度較大，選用管材強度不能太低，特別是PVC管起的作用很大，可以說措施成敗起到的是關鍵作用，要承受起、拔鉆具和鉆進時的旋轉撞擊破壞，其材質必須要有一定的抗沖切強度。護壁管外壁涂抹的潤滑油所起的潤滑作用也不可小覷，由于是水下使用，不能使用普通的油質，不能使用遇水就脫落的材質。同時，對設備的負荷能力以及機臺的操作工人要有處理問題的經(jīng)驗和能力，特別是操作鉆機的機長，不僅技術要高，更要有膽略，不能優(yōu)柔寡斷。解決問題需要各個環(huán)節(jié)、因素都要質量過關。

(4)“金蟬脫殼”工法，適用于本工程、本區(qū)地層條件，如果遇到復雜于本區(qū)條件的類似項目，需要從安全角度深入研究和嘗試。

主要參考文獻：

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