黔張常鐵路石板鋪隧道巖溶區深孔鉆探技術

(陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西寶雞　721001)

1　工程概況

新建黔張常鐵路位于渝東南、鄂西南和湘西北三省交界地帶，西起重慶市黔江區，東至湖南省常德市，途徑湖北省咸豐縣、來鳳縣，湖南省龍山縣、永順縣、桑植縣、張家界市、桃源縣等七市縣，正線(雙線)全長約334.3 km。

區內地層多變，地質構造復雜，沿線區內元古界至第四系地層均有出露。其中寒武系，奧陶系，二疊系，三疊系中的灰巖、白云巖、泥灰巖等碳酸鹽類可溶巖大面積分布，巖溶強烈發育。

黔江至桃源縣牛車河段，可溶巖分布較廣泛，沿線三疊系嘉陵江組、大冶組，二迭系下統和奧陶系下統可溶巖為巖溶強烈發育區，其形態主要表現為大型漏斗、落水洞、巖溶洼地、井泉暗河密布，在斷裂帶及褶皺軸部等地下水交替循環強烈部位表現尤為強烈，部分地段表現為暗河管網。寒武系，奧陶系中下統薄層灰巖及厚層白云巖、白云質灰巖地段為巖溶中等發育區，局部發育有溶洞、溶槽、小型漏斗、巖溶井泉等；二迭系上統為薄層灰巖，中厚層白云巖、泥灰巖等，三疊系中統部分地段巖溶弱發育區，主要表現為溶蝕裂隙、溶孔及小型溶洞現象。

巖溶發育較為集中有九段：阿蓬江右岸、咸豐至與來鳳交界處、龍山縣東部茨巖塘及猛必鄉一帶、永順縣四十八牛頭包、桑植縣上洞街鄉、桑植縣臥云界—利福塔—桑植縣、張家界市教子埡鎮、張家界西站澧水河兩岸、桃源縣牛車河鄉真龍橋村。地表巖溶現象明顯，一般表現為巖溶峰叢地貌，發育溶洞、溶芽、溶槽、巖溶洼地、巖溶漏斗等，巖溶峰叢基座底部泉水、暗河均有發育。

石板鋪隧道位于咸豐縣境內，該隧道的CSZ-1號深孔的里程為CK030+923左476 m，設計孔深140 m。

2　鉆探在巖溶地區勘察工作中的重要性

巖溶對鐵路工程的影響和危害包括三個方面：一是隱伏巖溶洞穴對建筑物基礎穩定性的影響；二是巖溶涌水對地下工程造成危害，或因排泄不暢，形成地面積水、冒水，對路基和其他地面工程造成危害；三是巖溶地面塌陷，它是巖溶地區路基地段普遍而又具災難性的威脅。因此，巖溶區的隧道工程需防止涌水、突水、突泥，隧道基底巖溶嚴重地段需注漿整治。勘察階段需要借助各種勘探手段進行巖溶分布的普查工作，鉆探是其中最為直觀、也最為有效的勘探手段，工程鉆探的要求不同金屬礦產勘查和煤田勘查。鐵路工程鉆探對鉆孔要求非常高，孔徑要求必須滿足綜合測試要求，最小孔徑不能小于100 mm，否則水文抽水測試、物探測井無法完成，鉆探必須采取全孔取芯，才能揭示巖溶地質情況。

石板鋪隧道CSZ-1號深孔鉆探的目的就是查明石板鋪隧道區灰巖的巖溶發育程度、工程地質與水位地質特征。同時在孔內進行綜合地質測試，獲取大量工程地質和水文地質各種參數，為隧道工程設計提供依據。

3　鉆孔地層及巖溶發育情況

CSZ-1號深孔于2010年3月21日開鉆，2010年4月28日終孔，實際孔深140.50 m。鉆探過程中揭示的地層情況及巖溶發育情況如表1所示。

表1　CSZ-1號孔地層及巖溶發育情況

4　巖溶區鉆探工藝比選

根據鉆孔揭示的地層反映，該鉆孔在鉆探過程中遇到的是串珠式溶洞，也就是鉆穿一個溶洞后再次遇到一個溶洞，溶洞與溶洞之間有一定厚度的巖層隔板，這種類型的溶洞是鉆探作業中最難通過的。為能順利通過巖溶區，并一定程度地提高鉆探效率，根據設備現狀對幾種常用的巖溶區鉆探方法進行了分析對比。

巖溶地區鉆探工藝方法分為三種：

①采用套管對溶洞進行封堵隔離。

②用堵漏材料對溶洞進行封堵。

③用清水進行頂漏鉆進。

套管隔離法是被廣泛應用的一種溶洞隔離方法，該方法操作簡便，堵漏效果好，但勞動強度較大。

用堵漏材料封堵溶洞往往是一種永久性堵漏方法。所用的堵漏材料包括黏土、水泥-水玻璃等。當使用黏土堵漏時，通常情況下用的是鉆探現場的膨潤土，如果當地有含砂量小的紅黏土，也可以采用。具體的操作方法：在黏土中加入適量的水(如果是紅黏土，則在加入水之前應先將土塊粉碎)，然后手工搓成黏土球，從孔口投入。用測鐘測量孔內黏土球的堆放高度，當其高出溶洞頂板深度約1.0 m(如果溶洞較大，則此堆放高度也應該加大)時，則可以在孔內下入粗徑鉆具進行旋轉擠壓。在擠壓過程中，粗徑鉆具底端的鉆頭應該換成與上端相同的異徑接頭，且該異徑接頭的中心孔應用短木棒堵塞。操作中采取低壓滿轉的方式，待鉆具穿透溶洞到達孔底后就可提鉆。

水泥-水玻璃堵漏：如果使用普通水泥，其凝結時間長，為了縮短凝結時間，同時也為了減少水泥的耗損量，一般都在水泥漿的攪拌過程中引入速凝劑。速凝劑的品種繁多，水玻璃是一種常用的、較好的速凝劑。在水泥中加入2%～3%的水玻璃，凝結時間可縮短30%～40%。由于較高波美度的水玻璃加入水泥漿中后稠化會加快，易造成泵送堵塞事故，所以選擇30～45波美度的水玻璃比較合適。在溶洞堵漏時要求注漿液具有結石強度高、可灌性好、抗滲透的特點，且要快速凝結，所以通常選擇水泥-水玻璃注漿液。漿液通過現場泥漿泵和鉆具被送人溶洞部位，漿液量無法人為控制，但可通過測量孔內漿液面來決定是否結束注漿工作(巖溶區鉆孔一般因漏失嚴重而在注漿作業開始前為“干孔”)。

清水頂漏鉆進：當鉆進過程中遇到溶洞時，孔內出現不返水現象，此時，不對溶洞采取任何隔離堵漏措施，不斷往孔內送入清水，持續進行鉆探工作。該方法節省了隔離堵漏造成的大量輔助時間，但對鉆探現場的供水提出了很高的要求，即要求現場存在水源或通過一段供水管路可以將附近水源的水引到現場。該方法采用的是清水鉆進，與泥漿相比其攜帶巖粉的能力下降，特別是當攜帶巖粉的清水從孔底上升到巖芯管上端時，由于鉆具的外環狀空間增大，液體流速下降，粗顆粒巖屑在自重作用下開始下降，一部分落入孔底造成重復破碎，一部分粘貼在巖芯管外側，增加了鉆具旋轉的摩擦力，嚴重時可導致卡鉆事故。正是基于該方面原因，清水頂漏鉆進一般需要在巖芯管上部加裝一個取粉管。考慮到同心度的要求，巖芯管的異徑接頭需要帶有可連接取粉管的絲扣(可從鉆探管材生產廠商獲得)。

CSZ-1號鉆孔是石板鋪隧道初測階段的唯一鉆孔，該孔的鉆探目的不僅是要揭示隧道洞身部位的巖性和巖溶發育情況，還要在孔內完成一系列的水文和物探綜合測井工作。為不影響測試成果的準確性，不能對溶洞進行永久性堵漏。為了順利完成該孔且保證勘探質量，需采取套管封堵和清水頂進兩種方法配合方可完成勘探工作。

5　工藝方案實施

從孔深18.40 m開始，灰巖已存在溶蝕現象，孔內開始出現嚴重漏漿現象，當鉆至19.50 m時，孔內下入φ146 mm套管，之后換徑φ130 mm鉆頭及配套粗徑鉆具鉆進。在鉆遇26.7～28.7 m的溶洞充填物時，孔口已經不返漿，也就是從泥漿泵送入孔內的泥漿已經全部漏失。在穿透該溶洞后，由于其下部的溶洞未能預測，而鉆探現場水資源缺乏，于是在孔深29 m下入φ127 mm套管，之后換徑φ110 mm鉆頭及配套粗徑鉆具鉆進，并進行泥漿正循環。當鉆至29.4 m時再次遇到溶洞，孔內泥漿全部漏失，這時如果繼續采取套管隔離，就要下入φ108 mm套管，并換徑φ91 mm。按此方法，若其下再出現幾個溶洞，那么經過變徑后就無法繼續鉆探作業，于是干鉆穿透29.4～32 m的溶洞充填物后，底板采取清水頂漏鉆進。在孔深34.5 m又遇溶洞，干鉆穿透溶洞后，清水清水頂漏鉆進至孔深37.4 m，因現場水量不足，將φ127 mm套管拔出，用φ130 mm鉆頭及配套粗徑鉆具從29 m擴孔至37.4 m，再次將φ127套管下入到37.4 m，之后采用清水正循環鉆進。

鉆孔所在區域淺層巖溶大面積發育，造成地表水漏失，現場缺少水源，鉆探用水需用車輛從4 km以外地方運回，每運回一趟水需花費數小時的時間，不僅用水成本高，而且每天儲存的水量無法滿足生產需求。基于該方面原因，該孔采取了清水頂漏鉆進與套管封堵隔離交差鉆進工藝方法。當現場儲水量不足時，孔內擴孔下入相應直徑的套管進行鉆進，當儲水量充分時則進行清水頂漏鉆進。

通過這兩種巖溶區鉆探方法的結合，順利地完成了該鉆孔，而且保證了后續的水文及物探綜合測井工作。相比單獨采用一種方法，減少了停鉆等水以及多次起拔和下放套管所造成的輔助時間，提高了鉆探效率。

6　結論

(1)黔張常石板鋪隧道典型巖溶區CSZ-1號鉆孔的鉆探工藝實施，對以后實施類似鉆孔有很好的借鑒意義，其主要是不破壞原有地質結構，能夠真實揭示地下巖溶地質概況，為設計提供可靠完整的原始數據，同時避免了采用一種方法而存在的局限性。

(2)雖然通過采用兩種常用的巖溶區鉆探方法完成了CSZ-1號鉆孔，但卻耗費了大量的人力和物力，經濟效益差。近年礦產勘探部門在干旱缺水地區常采用空氣鉆進和泡沫鉆進，而且已經發展成為成熟的工藝，如果將其中一種鉆探工藝引進到鐵路巖溶區的工程地質鉆探(特別是深孔鉆探)中，可避免因永久堵漏造成的綜合測井偏差，且可極大地提高工作效率。

[1]王鳳華.巖溶地區橋基勘察鉆探事故的處理方法[J].資源環境與工程，2006(3)

[2]《鐵路鉆探技術手冊》編委會.鐵路鉆探技術手冊[M].北京:人民鐵道出版社，1978