半合式單動雙管在工程地質勘察中的應用研究

鄧劍平

（湖南省煤田地質局第三勘探隊，湖南 永州 425000）

1 半合式單動雙管的結構特點

半合式單動雙管由固定組件和轉動組件構成。固定組件有沉砂管及其內部過濾芯管、外管接頭、外管、擴孔器、鉆頭等。轉動組件有鎖緊螺母、可調螺桿、內管接頭、半合式內管、卡簧座、卡簧等。其中內管由兩片半圓管組成，外表面按等分車削有五道環槽，環槽內有梯形槽縫，由兩端帶鉤的鋼抱箍通過環槽及梯形槽縫，將兩片半圓管抱緊組成一個圓內管。半圓內管內表面制作光滑，有利于巖心進入。

2 半合式單動雙管的組裝與拆卸

2.1 半合式雙管的組裝

組裝前，先檢查雙管單動接頭的單動性能，然后將沉砂管組件連接到外管接頭上，再分別將組合好的半圓內管和外管接到各自的接頭上，安裝好定中環和卡簧座，檢查內外管的同軸性，此時如果內外管同軸性好，內管轉動靈活，則下部連接擴孔器后接鉆頭。之后檢查卡簧座與鉆頭內臺階之間的間隙，其間隙大小須卸開外管，通過可調螺桿進行調節。

2.2 半合式雙管的拆卸

拆卸前，一般在較平坦的地上橫向間隔墊上3根～4根方木，將半合式雙管置于方木上，便于拆卸操作。先卸下鉆頭和擴孔器，然后分別從外管和內管接頭上卸下外管、內管，再用“一”字螺絲刀將半圓內管外表面環槽中的鋼抱箍從梯形縫中撬拆下來，卸下卡簧座和定中環，將半圓內管分開成兩個半片，這樣就能在擾動較小的情況下取出巖心。

3 半合式單動雙管鉆探工藝取心方法

把組裝好的半合式單動雙管上端與鉆桿連接，下至距孔底約1m左右，泵入沖洗液。沖洗液通過鉆桿、雙管上端的沉砂管及其內部過濾芯管，內外管之間間隙、卡簧座與鉆頭內臺階之間間隙到達鉆頭底部，然后沿鉆具與孔壁間隙返出孔口。待孔口返水后將鉆具緩慢放至孔底，通過鉆機及鉆具傳遞動力和壓力，連續旋轉切削巖體，使巖心進入內管。因半合式單動雙管中內管相對于外管不轉動，減少了對巖心的擾動，且沖洗液經過鉆桿內通道、內管上部沉砂管及其內部濾水芯管、內外管之間環狀間隙、卡簧座與鉆頭內臺階間隙流出，避免了對進入內管的巖心造成沖蝕。

每鉆完一個回次，提出鉆具，取下雙管，再先后卸下鉆頭、外管、內管。然后將內管平放在墊有方木的地面上，用“一”字螺絲刀撬拆下鋼抱箍，內管即分開成兩片半邊管，一片朝上盛放巖心，一片朝下移開。再將內徑略大、等長的半圓形PVC管罩到盛有巖心的那半邊內管上，輕輕翻轉將巖心移至PVC管內，然后把裝有巖心的PVC管擺放到巖心箱內。

4 半合式單動雙管在實際中的應用

在某鐵路隧道工程地質勘察項目中，采用半合式單動雙管鉆探取心工藝，取得了良好的效果。即使在節理、裂隙極發育，巖體極破碎的地層中，巖心采取率也能達到85%以上，且巖心擾動小，能較好地反映出原地層的構造特征。

4.1 地質概況

該擬建鐵路隧道地處云南高原中部，區域構造極為復雜，共布設了8個鉆孔，設計孔深在135m～280m，孔位附近都有區域性逆斷層通過。預想地層主要為白云質灰巖、長石石英砂巖夾板巖、板巖、斷層破碎帶。受構造影響，巖體節理極發育，巖體破碎，鉆探取心困難。而該工程對鉆探質量要求較高，采取率必須在80%以上，且巖心要盡可能少擾動，能基本上反映出原地層節理裂隙等構造發育特征。

4.2 鉆探工藝比選

鉆探設備采用GY-200型、GY-300型巖心鉆機各兩臺，配套采用BWQ-160、BW150型泥漿泵各兩臺。

（1）開始時采用50鉆桿+普通單巖心管+齒輪式孕鑲金剛石鉆頭，配制鈉土粉泥漿作為沖洗液的鉆進工藝。可每個回次終了取心時，幾乎都采不出巖心，即使有巖心，采取率也是極低，且巖心都呈砂、礫石狀。

（2）之后改用50鉆桿+整體式單動雙管+擴孔器+齒輪式孕鑲金剛石鉆頭，配制鈉土粉泥漿作為沖洗液的鉆進工藝。但由于巖體節理極發育，地層破碎，要么采取率低，要么從整體式雙管中取出巖心時，敲擊巖心管產生的震動及落入巖心箱的過程中，使得巖心都碎裂成了角礫，不能滿足質量要求。

（3）為了滿足勘察質量要求，最后選用半合式單動雙管鉆探工藝取心鉆進。

鉆具組合：采用50鉆桿+半合式單動雙管+擴孔器+齒輪式孕鑲金剛石鉆頭。組裝半合式雙管時，首先檢查內管靈活性、單動性、對中性，并調節卡簧座與鉆頭內臺階之間間隙約1mm～1.5mm。

泥漿配置：水、植物膠、鈉土粉按重量比100:10-12:10，火堿為植物膠重量的2%左右。首先在攪拌桶中加入一定量的清水，然后按比例邊緩緩加入植物膠邊攪拌，再按比例加入火堿、鈉土粉，高速攪拌制成泥漿，泥漿漏斗粘度40s左右，PH值為9～10，用篩網過濾后放入泥漿池中備用。

鉆進參數：鉆機轉速一般為300r/min～500r/min，鉆壓基本保持在5KN～8KN，泵量一般在15L/min～30L/min，泵壓在0.2mm～0.5m之間，具體要根據地層軟硬和完整程度及時調節。鉆進過程中，如果通過軟弱、破碎地層進尺變快時，要減小鉆壓至低值，泵量也減少到以孔口稍有泥漿液返出，能起到潤滑和冷卻鉆頭作用即可。

取心效果：采用半合式單動雙管后，取心質量得到很大提高，不但巖心采取率能達到85%以上，而且巖心能基本反映出原地層構造特征，能直觀地判定地層、了解巖體節理發育情況。采取的巖心效果對比見圖1～圖4。

圖2 采用半合式單動雙管采取的巖心

圖3 采用整體式單動雙管采取的巖心

圖4 采用半合式單動雙管采取的巖心

4.3 采用半合式單動雙管鉆探工藝應注意的事項

（1）組裝半合式單動雙管時，要求內管對中性要好，內管連接軸承靈活性強，能保證單動性能良好，否則內管跟著外管一起轉動，巖心被擾動破碎后難以卡取，這樣不但取不出能反映地層構造特征的巖心，即使采取率也難以保證。

（2）調節好卡簧座與鉆頭內臺階的間隙。為了保證沖洗液既能順利循環流動冷卻潤滑鉆頭，又不對巖心造成沖蝕影響，尤其是在鉆進松散、軟弱夾層、破碎地層時，半合式雙管卡簧座與鉆頭內臺階之間的間隙大小，對巖心采取率有著很大關系。在沖洗液對巖心沖蝕影響較大的地層中鉆進時，間隙不能太大，一般不超過1.5mm；而在沖洗液對巖心沖蝕影響小的地層中鉆進，間隙則可以略大，一般在2mm～4mm。

（3）控制好泥漿的含砂量。因半合式單動雙管內外管壁之間、卡簧座與鉆頭內臺階之間間隙較小，對泥漿的含砂量要求較嚴格。如果含砂量稍大，既容易導致內外管被卡死，造成內管跟著外管轉動，又容易使卡簧座與鉆頭內臺階之間間隙被堵，泥漿循環不暢而憋泵。因而在鉆進過程中，泥漿循環槽要設置沉淀池；同時每鉆進20m～30m，要對雙管上部的沉砂管進行清洗，保證沉砂管能起到良好的沉砂作用。當泥漿中含砂量過大而引起頻繁憋泵時，則須更換新的泥漿。

（4）內管由兩片半圓管通過鋼抱箍組合而成，鋼抱箍的裝配及拆卸繁瑣，耗時較長。為了節省時間，一般需配置兩根內管，輪換使用。且頻繁拆卸內管易致鋼抱箍損傷，鉆進中如果鋼抱箍斷裂，內管裂開，泥漿進入內管后會沖蝕巖心；同時內管裂開后也容易導致內管外壁與外管內壁貼緊后失去了單動性能，因而需準備多個鋼抱箍備用，對鋼抱箍要勤檢查，發現問題及時更換。

5 結語

通過對半合式單動雙管結構特點、組裝與拆卸方法、工作原理的介紹，并在具體的工程地質勘察實踐應用中與其他鉆進工藝進行對比分析和研究，半合式單動雙管不但極大地提高了巖心采取率，而且采取的巖心擾動少，既便于鑒定巖性、判定地層，又能較好地反映原地層節理裂隙等構造發育特征，極大地提高了工程地質勘察質量。