卵礫石不穩定地層的鉆探技術實踐

王 福

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 工程概況

石家莊至鄭州客運專線鶴壁特大橋位于河南省鶴壁市境內,橋長6995.98 m,橋址區地貌為沖洪積平原,地勢由西向東傾,地形平坦開闊,地面高程83.343～84.385 m,大部分為耕地。本橋址段線路沿京珠高速公路西側行進,與既有京珠高速公路近似平行。該橋DK540+950～DK541+450.00跨越京珠高速鶴壁互通匝道。

橋址區主要為第四系沖洪積成因的漂石、卵石夾砂礫、粉砂地層,礫石直徑大,最大達1～2 m,一般為0.2～0.5 m;礫石大小不一,雜亂堆積,地層膠結性差,孔壁極不穩定,卵礫石成分主要為石英砂巖、混合花崗巖及灰巖。

該地層鉆進過程中巖粉出屑多,顆粒較大,石質堅硬,鉆孔漏失,常發生卡鉆、埋鉆、憋斷鉆桿等孔內事故,鉆孔孔斜嚴重;加之卵礫石石質堅硬,鉆探效率低。

我單位組織2臺鉆機歷時2個月,完成600 m勘探量,取得較好的效果,本文對該項目鉆進工藝及護壁堵漏工藝做簡要介紹。

2 鉆探施工技術及工藝

2.1 鉆探設備的選擇

根據地層情況及鉆孔深度和地質要求,鉆探設備選擇情況如下。

鉆機:GJ-150A;

漿泵:BW-150型;

鉆塔:6 m四角塔。

2.2 鉆機方法及鉆孔結構

根據地層情況及鉆探施工經驗,本區上部卵礫石層先采用植物膠金剛石鉆進取芯,后跟進套管護壁,以護住上部較為松散的卵礫石層;下部卵礫石較為松散,地層穩定性差,同時出于對起拔套管的安全,采用水泥漿護壁。

根據地層情況及鉆孔深度,選擇鉆孔結構如下:覆蓋層首先采用 φ130植物膠金剛石鉆進取芯,逐步跟進 φ147套管護壁,跟進深度大約為20 m左右,之后,采用 φ110金剛石鉆進取芯,鉆進一段封堵一段,直到終孔。

2.3 金剛石鉆頭的選擇

金剛石鉆頭對巖層的適應性是影響取芯質量的重要因素。選擇的原則首先是確保鉆頭的鉆進速度。因為鉆進速度越快,則取芯質量越好;其次是考慮金剛石鉆頭的壽命,以盡可能的降低成本。

根據地層情況及鉆探施工的經驗,本工點采用電鍍金剛石鉆頭,其技術參數為:

金剛石目數60～80混合目;金剛石濃度100%;金剛石品級JR4;胎體硬度40。

2.4 鉆進參數及操作注意事項

根據多年來砂卵石層鉆進的經驗,為確保砂卵石層的取芯質量,鉆進參數應遵循“低壓力、中轉速、小泵量”的原則,以達到平穩的鉆進速度為宗旨。因為壓力過大容易產生巖芯堵塞現象,轉速過高容易造成孔壁垮塌,泵量過大則會沖毀巖芯,最終導致鉆進困難,取芯質量降低。

在鉆進過程中應注意以下事項:

(1)下鉆后,應用較大泵量沖孔,然后降低泵量鉆進。當卵礫石粒徑較小、地層結構松散、取芯困難時,可盡量降低泵量,以確保取芯質量。

(2)回次進尺控制在0.8～1.2 m,發現堵芯,立即起鉆。

(3)起下鉆速度應緩慢,以避免在孔內產生較大的抽吸,引起漿液強烈的激蕩,導致孔壁的垮塌。

(4)在鉆進過程中,正常進尺時,不得隨意改變鉆進參數,也不要隨意提動鉆具,以防止巖芯堵塞。

(5)在砂卵石層中鉆進時,當進尺速度突然加快,可能是進入砂層或砂礫石層,此時應控制進尺,可適當降低泵量,以保證取芯。

2.5 鉆孔護壁堵漏方法

卵礫石地層鉆進絕大部分孔內事故的發生都與孔壁有關,孔壁保護是提高卵礫石層鉆進效率的關鍵。橋址區地下水位在20 m左右。由于地層松散堆積粒徑較大,塌孔漏失嚴重。針對以上特點,采用的主要方法為:20 m以上采用植物膠泥漿護壁,然后下入套管;20 m以下采用水泥漿護壁。

(1)植物膠泥漿護壁

植物膠泥漿護壁是卵礫石層鉆進保護孔壁的主要措施。鉆孔施工中(0～20 m),采用邊鉆進邊下入套管的方法,沒有發生坍塌現象,主要原因是成功地使用了植物膠泥漿護壁。其配方為:

水∶黏土∶Na2CO3∶PW=1000 mL∶40 g∶2 g∶1.3 g

配置方法:

①先把純堿與PW植物膠干粉按比例混合均勻,然后加水攪拌至均勻。

②按照黏土加入量(4%),將黏土加入水中攪拌造漿,再加入純堿,使pH值至9左右。

③將PW植物膠堿液按比例加入到已攪拌好的泥漿中,充分攪拌均勻。

實踐證明,采用植物膠泥漿在該橋址區卵礫石層鉆進取得了很好的護壁效果,施工很順利。

(2)水泥漿護壁堵漏

橋址區地下水位大約在20 m左右,因卵礫石層極為松散,礫徑較大,漏失嚴重。采用植物膠的方法會因地下水降低黏度。同時,沖洗液也在不斷的沖刷孔壁,隨著鉆進的繼續,上部剛堵住漏失的裂隙層,由于鉆具的震動,泥漿壓力的變化,亦發生重新漏失,迫使停鉆進行二次堵漏。因此,此處采用水泥漿護壁堵漏。水泥漿的流動度實驗如表1所示。

表1 流動度實驗 mm

通過大量的室內實驗,確定如下配方:水灰比0.5%的水泥漿 +0.5%水玻璃。

該方法的施工操作要點是:遇到嚴重漏失層段,須鉆進一段,護堵一段,力求做到該段不再漏失。實踐證明該方法能夠有效地解決小裂隙坍塌、大裂隙漏失及不穩定地層鉆進中的難題。

3 結論

(1)針對所鉆進施工的地層進行詳細分析,根據各種不同粒徑顆粒所占比例和地層密實度選擇合理的鉆進工藝和相應的鉆頭鉆具。

(2)在卵礫石層中采用PW植物膠護壁堵漏,效率大幅度提高,事故明顯下降,節約成本。

(3)水泥漿護壁堵漏能夠有效地解決小裂隙坍塌、大裂隙漏失及不穩定地層鉆進中的難題。

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