繩索取芯技術(shù)在活動性斷裂帶中的應(yīng)用研究

李鵬偉

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 豐潤 064000 )

活動斷裂帶具有特殊活動性，長期處于活動狀態(tài)的斷裂帶在幾百萬年下將產(chǎn)生超過幾十厘米甚至幾十米位移[1-2]?；顒訑嗔岩话銥閰^(qū)域控震構(gòu)造，地震活動強(qiáng)烈，可能發(fā)生破壞性地震或位錯等問題。由于多數(shù)工程竣工時間距今較短且獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)有限，如何科學(xué)地解決這一工程難題,國際上尚未取得共識[3-5]。

隧洞穿越活動斷裂具有地質(zhì)復(fù)雜、多重災(zāi)害疊加的特點(diǎn)。國內(nèi)外針對隧洞跨越活動斷裂構(gòu)造的重點(diǎn)研究內(nèi)容為工程結(jié)構(gòu)抗斷問題，歸納總結(jié)為“超挖、鉸接、隔離消能”3種設(shè)計(jì)基本理念。在前期設(shè)計(jì)勘測階段，對活動斷裂特性與位置推測常存在一定偏差，因此需在開挖揭露之前進(jìn)行補(bǔ)勘，掌握其規(guī)模、工程地質(zhì)特征以及活動性質(zhì)，為防震抗震設(shè)計(jì)和安全施工提供科學(xué)的依據(jù)。目前隧洞穿越不良地質(zhì)的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)方法的研究和應(yīng)用已經(jīng)比較系統(tǒng)全面，超前鉆探作為預(yù)報的一種常規(guī)方法，具有直觀反映鉆孔所經(jīng)過部位的巖層巖性、巖體完整程度、裂隙發(fā)育程度與地下水情況等優(yōu)點(diǎn)。普遍使用的沖擊鉆探具有占用作業(yè)時間少等優(yōu)點(diǎn)，但在復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆進(jìn)工作參數(shù)所包含的地質(zhì)信息易失真，難以從中有效提取。因此探究一種適用于軟弱破碎區(qū)的復(fù)雜地層取芯技術(shù)顯得極為重要。

本文以滇中引水獅子山隧洞F16活動斷裂帶為研究對象，對極軟巖、斷層泥等不良地質(zhì)體的水平深孔鉆芯取樣探測方法及其賦存特征進(jìn)行深入研究，為下一步施工措施制定提供技術(shù)資料和理論支撐。

1 工程概況

獅子山隧洞跨越F16程?！e川活動性斷裂帶(見圖1)。斷裂為 Q3晚更新世活動性斷裂，上盤殘留較高的構(gòu)造應(yīng)力，巖體產(chǎn)生極嚴(yán)重擠壓變形。巖體結(jié)構(gòu)破碎(Rb<2MPa，Kv<0.15)，主要呈散體結(jié)構(gòu)，斷層帶巖體呈泥包石狀(Rb<2MPa)，泥化夾層發(fā)育普遍。地下水位高出底板67m，斷層帶中等透水。圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比0.03，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比0.17。預(yù)測F16活動性斷裂 100 年水平位錯量為 1.7m(范圍值為 1.3～1.7m)，垂直位錯量 0.3m，隧洞存在抗剪斷問題。

圖1 F16活動斷裂地質(zhì)縱斷面

2 繩索取芯法

超前鉆探預(yù)報法適用于探測前方突泥、突水、斷層等地質(zhì)災(zāi)害[6]。隧道及地下工程洞內(nèi)超前鉆孔探測應(yīng)用繩索取芯鉆探技術(shù)，相對其他地質(zhì)鉆芯取樣方法具有適用軟弱破碎圍巖、采取率高、減少鉆進(jìn)時間、機(jī)械化程度高的特點(diǎn)。

2.1 取芯鉆具

繩索取芯鉆具由外管總成和內(nèi)管總成組成[7]。外管總成由外管、內(nèi)管扶正器、鉆頭等組成,直接與鉆桿相連，通過鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)施工。內(nèi)管總成由矛絞鏈?zhǔn)筋^機(jī)構(gòu)、泵送機(jī)構(gòu)、彈卡定位器、到位報訊器、巖芯堵塞報警器、內(nèi)管保護(hù)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。附屬工具包括鉆桿、取芯絞車、鉆桿夾持器。

2.2 技術(shù)原理

繩索取芯鉆進(jìn)是采用大直徑的鉆桿,在鉆具里面套裝一根取芯管。在鉆進(jìn)過程中,巖芯緩慢地裝在取芯管內(nèi)。當(dāng)發(fā)生巖芯裝滿內(nèi)管堵塞報警機(jī)構(gòu)時，提示操作者應(yīng)停止鉆進(jìn)，采用帶繩索的打撈器，從鉆桿中把取芯管提出。提取巖芯后，從鉆桿中把取芯管放到孔底，到位報信機(jī)構(gòu)通過水泵泵壓信號反饋鉆具到位情況。取芯內(nèi)管到位后，方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例

3.1 鉆探要求及技術(shù)難點(diǎn)

3.1.1 鉆探要求

隧洞跨越F16活動斷裂帶的取芯鉆孔布置見圖2。超前預(yù)報取芯鉆探布置3個孔，長度50～80m，取芯鉆孔孔徑不小于91mm，以滿足安全施工和斷裂處理所需資料為原則，連續(xù)預(yù)報時前后兩循環(huán)鉆孔應(yīng)重疊3～5m。

圖2 F16活動斷裂帶取芯鉆孔布置(單位：mm)

鉆探工程質(zhì)量目標(biāo)如下：

a.巖芯采取率不得低于80%。保證巖芯箱質(zhì)量，防止開裂漏失和破壞，巖芯及時入箱。

b.鉆孔彎曲度。直孔每鉆進(jìn)100m，頂角100m小于2°方位角。使用JTL-40FW無纜陀螺防磁式測斜儀測量。

c.孔深校正。每鉆進(jìn)50m進(jìn)行孔深校正；孔深校正偏差：最大允許誤差1/1000。

d.水文觀測。每鉆進(jìn)1個回次觀測1次動水位；當(dāng)回次進(jìn)尺小于1.0m時，可2個回次觀測1次。保證整個鉆孔施工過程不漏測、誤測。

e.巖芯保護(hù)。每個鉆孔孔內(nèi)取出的巖芯必須嚴(yán)格管理、保護(hù)，鉆孔施工完畢巖心經(jīng)地質(zhì)復(fù)查后，移交施工單位保存。

3.1.2 鉆探技術(shù)難點(diǎn)

a.保證能采取出巖芯。 隧洞鉆探地層主要呈散體結(jié)構(gòu)，為鈣質(zhì)頁巖，巖體強(qiáng)度極低，取芯困難。局部夾層為泥包石狀(Rb<2MPa)，極易造成采取率的不足。

b.孔壁失穩(wěn)難題。F16活動斷裂構(gòu)造復(fù)雜，地應(yīng)力高。水平深孔存在縮徑夾鉆、坍塌埋鉆、掉塊卡鉆等孔壁失穩(wěn)難題。

c.巖芯采取率應(yīng)符合要求。鉆取的巖芯所包含的地質(zhì)信息應(yīng)不失真，能有效提取分析與解譯。

3.2 鉆探技術(shù)

3.2.1 鉆探設(shè)備配置

本項(xiàng)目鉆探設(shè)備采用1臺套XY-2T巖芯鉆機(jī)，配置BW250型泥漿泵、JB500型泥漿攪拌機(jī)、SJ1000型繩索取芯絞車各1臺和HQ/NQ型繩索取芯水平鉆具2套。選擇合適的鉆頭可以達(dá)到理想的鉆進(jìn)效率，提高泥漿反渣效果。在頁巖地層鉆頭選擇硬度為25°以上的金剛石，外徑比鉆具大1～2mm。

3.2.2 鉆進(jìn)方法與工藝

a.鉆探方法選擇。在如極軟巖、斷層破碎帶等復(fù)雜地層應(yīng)用繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)能順利完成巖芯采取，且采取率及鉆進(jìn)效率較傳統(tǒng)鉆進(jìn)技術(shù)大大提高[8-9]。依據(jù)F16活動斷層地質(zhì)設(shè)計(jì)、探鉆要求，采用金剛石繩索取芯工藝進(jìn)行水平鉆進(jìn)取芯，以確保滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)要求的巖芯采取率。

b.鉆孔結(jié)構(gòu)。對破碎復(fù)雜地層采用兩級套管護(hù)壁，松散、完整地層鉆進(jìn)采用優(yōu)質(zhì)鉆井液(無固相泥漿)進(jìn)行護(hù)壁，以確保鉆孔施工的安全和高效。開孔孔徑不小于95mm，終孔口徑不小于75mm；滿足設(shè)計(jì)和施工技術(shù)要求，開孔和終孔及換徑皆須測量鉆頭內(nèi)徑，每次提升鉆具應(yīng)觀察鉆頭是否變形，變形應(yīng)換鉆頭，保證巖芯直徑與鉆頭直徑相吻合，以利于地質(zhì)樣品的采集。

c.鉆進(jìn)參數(shù)。鉆進(jìn)參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量[10]，繩索取芯鉆進(jìn)效率取決于選擇合理的鉆進(jìn)參數(shù)。應(yīng)用繩索取芯鉆進(jìn)技術(shù)在隧洞洞內(nèi)極軟巖、斷層等不良地質(zhì)進(jìn)行水平深孔鉆芯補(bǔ)勘的工況研究案例極少。因此，在實(shí)施階段鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)通過現(xiàn)場試鉆確定，其原則為：?在軟弱圍巖地層適當(dāng)控制鉆壓和轉(zhuǎn)速：鉆壓6～10kN，轉(zhuǎn)速300～500r/min；當(dāng)鉆進(jìn)鉆破碎巖層鉆具跳動大時，應(yīng)采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、較大泵量鉆進(jìn)；?每回次控制在1.0～1.5m；?泥漿泵量的選擇：較小的泵量和較高的泵壓是繩索取芯鉆進(jìn)的要求，泵量控制在30～60L/min, 泵壓小于3MPa。

d.泥漿性能。泥漿性能是制約復(fù)雜地層應(yīng)用繩索取芯鉆探施工成敗的關(guān)鍵因素，也是安全鉆探中的必要措施。根據(jù)地質(zhì)條件、鉆進(jìn)速度等確定應(yīng)用高黏無固相泥漿，其主要功能是：起到護(hù)壁作用，保證孔壁穩(wěn)定；起到保護(hù)巖芯作用；清洗孔底，攜帶巖屑；冷卻、潤滑鉆頭和鉆具；控制和平衡地層壓力等。

泥漿要達(dá)到這些功能的表觀指標(biāo)主要有泥漿比重、黏度、失水量、pH值等[11]。

根據(jù)F16活動斷裂主要地層巖性為鈣質(zhì)頁巖，具有圍巖強(qiáng)度極低、松散破碎，夾有斷層泥且對水敏感，遇水崩解泥質(zhì)化等工程特點(diǎn)，選配水敏抑制性泥漿[12]，采用特級植物膠、聚丙烯酰胺等配置。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)選擇最佳配比漿液性能：密度1.02～1.06kg/cm3,黏度22～24s，失水量6.6～8mL/30min，pH值8.0。該泥漿護(hù)壁效果好，能對孔壁和巖芯起到很好的保護(hù)作用，流動性好、攜粉能力強(qiáng)、潤滑性好，充分發(fā)揮了聚丙烯酰胺的絮凝作用和植物膠的黏彈性和潤滑減振作用[13]。

3.3 鉆探成果分析

3.3.1 掌子面地質(zhì)

現(xiàn)場進(jìn)行水平深孔鉆芯工作面樁號為DLII47+028.5，揭示地質(zhì)見圖3。該段處于FⅢ-102與F16構(gòu)造夾持破碎帶，圍巖巖性為鈣質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖，屬極軟巖，局部經(jīng)構(gòu)造動力作用變質(zhì)，出現(xiàn)糜棱巖化特征；受構(gòu)造擠壓影響，軟弱擠壓泥化夾層發(fā)育，主要有4組結(jié)構(gòu)面,巖體破碎，呈散體結(jié)構(gòu)，頂拱及掌子面發(fā)育線狀流水。該段隧洞埋深約233m，先期應(yīng)力荷載強(qiáng)，開挖后受應(yīng)力釋放影響，圍巖承受的變形松弛荷載較強(qiáng)，巖體遇水軟化嚴(yán)重，圍巖極不穩(wěn)定。

圖3 DLII47+028.5開挖揭示的圍巖地質(zhì)情況

3.3.2 鉆孔取芯情況

a.鉆孔布置見表1。

表1 鉆孔布置參數(shù)一覽

b.鉆孔結(jié)構(gòu)。開孔采用130mm口徑鉆進(jìn)3.50m，下入3.86mφ127井口套管護(hù)壁。第二級口徑采用95mm金剛石繩索取芯鉆進(jìn)取芯至終孔。上部復(fù)雜坍塌孔段采用110mm口徑擴(kuò)孔后下入φ108套管護(hù)壁。為保證巖芯采取率及鉆孔安全，全孔鉆進(jìn)沖洗液采用高黏無固相泥漿。

c.鉆孔描述。鉆孔孔深：ZK1、ZK2、ZK3號鉆孔終孔深度分別為60m、62.54m、81.45m。巖芯采取率：鉆孔采取全孔取芯，平均巖芯采取率大于80%(代表性巖芯見圖4)。

圖4 現(xiàn)場鉆芯取樣情況

孔深校正：孔深校正誤差小于1‰。

巖芯描述：主要描述內(nèi)容為顏色、巖石單層厚度、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分、填隙物、圓度及分選性、膠結(jié)類型與膠結(jié)物、結(jié)核及包裹體、層面構(gòu)造與層理特征、裂隙節(jié)理及斷口、對鹽酸的反應(yīng)、條痕光澤、堅(jiān)硬程度等。例如樣品箱標(biāo)號3：18.93-20.16(總進(jìn)尺1.23m/芯樣長度1.06m)-20.66(總進(jìn)尺0.5m/芯樣長度0.4m)-21.06(總進(jìn)尺0.4m/芯樣長度0.3m)?；液谏?、細(xì)—中顆粒，夾少量泥質(zhì)物，次圓狀顆粒；巖石取樣滴鹽酸試驗(yàn)，氣泡豐富，判定為白云質(zhì)灰?guī)r。

d.鉆探成果。DLII47+028.5向下游方向(掌子面左側(cè)81.45m，掌子面右側(cè)63.15m)鉆孔取芯及芯樣分析:

根據(jù)鉆孔揭露情況，隧洞掌子面前方0～80m主要為炭質(zhì)頁巖，軟弱破碎；夾斷層泥(灰黑色或雜色黏土)、壓碎巖(泥包石狀)、碎裂巖(白云質(zhì)灰?guī)r)。

鉆孔深度1.8m時有裂隙水流出，鉆孔終孔總出水量約0.05L/s，水無色無味。

根據(jù)取芯鉆孔揭露，從樁號DLⅡ47+056開始進(jìn)入F16活動斷裂帶。構(gòu)造擠壓破碎帶發(fā)育，巖體破碎，呈碎裂—碎屑散體狀結(jié)構(gòu)，巖屑夾泥充填，局部發(fā)育軟弱泥化夾層，隧洞掘進(jìn)過程中，掌子面及頂拱易發(fā)生掉塊、塌方失穩(wěn)破壞，存在滴水—滲水現(xiàn)象，圍巖極不穩(wěn)定，斷層破碎帶存在涌水突泥風(fēng)險。

4 結(jié) 語

本文依托滇中引水工程獅子山隧洞，對斷層破碎帶的鉆芯技術(shù)進(jìn)行研究。得到如下主要結(jié)論：

a.鉆探取芯直接揭露隧洞前方地質(zhì)條件是最直觀的超前地質(zhì)預(yù)報方法?，F(xiàn)場鉆芯結(jié)果表明繩索取芯鉆進(jìn)工藝是解決在極軟巖、破碎散體結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)等地層難以鉆取合格巖芯問題的關(guān)鍵技術(shù)手段。

b.現(xiàn)場應(yīng)用研究表明科學(xué)的鉆進(jìn)參數(shù)和優(yōu)質(zhì)的泥漿性能是復(fù)雜地層繩索取芯鉆探施工成敗的控制要素，也是安全鉆探中的必要措施。

c.繩索取芯鉆進(jìn)工藝和高黏無固相泥漿技術(shù)在獅子山隧洞F16活動斷裂帶中的試驗(yàn)的應(yīng)用，證明了該工藝和技術(shù)在隧洞超前鉆探地質(zhì)預(yù)報的適用性，為類似工程提供了方法支撐。