基于隨鉆參數(shù)的不同巖石鉆進(jìn)特征與圍巖級(jí)別修正

姚 靜，唐 斌

（貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司 貴陽 550016）

0 引言

隧道超前水平鉆探通過現(xiàn)場(chǎng)鉆探記錄，隨鉆參數(shù)讀取來推斷掌子面前方圍巖的地質(zhì)狀況，相比較其他超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，數(shù)據(jù)分析中無需引入其他參數(shù)，其結(jié)果更為準(zhǔn)確直觀，但存在鉆進(jìn)占用時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高等缺點(diǎn)。近年來，隨著超前鉆探技術(shù)的研究與發(fā)展，基于隨鉆參數(shù)與巖石評(píng)價(jià)的關(guān)系研究取得大量成果并應(yīng)用于實(shí)際工程，取得明顯效果［1?4］。數(shù)字鉆探測(cè)試技術(shù)［5］是一種對(duì)鉆進(jìn)過程中的鉆進(jìn)速率、轉(zhuǎn)速、扭矩、推進(jìn)力等隨鉆參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和部分參數(shù)定量控制的技術(shù)，鉆進(jìn)過程中的統(tǒng)計(jì)分析或能量分析是建立巖石力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)和隨鉆參數(shù)定量關(guān)系的常用方法。鉆進(jìn)過程能量分析法是利用能量守恒原理，研究動(dòng)能、軸力功、鉆進(jìn)比功等能量參數(shù)的變化規(guī)律，是評(píng)價(jià)巖石力學(xué)性質(zhì)的有效方法。譚卓英等人［6］認(rèn)為鉆孔監(jiān)測(cè)參數(shù)與界面處巖石強(qiáng)度的變化具有很好的響應(yīng)特征，能可靠地揭示復(fù)雜地層的變化。朱敢為等人［7］揭示了巖石強(qiáng)度對(duì)鉆井過程聲波頻域特征的影響機(jī)制，并為開發(fā)一種評(píng)估鉆探聲波信號(hào)采集的巖石結(jié)構(gòu)信息的方法提供了可能性。江貝等人［8］通過隨鉆測(cè)試反演得到的巖石單軸抗壓強(qiáng)度與室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果差異率平均值小于5%，建立的DP?σc模型應(yīng)用于巖石單軸抗壓強(qiáng)度的隨鉆測(cè)試是合理、有效的。王琦等人［9］提出了巖石c?φ參數(shù)數(shù)字鉆探測(cè)定方法，并通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了該方法與傳統(tǒng)三軸試驗(yàn)方法測(cè)定結(jié)果的對(duì)比分析。李哲等人［10］基于巖石可鉆性理論和能量守恒原理，提出鉆進(jìn)功速比概念，利用鉆進(jìn)過程中的4 個(gè)參數(shù)，對(duì)鉆進(jìn)功速比曲線進(jìn)行了分析比較。鉆進(jìn)功速比與圍巖巖性、結(jié)構(gòu)面具有很好的響應(yīng)關(guān)系。本文通過C6 鉆機(jī)在泥巖、砂巖、花崗巖、石英片巖4 種不同成因巖性中的鉆進(jìn)參數(shù)的分析，結(jié)合上述作者提出的鉆進(jìn)功速比進(jìn)行比較，分析鉆進(jìn)功速比在不同巖性中的特征與關(guān)聯(lián)性，以期通過鉆進(jìn)功速比進(jìn)行圍巖分級(jí)修正。

1 隨鉆參數(shù)數(shù)據(jù)選取與分析

1.1 樣品鉆進(jìn)記錄

本次超前水平鉆探樣品分別選取泥巖、砂巖、花崗巖、石英片巖4種巖性，各巖石樣品鉆進(jìn)情況及鉆進(jìn)記錄評(píng)價(jià)如表1統(tǒng)計(jì)所示。

表1 巖石樣品鉆進(jìn)情況及鉆進(jìn)記錄評(píng)價(jià)Tab.1 Drilling Status of Rock Samples and Evaluation of Drilling Records

1.2 各巖性隨鉆參數(shù)與鉆進(jìn)深度關(guān)系分析

超前水平鉆探隨鉆參數(shù)的獲取采用意大利卡薩C6?2 水平鉆機(jī)，通過配套的專用分析軟件，能準(zhǔn)確獲取隧道前方圍巖狀況，對(duì)地質(zhì)采樣、數(shù)據(jù)采集分析、取巖心等工作的開展提供了重要的技術(shù)支持，具有自動(dòng)化程度高、鉆孔深度大、鉆孔精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)和使用后范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。鉆進(jìn)過程中所有生成的參數(shù)均是相對(duì)于鉆進(jìn)掌子面的圍巖狀況的相對(duì)值，參數(shù)的絕對(duì)值僅在相近區(qū)域有一定參考性，按照判定準(zhǔn)則，隨鉆參數(shù)的優(yōu)先度排序?yàn)椋恒@進(jìn)速度>扭矩>推進(jìn)力>旋轉(zhuǎn)速度，本次數(shù)據(jù)分析優(yōu)先選用鉆進(jìn)速度、扭矩和推進(jìn)力，各巖性隨鉆參數(shù)與鉆進(jìn)深度的關(guān)系如表2及圖1～圖4所示。

表2 不同巖性鉆速和扭矩分布范圍Tab.2 ROP and Torque Distribution Ranges for Different Lithologies

對(duì)于巖石的堅(jiān)硬程度的判斷，扭矩是較為敏感的指標(biāo)之一，由圖1～圖4可知，巖石強(qiáng)度由高到低依次為花崗巖＞砂巖＞石英片巖＞泥巖，其扭矩隨鉆進(jìn)深度表現(xiàn)為呈下降趨勢(shì)，鉆進(jìn)速度95%置信區(qū)間與巖石強(qiáng)度成反比關(guān)系，泥巖鉆進(jìn)速度最大，花崗巖和砂巖鉆進(jìn)速度最小。但由于各巖性節(jié)理裂隙發(fā)育程度各不相同，其限差變化較大，通過各曲線峰值密度可大體判斷該段落巖體的完整性程度，進(jìn)行圍巖級(jí)別修正。

圖1 泥巖隨鉆參數(shù)與鉆進(jìn)深度關(guān)系Fig.1 Relationship between Parameters while Drilling in Mudstone and Drilling Depth

圖2 砂巖隨鉆參數(shù)與鉆進(jìn)深度關(guān)系Fig.2 Relationship between Parameters while Drilling in Sandstone and Drilling Depth

圖3 花崗巖隨鉆參數(shù)與鉆進(jìn)深度關(guān)系Fig.3 Relationship between Parameters while Drilling and Drilling Depth in Granite

圖4 石英片巖隨鉆參數(shù)與鉆進(jìn)深度關(guān)系Fig.4 Relationship between Parameters while Drilling and Drilling Depth of Quartz Schist

2 巖石功速比分析

由于樣品巖性、結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性，鉆進(jìn)過程中受節(jié)理裂隙、軟弱夾層、地下水影響較大，操作手的操作習(xí)慣也是重要的影響因素，導(dǎo)致鉆進(jìn)參數(shù)變化較大，由圖1～圖4 分析，在不同的推力下，其鉆速和扭矩隨鉆進(jìn)深度推進(jìn)表現(xiàn)不同。譚卓英等人［11］利用能量守恒定律和與轉(zhuǎn)換，分析了花崗巖鉆進(jìn)過程中總的輸入能量及總的鉆進(jìn)能量，認(rèn)為將鉆進(jìn)系統(tǒng)視為質(zhì)點(diǎn)，則根據(jù)能量守恒原理，鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)所做的功存在以下能量轉(zhuǎn)換關(guān)系：

式中：pe為鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)輸出的總能量；pk為鉆具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能；pd為克服鉆具重力并使鉆具上下位移所需要的軸力功；pf為鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)馬達(dá)及減速系統(tǒng)在能量輸出過程中所產(chǎn)生的摩擦及振動(dòng)等消耗的能量。實(shí)際鉆進(jìn)過程中，C6?2 鉆機(jī)采用風(fēng)冷技術(shù)進(jìn)行排渣并未使用鉆進(jìn)液體，在風(fēng)冷排渣過程中摩擦阻力、粘滯力等參數(shù)很難測(cè)定，且鉆進(jìn)速度通常較低，環(huán)向與軸向粘滯阻力很小，因此pf可忽略不計(jì)［11］。

式中：∑m為鉆進(jìn)系統(tǒng)的總質(zhì)量，包括鉆頭、取樣器、鉆桿及加長(zhǎng)桿的質(zhì)量，與孔深有關(guān)；V1為鉆進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量中心的瞬時(shí)線速度；D為鉆進(jìn)系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)直徑；n為鉆進(jìn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速；Fe為施加在鉆進(jìn)系統(tǒng)的有效軸壓力；S為鉆具系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)的位移；α為鉆具系統(tǒng)中心軸線與水平面夾角，且0°≤α≤90°，當(dāng)垂直鉆孔時(shí)α=90°，水平鉆孔時(shí)α=0°；V為穿孔速率；Ft為加壓?調(diào)壓系統(tǒng)施加在鉆具上的軸向壓力；Fa為加壓?調(diào)壓系統(tǒng)施加在鉆具上的調(diào)壓力，用以平衡鉆具重力。

根據(jù)文獻(xiàn)［10］提出的功速比計(jì)算公式：

式中：E為功速比，功速比表征在一定鉆進(jìn)速度情況下破壞巖石所做的功，即巖石的易破碎程度。當(dāng)鉆進(jìn)功速比大（即做功大）、鉆進(jìn)速度小時(shí)，表明巖石不易被破壞，此時(shí)巖石硬度高、結(jié)構(gòu)面少或風(fēng)化程度低。當(dāng)鉆進(jìn)功速比?。醋龉π。?、鉆進(jìn)速度大時(shí)，表明巖石極易破壞，此時(shí)巖石硬度低、結(jié)構(gòu)面多或風(fēng)化程度高。F1為對(duì)鉆桿施加的扭矩；V1為鉆頭外徑的旋轉(zhuǎn)速度；T1為鉆頭施加于巖石的扭矩；R為鉆頭外半徑。F2為對(duì)鉆桿施加的壓力；V2為鉆頭鉆進(jìn)速度；T2為鉆頭施加于巖石上的推進(jìn)壓力；A為鉆桿截面積。

圖6 砂巖鉆進(jìn)深度與鉆進(jìn)功速比關(guān)系Fig.6 Relationship between Drilling Depth and Drilling Power-speed Ratio in Sandstone

圖7 花崗巖鉆進(jìn)深度與鉆進(jìn)功速比關(guān)系Fig.7 Relationship between Granite Drilling Depth and Drilling Power-speed Ratio

利用上述功速比的計(jì)算，分別對(duì)泥巖、砂巖、花崗巖和石英片巖參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到鉆進(jìn)深度與功速比的響應(yīng)曲線，如圖5～圖8 所示。鉆進(jìn)過程中，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育程度各不相同，鉆速存在較大差異，在鉆速較低的情況下，其功速比呈現(xiàn)急速峰值，峰值分布密度反映了裂隙發(fā)育程度，在鉆速極大，空轉(zhuǎn)情況下，功速比無限接近于零值。在完整巖體鉆進(jìn)，忽略其他外界因素影響，巖石強(qiáng)度與鉆進(jìn)功速比應(yīng)成正比關(guān)系，即巖石強(qiáng)度越大，鉆進(jìn)速度越低，其鉆進(jìn)功速比就越高，基于前述分析，應(yīng)用95%置信區(qū)間數(shù)值進(jìn)行擬合，置信區(qū)間展現(xiàn)的是該巖性鉆進(jìn)功速比的真實(shí)值有一定概率落在測(cè)量結(jié)果的周圍的程度，應(yīng)用置信區(qū)間的上下限作為該巖性功速比的有效范圍。

圖5 泥巖鉆進(jìn)深度與鉆進(jìn)功速比關(guān)系Fig.5 Relationship between Drilling Depth and Drilling Power-speed Ratio in Mudstone

圖8 石英片巖鉆進(jìn)深度與鉆進(jìn)功速比關(guān)系Fig.8 Relationship between Drilling Depth and Drilling Power-speed Ratio of Quartz Schist

通過對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行分析可知，各巖性鉆進(jìn)功速比分布范圍基本一致，由于各巖性均非各向同性，巖石的風(fēng)化程度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度及地下水發(fā)育程度均不相同，因此，需通過置信區(qū)間劃定鉆進(jìn)功速比的主要分布上下限值進(jìn)行對(duì)比。如表3 所示，鉆進(jìn)功速比主要分布上限與巖石指標(biāo)具有一定的相關(guān)性，花崗巖鉆進(jìn)功速比最高，泥巖最低。各巖性的主要上限和主要下限存在交叉重疊，主要與巖石風(fēng)化程度及裂隙發(fā)育有關(guān)。

表3 不同巖性鉆性功速比和巖石指標(biāo)關(guān)系Tab.3 Relationship between Drilling Power-speed Ratio and Rock Index for Different Lithologies

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第一冊(cè)土建工程》表A.0.5?1中將巖石的堅(jiān)硬程度劃分為堅(jiān)硬巖（＞60 MPa）、較堅(jiān)硬巖（60～30 MPa）、較軟巖（30～15 MPa）、軟巖（15～5 MPa）、極軟巖（＜5 MPa），結(jié)合各巖性鉆進(jìn)功速比主要分布范圍，劃分對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)功速比分別為堅(jiān)硬巖（＞0.2 kJ·m?1·h?1）、較堅(jiān)硬巖（0.2～0.15 kJ·m?1·h?1）、較軟巖（0.15～0.1 kJ·m?1·h?1）、軟巖（0.1～0.05 kJ·m?1·h?1）、極軟巖（＜0.05 kJ·m?1·h?1）。

結(jié)合表1 鉆進(jìn)記錄評(píng)價(jià)，對(duì)各巖性進(jìn)行圍巖級(jí)別進(jìn)行修正。泥巖鉆進(jìn)功速比介于0.05～0.07 kJ·m?1·h?1，Rc值低于15 MPa，為軟巖，鉆進(jìn)功速比突變較少，說明節(jié)理裂隙弱發(fā)育，巖體總體較完整，可維持原設(shè)計(jì)。砂巖鉆進(jìn)功速比介于0.1～0.16 kJ·m?1·h?1，屬于較軟～較堅(jiān)硬巖，24 m 后鉆進(jìn)功速比突變密集，結(jié)合鉆進(jìn)記錄，24～50 m 處地下水及裂隙發(fā)育，圍巖級(jí)別判定為0～24 m 維持原設(shè)計(jì)，24～50 m 處酌情降一級(jí)?；◢弾r鉆進(jìn)功速比介于0.05～0.18 kJ·m?1·h?1，屬于較軟～較堅(jiān)硬巖，呈碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)，鉆進(jìn)功速比突變密集，綜合鉆進(jìn)記錄，圍巖級(jí)別判定可維持原設(shè)計(jì)。石英片巖鉆進(jìn)功速比介于0.04～0.15 kJ·m?1·h?1，屬于軟～較堅(jiān)硬巖，鉆進(jìn)功速比在28 m 處突變密集，綜合鉆進(jìn)記錄，圍巖級(jí)別判定在0～28 m 處可維持原設(shè)計(jì)，28 m 后酌情降一級(jí)。

3 結(jié)論

⑴通過對(duì)不同巖性超前水平鉆探隨鉆參數(shù)的分析，在推進(jìn)力基本恒定的情況下，鉆進(jìn)速度和扭矩與巖石強(qiáng)度的相關(guān)性較高，巖石強(qiáng)度越大，鉆進(jìn)速度越小，扭矩越大。

⑵對(duì)不同巖性鉆進(jìn)功速比和巖石Rc指標(biāo)進(jìn)行分析，存在較好的響應(yīng)，分別依據(jù)泥巖、砂巖、花崗巖和石英片巖置信區(qū)間內(nèi)鉆進(jìn)功速比，劃分了與堅(jiān)硬程度對(duì)應(yīng)的鉆進(jìn)功速比范圍。

⑶依據(jù)隨鉆參數(shù)特征和鉆進(jìn)記錄的綜合分析，可對(duì)圍巖級(jí)別進(jìn)行酌情修正，更符合實(shí)際開挖狀況。

⑷超前水平鉆探隨鉆參數(shù)受鉆機(jī)操作、巖石不均一性、裂隙發(fā)育、地下水發(fā)育等因素影響較大，數(shù)據(jù)存在較大偏差，數(shù)據(jù)有效性有待進(jìn)一步篩選，研究手段仍需進(jìn)一步豐富。