鐵路隧道復雜地層鉆探綜合治理

張 昊

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司甘肅勘察院, 甘肅蘭州 730000)

時值鐵路建設的高峰,隨著鐵路隧道勘探孔的深度不斷加大,所遇復雜地層的機會也日漸增多；同時勘察設計部門的工作量非常飽和,要求勘探隊伍能快速、安全、高質量的通過此類復雜地層。復雜地層是指巖芯鉆探中孔壁不穩定(發生坍塌、掉塊、遇水膨脹、遇水溶解等)、鉆孔漏水或涌水、取芯困難的地層。反映在施工中主要有兩個方面的問題：一是孔壁不穩定,導致成孔困難、鉆進無法正常進行；二是取芯困難,巖芯采取率達不到地質要求。以下結合具體工程實例探討復雜地層鉆探的綜合治理。

1 工程概況

新建蘭新鐵路客運專線,可提升西北地區鐵路綜合運輸能力,并滿足新疆、甘肅、青海三省區工農業生產的需要,縮短西北地區與中東部和西南地區的距離。達坂山隧道CDSZ-23深孔位于蘭新客運專線祁連山麓南支脈,海拔高度為3 382 m。鉆探現場地點偏僻,高寒缺氧,交通極為不便,現場離水源地較遠。主要巖性為：破碎角閃巖、片麻巖、構造角礫，以及綠泥石化、葉臘石化斷層泥。從在同一區域進行鉆探施工的其他配合單位的情況來看,普遍存在孔壁不穩定,巖芯采不上來的問題。

2 鉆探過程遇到的難題及分析

2.1 孔壁失穩

鉆孔穿過地層由新至老依次為第四系、下第三系、奧陶系。施工地層復雜,局部嚴重破碎,破碎帶中夾雜大量“斷層泥”,斷層泥為黏土夾雜斷層角礫。巖石可鉆性從3～5級到8～10級。黏土層泥質角礫層厚度為15～50 m,遇水極易膨脹縮徑。在局部地層,地層綠泥石化嚴重,巖層軟硬極不均勻,穩定性很差,層間的破碎片麻巖又大量以黏土質膠結。在鉆探施工中,坍塌、掉塊現象十分嚴重,夾鉆、卡鉆、埋鉆、斷鉆等孔內事故頻繁發生。

造成孔壁失穩的主要原因有地層應力作用、鉆進工藝不當、鉆孔漏失以及沖洗液的沖刷作用等。鉆進水敏性地層時會造成孔壁膨脹縮徑,孔壁剝落超徑等現象。在力學不穩定地層中,由于所受應力不平衡,一旦鉆穿破壞了原有的平衡狀態,加之受上部覆蓋層重力的作用,使孔壁產生垮塌、掉塊的現象。鉆進過程中,當升降鉆具時,鉆具在孔內會發生抽吸及壓滲作用,從而影響地層壓力平衡。鐵路鉆探的口徑大,孔徑與鉆桿外徑的比值較大,導致加劇鉆桿柱的多點彎曲,而鉆進時鉆具的高速回轉亦產生對孔壁的碰撞、敲擊,尤其當使用了彎曲的鉆桿時更為明顯,造成孔壁加快失穩。沖洗液如果使用不當,對地層的破壞作用也很大,主要表現為對孔壁的沖刷以及造成壓力差,進一步影響孔壁穩定。

2.2 取芯困難

在鉆遇的斷層帶地層,巖石松散破碎,是典型的硬、脆、碎地層,其間以黏土質膠結。在使用普通細分散泥漿取芯鉆進中,由于泥漿抑制性差,造成孔壁縮徑坍塌或者黏性巖層糊鉆,泵壓增高,泥漿在高壓下破壞軟弱、破碎和松散的巖芯,巖芯中的松軟破碎的細顆粒成分都被潰散而被沖掉,導致取芯率不高,達不到地質設計要求。

經過分析發現,造成取芯困難的原因主要有兩方面：一是巖芯在進入內管前就被破壞；二是巖芯在內管中被研磨損耗。旋轉的鉆頭與靜止的巖芯之間的摩擦力會對巖芯產生扭力矩,而破碎地層巖芯成分間相互結合的內應力是很弱的。在扭力矩作用下,整體或局部碎裂，碎裂的巖芯往往堆落擠壓在鉆頭內臺階處,堵塞通道,并極易造成水路受阻、泵壓升高而加重對巖芯的沖蝕。沖洗液對巖芯的沖擊力及侵蝕對膠結性較差的巖芯的破壞也是非常嚴重的，并且在復雜地層使用的單動雙管性能也不像設計時的效果那么好。特別是只有一級單動機構的鉆具單動性能差,內管無法保證絕對的不旋轉,巖芯無法維持與內管的同步狀態,內管的振動會將進入到其中的不完整巖芯振碎,再互相研磨,細小的顆粒與內管中的液體攪和在一起,進入沖洗液循環系統。打撈內管時,內管及卡簧夾持不住的細顆粒便掉入孔內,造成巖芯采取率不足。

3 復雜地層鉆進綜合治理

3.1 注重地質因素對工藝選擇的影響

復雜地層鉆進困難,主要原因之一是對復雜地層成因分析不夠,注重了鉆探工藝的選取,忽視了地層因素這一內因的作用。地質因素是內因,鉆進工藝技術是外因,內因起著主導作用。只有在掌握巖層的地質構造、巖性、礦物組成的基礎上,才可以確定合適的鉆進工藝，配制適用的泥漿,進而保障正常鉆進,避免孔內事故,降低成本提高鉆效。

對于孔壁失穩現象只有在判斷孔壁不穩定屬于哪一種情況的基礎上,方能采取相應對策,正確選用防塌方法和泥漿。對于力學不穩定巖層,由于巖層破碎,松散的性質和地層側壓力大,想阻止或減少巖層垮塌,保證正常鉆進,泥漿比重是重要因素,適當提高泥漿比重可以平衡巖層的側壓力,用高聚物抑制各種巖層的垮塌,用高分子化合物提高泥漿黏度。對于水敏性地層,表現為表面水化和滲透水化。掌握了水化機理后,在此類地層鉆進時泥漿配制上要考慮低失水、高礦化度、適當比重和黏度。目前防塌泥漿的配方及類型已有很多種類,但在實際生產中遇到垮塌,卡、埋鉆等情況時,要做出判斷，分析造成這種情況的是地質因素還是鉆進工藝技術因素,要做到具體問題,具體分析，才能解決好孔內問題。

3.2 復雜地層護壁技術

在復雜地層使用普通分散型泥漿時,形成的泥皮較厚且松散,泵壓較高,對巖芯的沖蝕嚴重。針對復雜地層的礦物特點,經過對比分析及室內實驗,設計了一套植物膠—PHP低固相泥漿。新型泥漿表觀黏度比較高,即使采用較小的泵量,排粉的能力也很強。加入植物膠后的泥漿是一種黏彈性液體,這種黏彈性膠體在孔壁和巖芯的表面及一定深度的表層具有膠結作用和黏彈性強度,在一定程度上可抵抗鉆具的振動破壞和地表其他外力的破壞。而普通細分散泥漿產生的泥皮是黏塑性體,膠體很少,大多是固體顆粒,護壁效果差。

新配制的泥漿配方及性能見表1。新型泥漿失水量低,形成泥皮薄而韌。在用巖樣浸泡方法觀察泥漿是否適合該復雜地層鉆進要求時,CDSZ-23孔內的巖屑制成的巖樣在普通細分散泥漿中1 h即垮塌,而巖樣在新型泥漿中能保持5 d不垮。這說明新配制的泥漿能夠滿足復雜地層的鉆進要求。

表1 新型泥漿配方及性能

在實際施工過程中,根據地層成因情況,有部分地層綠泥石化嚴重,鉆孔明顯地表現為縮徑、坍塌、裹鉆現象,而且沖洗液被侵染嚴重。為此在泥漿中補充沖洗液的離子濃度,比如K+,使之與巖層中水的離子濃渡相平衡,阻止巖層的滲透水化,以利于孔壁的穩定。對于力學不穩定地層,在泥漿中加入水玻璃及部分交聯劑。泥漿中的聚合物除了產生泥皮式高分子網膜吸附在孔壁上外,更主要的是在絮凝劑作用下,硅酸鈉形成無定形的SiO2膠團。這些膠團以滲析作用膠結孔壁間隙,通過自身變形,有效地支持和封堵不穩定巖層。同時,低聚合度的水玻璃可能與高嶺土、膨潤土晶體中的硅氧四面體和鋁氧八面體的斷鍵連結,增加孔壁顆粒間的網絡連結力,加速孔壁硬化穩定,有效地維護了孔壁。

3.3 取芯工具的治理措施

鉆具的單動性能是影響取芯質量的主要因素,它是鉆具的結構設計和加工質量的綜合效果,只要其中有一個零部件加工和配合有問題,都將會影響取芯效果。普通單動雙管鉆具,只有一套單動機構,在條件極為復雜和惡劣的鉆孔內長時間高速回轉,各種影響因素都集中于一個單動體上,因此很難保證鉆具長時間的良好效果。如機械加工的誤差、裝配的質量、潤滑脂被沖洗液或其他雜質侵污而降低潤滑性能、鉆具的沖擊載荷對軸承的損傷、高速旋轉產生的高溫使潤滑脂老化和干固的影響、間隙較小的相對回轉件之間因為高溫線性膨脹而產生的黏滯咬死現象以及橡膠密封圈在高速回轉時的磨損,都將直接影響單動機構的性能和壽命。通過對巖芯的觀察,決定換用具有兩級單動機構并且軸承密封性好的雙管鉆具。從單個單動承受改為兩個單動分攤承受,則單動機構的可靠性和壽命至少應提高2倍以上。即使在孔內意外的情況下,其中一個單動失去單動性,另一個單動仍可繼續起單動作用,避免雙動,保障取芯的效果。

在使用過程中我們還發現,鉆具配套的卡簧內徑與鉆頭內徑不相匹配,卡簧內徑過小,巖芯進入困難。我們后來按照1 mm級差加工一組6個卡簧供復雜地層選用,解決了卡簧導致的巖芯進入遇阻和掉巖芯的問題。

為減輕泥漿對巖芯的沖蝕,選用了底噴型鉆頭,此鉆頭有特殊的隔水裝置,沖洗液只能沿底噴水眼進入孔底,而不直接沖刷巖芯。

3.4 規范鉆進操作工藝

控制好鉆進工藝參數對于孔壁的穩定和巖芯的采取具有很重要的作用。根據以往的經驗,制定了復雜地層操作要點：

(1)始終要保持泥漿具有良好的性能,當沖洗液稠度高,巖屑沉淀分離慢時,應及向沉淀池及循環槽入口加入少量聚丙烯酰胺水溶液,使泥漿能夠滿足排除巖粉和護壁等要求。

(2)控制好鉆進工藝參數,減小壓力波動。鉆進過程中,要均勻加壓,嚴禁突然給壓。在地層巖性變化不大的情況下,盡量統一各小班的壓力。

(3)鉆具下至離孔底約0.5 m時,應開泵沖洗,待孔口返漿后方可輕壓慢轉掃孔到底,以防下鉆過快,孔底沉淀堵塞水口。

(4)正常鉆進時,轉速和鉆壓不要忽高忽低,不宜頻繁活動鉆具。若發現巖芯堵塞,處理無效時,應立即提鉆,檢查原因。

(5)根據斷層破碎帶地層的特點,為防止沖洗液沖刷孔壁,破壞巖芯的原狀結構,應適當減少泵量,操作人員應適時提鉆取芯,減少對巖芯過多的磨耗。

(6)提鉆時應慢速、均勻上提,以防芯樣滑落和鉆頭抽吸作用,破壞孔壁的穩定。每次提鉆后應檢查保養鉆具,保持良好的單動性能。

4 治理效果

運用新型泥漿和單動鉆具及與之配套的底噴型鉆頭后,孔內事故明顯減少。新型泥漿的護壁、攜帶巖屑、潤滑鉆具和減少孔內阻力的能力得到充分的體現,保證了鉆進的安全。治理后CDSZ-23孔比之此前的鉆孔來看,孔內阻力小泵壓低、鉆效高、事故少,保證了鉆進安全,為鉆取高質量的巖芯創造了條件。具體數據對比見表2、表3、圖1。

表2 孔內事故統計

表3 鉆效對比

圖1 巖芯采取率對比

綜合使用與復雜地層相適應的鉆具和新型泥漿,以及完善鉆具及泥漿的管理措施以來,CDSZ-23孔在取芯率上得到了很大的提高。特別是在100～188 m、204～288 m的斷層泥孔段取出的巖芯較為完整、取芯率高,達到90%。

5 總結

隧道深孔復雜地層巖石結構比較松散,膠結性差且易水化分散,鉆具的震動、敲擊、孔內液柱高低的變化,上下鉆的抽吸和壓力激增都有可能破壞沖洗液對井壁的保護,鉆具、鉆頭及鉆進工藝上的選擇不當會導致取芯的困難,故在復雜地層鉆進中要特別強調綜合治理。面對復雜地層施工中這些接踵而至的復雜地層問題,在認真分析地質構造和地層特征的基礎上,結合設計合理的雙級單動鉆具、底噴型鉆頭、護壁性能良好的泥漿和規范的操作工藝，可保證復雜地層鉆進的安全和取芯質量。

[1] 曾祥熹,陳志超.鉆孔護壁堵漏原理[M].北京：地質出版社,1986

[2] 鐵道第一勘察設計院.鐵路工程地質手冊[M].北京:中國鐵道出版社,2002

[3] 郭紹什,馮德強,楊凱華.鉆探手冊[M].中國地質大學出版社,1993