老石山隧道工程勘察鉆孔施工沖洗液配置應用

■周小純

（廣東核力工程勘察院 廣東花都 510800）

老石山隧道工程勘察鉆孔施工沖洗液配置應用

■周小純

（廣東核力工程勘察院 廣東花都 510800）

老石山隧道出口段巖體受區(qū)域性活動斷裂影響極為嚴重，巖體疏松、完整性極差。在鉆遇老石山向斜核部時，漏涌間斷、掉塊擠鉆，并夾有斷層泥等不穩(wěn)定地層，導致孔故頻發(fā)，致使鉆進困難重重，尤以GDZ-老石山-10號孔最為嚴重。本文針對該地區(qū)孔故預防和處理在沖洗液配置方面進行了多次有益嘗試，經(jīng)現(xiàn)場試驗應用，成效顯著。

隧道勘察復雜地層巖心采取率沖洗液配置

1 概述

老石山隧道橫跨云南省宜良縣草甸、玉溪縣陽宗兩鎮(zhèn)，隧道全長8120m，最大埋深約600m。測區(qū)屬云桂高原低中山剝蝕地貌，上覆第四系覆蓋層及上第三系粘土（膨脹土）、褐煤、細圓礫土，下伏基巖為灰?guī)r、白云巖、玄武巖、泥巖、砂巖、頁巖、泥灰?guī)r及斷層破碎帶之斷層角礫等。

工作區(qū)域發(fā)育有性質(zhì)不明斷層、白石巖1#逆斷層、白石巖2#逆斷層、梁家莊向斜、陡馬箐背斜等構(gòu)造，巖溶普遍發(fā)育。本次勘察的目的是要查明施工范圍內(nèi)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)資料，為隧道開挖、支護提供超前預報，做到安全順利施工。

2 鉆探施工主要技術(shù)要求

（1）鉆孔深度按設計書確定，若鉆至設計深度時，孔內(nèi)依然出現(xiàn)軟弱夾層、破碎帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象時，應繼續(xù)鉆至穩(wěn)定巖層，具體深度需甲方確定。

（2）為保證孔內(nèi)水文地質(zhì)試驗、物探測井和采樣要求，開孔孔徑≮Φ130mm；抽水試驗段孔徑≮Φ110mm；終孔孔徑≮Φ91mm。

（3）全孔取芯，斷裂破碎帶巖心采取率≮50%，其余地段≮70%，極破碎地段應采取措施盡可能提高巖心采取率。

（4）鉆孔（直孔）偏斜控制標準：每100m頂角≯1.5°。

3 現(xiàn)場施工

受甲方委托，我院承接了老石山隧道深孔勘察15個鉆孔的施工任務。首孔于2009年7月15日開鉆，前期施工的GDZ-老石山-03、GDZ-老石山-04、GDZ-老石山-07和GDZ-老石山-09號孔，巖心十分破碎，采取率低，機械磨損嚴重；構(gòu)造帶位置常遇泥包石、斷層泥等軟弱、軟硬夾層，上下盤經(jīng)常掉塊卡鉆，孔壁穩(wěn)定性很差，鉆效極低，延誤了較多工期。

對上述地層整理分析可發(fā)現(xiàn)，該不穩(wěn)定地層即有力學不穩(wěn)定地層，也有水敏性地層。因此在進行沖洗液性能設計時：對力學不穩(wěn)定地層，沖洗液的粘度和切力是設計的重點；在堅硬打滑地層，要加強沖洗液的冷卻和潤滑能力；在水敏性和水溶性地層，低失水量和強抑制性是沖洗液設計的核心指標；依據(jù)以上原則并結(jié)合前述鉆孔事故處理經(jīng)驗，針對GDZ-老石山-10號孔，在常規(guī)施工措施的基礎(chǔ)上，重點改進沖洗液配方，經(jīng)現(xiàn)場應用，成效明顯。

3.1 常規(guī)施工措施

依據(jù)甲方提供的地質(zhì)資料和鉆孔技術(shù)要求，常規(guī)鉆孔結(jié)構(gòu)為：①Φ150mm開孔至穩(wěn)定基巖，下Φ146mm井口管，若覆蓋層較厚，則分級下入Φ127mm套管；②Φ75mm繩索取芯鉆至終孔，先進行物探測井，后導向擴孔進行水文地質(zhì)試驗，這樣可加快施工進度。

施工地層溶洞普遍發(fā)育，溶洞地區(qū)堵漏是施工難點，施工時應根據(jù)其孔深位置和規(guī)模采用惰性材料、水泥封堵、套管隔離、飛管、造壁等辦法確保沖洗液循環(huán)；施工中還會遇到水敏性地層，常規(guī)沖洗液采用：水+0.5%野生植物膠+5%人工鈉土+（0.03%-0.06%）燒堿+0.3%CMC（簡稱配方1，泥漿性能指標見編號1），除大裂隙、溶洞漏失外，沖洗液中可酌情加入高粘Na-CMC或801隨鉆堵漏劑堵漏。

3.2 施工難點

老石山隧道出口段巖體極為破碎，巖體呈砂狀、碎石土狀，部分風化呈黏土夾角礫狀，遇水膨脹，附近區(qū)域施工的所有鉆孔均出現(xiàn)多層巖溶化灰?guī)r，此部位沖洗液一般全漏失，孔壁粗糙，巖石質(zhì)硬，研磨性和造斜作用強烈是該類孔最突出的問題，另外在構(gòu)造帶軟硬夾層、斷層泥處易掉塊卡鉆、塌孔，甚至發(fā)生過一次斷層泥埋鉆事故。綜合施工過程，孔內(nèi)故障主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）開孔口徑大，鉆孔結(jié)構(gòu)復雜。為加快進度，下完技術(shù)套管后，直接用Φ75mm鉆至終孔，有水文試驗要求時再擴孔，而不穩(wěn)定地層擴孔易出事故。

（2）巖溶化灰?guī)r破碎、硬脆、厚度大，研磨性強，管材消耗大，鉆進時效低。

（3）漏水頻繁，在“打滑層”和“斷層泥”中鉆進時風險很高，易燒鉆、埋鉆。常規(guī)堵漏花費時間長，成本高。

（4）部分孔段地層造斜作用強，鉆孔偏斜控制難。

3.3 事故處理方案

（1）大裂隙、大孔洞堵漏：巖溶化灰?guī)r裂隙、溶蝕發(fā)育，一旦裂隙貫通漏水，用配方1沖洗液堵漏成功率低。現(xiàn)場處理原則是：淺層部位擴孔下套管隔離；較深部位采用凝膠堵漏劑直接灌入法外加沖洗液共同處理，少數(shù)復雜深孔部位在沖洗液底部循環(huán)有保證的前提下頂漏鉆進，或者考慮下飛管灌漿隔離。

（2）強研磨性和水敏性地層鉆進：除漏水孔段外，正常鉆進主要面對可鉆性7-8級的灰?guī)r、巖溶化灰?guī)r，巖心破碎、質(zhì)硬，機械磨損嚴重，鉆具磨損強烈；水敏性地層遇水膨脹、垮孔甚至埋鉆，因此要求沖洗液有良好的潤滑、抑制護壁功能，在進行沖洗液性能設計時，還應考慮對小裂隙地層的堵漏功能，因此要求沖洗液具有低黏度、低比重、低濾失、低固相等功能。

3.4 沖洗液指標設計

在總結(jié)前期沖洗液（配方1）施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，認真分析地層鉆進需要，對沖洗液配方1進行了優(yōu)化配比（簡稱配方2，泥漿性能指標見編號2），即：清水+4%人工鈉土+1%野生植物膠+0.5%KP共聚物+0.03%PHP+0.3%NA-CMC(中粘）+0.4%潤滑劑。相比配方1，加入了KP共聚物、中粘NA-CMC、30%水解度PHP，它們的作用功效是：KP共聚物可有效抑制水敏性地層水化膨脹，護壁、固壁作用強，并有良好的降失水作用；中粘NA-CMC主要起降失水作用，亦有增粘效果；PHP以選擇性絮凝為主，兼有降失水作用。

實驗室沖洗液指標測試儀器見表1。

表1 現(xiàn)場用沖洗液指標測試儀器型號

3.5 沖洗液性能指標分析

對塑性流體層流形態(tài)，表觀粘度是塑性粘度和結(jié)構(gòu)粘度之和。塑性粘度指沖洗液體系中固相之間、固相與液相之間以及液相之間的內(nèi)摩擦阻力，是沖洗液粘度中的有害部分，應盡量減少。

動切力反應沖洗液體系中粘土顆粒之間、粘土顆粒和高分子化合物之間、以及高分子化合物之間的相互作用力，它是衡量沖洗液攜渣與懸浮能力的基本指標，動切力過低，沖洗液不能有效攜帶巖粉，孔內(nèi)沉渣過多，造成孔底重復破碎，影響鉆速和鉆具壽命，同時孔內(nèi)凈化不好，易引發(fā)孔內(nèi)事故；動切力過高，則循環(huán)泵壓大，這對鉆桿柱的工作性狀和孔壁都會產(chǎn)生不利影響，在不穩(wěn)定地層，升降鉆具產(chǎn)生的壓力激動會導致孔壁坍塌、垮孔等復雜現(xiàn)象，亦須避免。

動塑比是衡量沖洗液剪切稀釋性的重要指標，在鉆頭部位，沖洗液流速大，表觀粘度低，有利于孔底碎巖；而在環(huán)空中由于沖洗液流速降低，表觀粘度提高，有利于攜渣、返渣。

編號3是施工現(xiàn)場對配方2沖洗液返漿后的密度、馬氏漏斗粘度進行了多回次測試結(jié)果，其余指標為試驗室測定結(jié)果（單次）。

4 試驗結(jié)論

在后續(xù)鉆進工程中，為了提高鉆頭抗磨能力，特要求廠家對鉆頭外保徑做了特殊處理，并選用廣譜高效鉆頭，鉆進生產(chǎn)率和時效均有顯著提高。

扣除水文試驗和測井時間，粗略統(tǒng)計，前期施工的7個鉆孔綜合臺月效率不足210m/臺月，在進行沖洗液更新后，后續(xù)施工的8個鉆孔綜合臺月效率達到330m/臺月，同時降低了材料消耗，經(jīng)濟效益明顯。在類似地層有一定的借鑒價值。

[1]劉廣志，金剛石鉆探手冊 [M].北京:地質(zhì)出版社,1991.

[2]DZ/T 0227-2010，地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程 [S].

[3]TB10012-2001，鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范 [S].

[4]TB10014-98，鐵路工程地質(zhì)鉆探規(guī)程 [S].

[5]殷寶兵，黃留新.植物膠沖洗液在復雜地層鉆進取心中的應用研究 [J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2013

[6]王政敏，張寶河，劉鳴.大裂隙堵漏劑在神農(nóng)架礦區(qū)復雜地層鉆進中的試驗應用[J].探礦工程 （巖土鉆掘工程），2014

[7]烏效鳴.鉆井液與巖土工程漿液 [M].北京：中國地質(zhì)大學出版社，2002.

F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2015）-10-171-1