地質鉆探中沖孔與護壁堵漏技術簡要論述

2014-07-25 11:29:01張建國張文新

鐵道勘察 2014年5期

張建國張文新

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133；2.中鐵隧道集團技術中心，河南洛陽 471009)

地質鉆探中沖孔與護壁堵漏技術簡要論述

張建國1張文新2

(1.中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133；2.中鐵隧道集團技術中心，河南洛陽 471009)

沖洗鉆孔的目的是利用沖洗液較強的攜帶能力以及速度將鉆頭切削下來的巖石碎屑、巖石碎塊攜帶至鉆孔外，同時利用沖洗液對鉆頭降溫，避免燒毀鉆頭和保持鉆頭性能穩定。常用的沖洗鉆孔的循環方式有正循環沖孔法、反循環沖孔法、局部反循環沖孔法、沖洗液內循環法。護壁堵漏是保證鉆孔孔壁穩定和沖洗液正常循環，確保鉆進正常進行的必要條件。

沖孔沖洗液正循環沖孔法反循環沖孔法局部反循環沖孔法沖洗液內循環法護壁堵漏

隨著我國基礎建設快速發展以及隧道施工技術的巨大進步，特長隧道在鐵路、高速公路、水利建設等基礎建設中的存在已經是司空見慣。特長隧道埋深都較大，一般在800～2 000 m，個別隧道埋深甚至超過3 000 m，精確進行隧道地質勘察已成為隧道設計、施工的前題。地表踏勘、物探等手段不能準確反映擬建隧道的真實地質及水文地質等情況，地質鉆探能有效彌補踏勘、物探不能實現的各項目的，準確直觀反映擬建隧道地質巖性類別、地質構造、水文地質等情況。然而地質鉆探技術復雜，受制約因素較多，諸如巖石破碎程度、巖石強度、地下水位、深度，以及機械設備等都將嚴重制約地質鉆探工作的成敗，其中地質鉆探中的沖孔與護壁堵漏技術是地質鉆孔成敗的最直接、甚至致命的原因，正確選擇沖孔技術、沖洗液材料與護壁堵漏技術是地質鉆探工作必須慎重選擇且不可繞過的首要工作。

1 沖孔與護壁堵漏的意義與目的

沖洗鉆孔是地質鉆探施工過程中的一個重要環節，在鉆進過程中，鉆頭不斷切削、破碎巖石，產生大量巖粉與巖石碎塊，同時鉆頭與巖石之間的摩擦會產生大量熱量，如果此時不能將鉆頭切削產生的巖屑、巖塊送到鉆孔外，會造成鉆頭再次對巖屑、巖石碎塊進行破碎與切削，至使功效下降，消耗增加；當巖屑、巖石碎塊堆積到一定程度時，隨著摩擦力的增大，可能造成埋鉆事故，致使地質鉆探工作失敗；鉆頭與巖石之間的摩擦產生大量熱量，如果不及時進行降溫處理，當摩擦產生的熱量達到一定溫度時，會燒毀鉆頭，造成燒鉆事故。

沖孔的目的大致可以有以下幾點：(1)清除鉆頭切削的巖粉、巖石碎塊，提高鉆進效率，防止埋鉆事故發生；(2)鉆頭降溫，防止燒鉆事故發生，同時防止高溫下鉆頭性能下降，提鉆進高效率；(3)用鋼粒鉆進時能有效對鋼粒進行分布，提高鉆進效率；(4)利用沖洗液的護壁功能，防止和減少塌孔、縮孔事故發生;(5)某些鉆探方式下利用沖洗介質作為鉆具動力，如氣動沖擊鉆進和液動沖擊鉆進就是依靠高壓沖洗液和氣體作為動力來源的。

在地質鉆孔過程中，由于鉆孔的形成，會在圍巖壓力等作用下造成原有巖石失去穩定，處于不平衡狀態。若圍巖節理發育，巖體破碎，隨著鉆具回轉震動和沖洗液沖刷作用，以及鉆具提升下降造成的壓力變化，孔壁巖石常常會產生掉塊、坍塌現象，嚴重時造成卡鉆、埋鉆事故。在軟弱巖層段或坍塌嚴重段還會造成大的空洞，使鉆桿擺動加劇，極易發生鉆桿折斷，造成掉鉆事故，該事故處理難度非常大，常因處理不成功造成地質鉆孔報廢。另外，在節理發育、巖體破碎段還經常出現沖洗液漏失現象，不僅破壞了沖洗液的正常循環，還增加了沖洗液的消耗，特別在供水、供料難度大以及干旱地區，重新配置沖洗液往往需要較長的等待時間。

護壁堵漏主要目的是：(1)確保圍巖壓力平衡，減少巖塊崩塌、脫落現象發生，減少地質鉆孔卡鉆等事故發生；(2)防止沖洗液滲漏，保證沖洗液正常循環，間接減少地質鉆孔埋鉆等事故發生。

2 沖孔與護壁堵漏的種類和方法

2.1 沖孔的種類和方法

(1)沖孔的種類

①氣體

即利用高壓風將鉆頭切削下來的巖屑、巖塊帶到鉆孔外，同時利用高壓風對鉆頭進行冷卻。該種方法特點是鉆進速度快，鉆孔干凈，質量好，巖芯不受污染，不利的是將大塊巖屑碎塊攜帶出鉆孔難度大，特別是深度超過一定范圍后，容易造成卡鉆現象。氣體沖洗介質主要用在干旱缺水地區、凍土層帶等施工環境中。

②液體

即用高壓水泵或專用泥漿泵將液體作為循環液，對鉆頭進行冷卻，并將鉆頭切削下來的巖屑、巖石碎塊帶出鉆孔外。

清水：清水取材方便，價格低廉，一般作為首選。利用清水作為沖洗液還有很多有優點，如節省配置泥漿時間，減輕鉆具回轉阻力，減少鉆具磨損，鉆頭降溫快效果好，對環境污染幾乎忽略不計等。但也有很多缺點，比如攜帶巖粉、巖塊能力弱，護壁能力較差等。

泥漿：由黏土類礦物和水以及必要的添加劑(如堿等)按照一定比例攪拌而成。黏土類礦物具有很強的親水性能、吸附性能和分散性能，致使泥漿攜帶巖粉能力強，同時能在孔壁上形成具有一定厚度的泥皮，起到護壁作用。泥漿沖孔多在圍巖裂隙發育、破碎，巖體易掉塊、坍塌等松散地層中應用。

鹽水：在含鹽量高的地層中，采用普通沖洗液容易造成含鹽巖體溶解，形成大的孔洞，同時也不便于采取巖芯和保護巖層。鹽溶類地層一般采用飽和鹽水作為地質鉆探的沖洗液，鹽水沖洗液針對性較強，實際應用范圍比較小。

乳狀液：由不相包溶的液體或乳化劑配置而成，乳狀液除具備降低鉆頭溫度的作用外，攜帶巖粉、巖塊能力較強，同時還能潤滑鉆具，有一定防滲堵漏能力，一般在金剛石鉆探和裂隙不太發育地段應用廣。

③泡沫

由發泡劑和水(或液體)組成，一般應用在漏失嚴重地層中。

(2)沖洗鉆孔常用的方法

①正循環沖孔法

泥漿池→泥漿泵→高壓水管→鉆桿水龍頭→鉆桿→巖心管和巖心的環狀間隙→鉆頭出水口→巖心管和鉆孔孔壁環狀間隙→鉆桿與孔壁環狀間隙→孔口→沉淀池→泥漿池。正循環是普遍使用的一種沖洗液循環方法，其優點是簡單易行，成本低，沖洗液上返速度小，對孔壁沖刷小，鉆孔孔壁穩定，缺點是沖洗液速度小，攜帶巖粉能力差。

②反循環沖孔法

沖洗的循環路徑剛好和正循環相反，其路徑為泥漿池→泥漿泵→高壓水管→空口密封裝置→鉆桿與孔壁環狀間隙→巖心管和鉆孔孔壁環狀間隙→鉆頭出水口→巖心管和巖心的環狀間隙→鉆桿→鉆桿水龍頭→回水管→沉淀池→泥漿池。此種方法優點是沖洗液上返速度高，攜帶巖粉能力強，可減少或避免巖芯遭鉆頭再次破碎，能提高巖芯采取率，缺點是孔口密封要求高，沖洗液對孔壁沖刷嚴重，鉆孔孔壁不穩定。

③局部反循環沖孔法

線路為泥漿池→泥漿泵→高壓水管→鉆桿水龍頭→鉆桿→特制鉆具，此處后沖洗液分為兩路，一路沿粗徑鉆具與孔壁的環狀間隙向下經鉆頭水口→巖心管和巖心的環狀間隙→特制接頭回水孔與另一路沖洗液匯合后，沿著鉆桿與鉆孔孔壁環狀間隙返回到孔口→沉淀池→泥漿池。此種沖洗液循環方法比較復雜，控制難度大，主要用在對巖芯采取率有特殊要求的地段，其他情況下不常用。

④內循環法

線路為泥漿池→泥漿泵→高壓水管→特殊水龍頭→內鉆桿→雙層雙動巖心管內管與巖芯環狀間隙→內鉆頭→雙層雙動巖心管與外鉆桿環狀間隙→內鉆桿與外鉆桿環狀間隙→沉淀池→泥漿池。沖洗液內循環法特點是鉆進速度快、對地層的擾動小，但由于該沖洗液循環法工藝獨特，設備要求復雜，另外必須與其獨特的鉆探工藝相配合才能有效實施，一般僅應用于地下水位高的砂層、淤泥層等軟弱地層地質鉆探中(如圖1)。

圖1 沖洗液內循環法示意

2.2 護壁堵漏的種類和方法

(1)套管護壁

利用向孔內下入套管來隔斷和密封漏失、坍塌、掉塊鉆孔段，確保鉆孔順利進行，一般情況下要將套管下到超過處理段1 m以上位置。套管護壁法最為有效，但操作難度大、時間長，一般只在其他措施無效情況下使用。

(2)泥漿護壁

在孔內壓力差的作用下，泥漿中的自由水會透過地層的裂隙或孔隙而丟失，造成泥漿失水。泥漿失水的同時，黏土顆粒會被阻滯在孔壁上，形成一層薄而韌的泥皮，泥皮可以有效防止孔壁巖石坍塌、掉塊，保證孔壁的穩定，同時也堵塞了漏失通道，從而起到護壁堵漏的目的。

(3)水泥護壁

一般采用流動性好、凝結時間適當、早期強度高以及具有較高的膠結強度的水泥作為沖洗液，在地質鉆孔過程中利用水泥膠結堵塞巖層中的孔隙、裂隙、洞穴，從而達到護壁和堵塞目的。

(4)化學堵漏

利用某些化學液體在一定條件下凝固和硬化的特點，用化學液體替代傳統泥漿對松散破碎的巖石進行填充、加固，以防止滲漏，從而達到堵漏的目的。實踐中一般常用的化學液有：水泥-水玻璃、環氧樹脂等。

(5)黏土護壁堵漏

黏土多是由不同晶體結構的黏土礦物組成的混合物，具有很強的黏性，護壁堵漏時，將黏土用適量的水或其他液體調和成具有塑形的軟泥并制成泥球，在表面風干后，緩慢的投入到鉆孔內，投入到一定量后，用鉆具搗實，搗實后再繼續投入，再搗實，如此反復直到泥球填滿需要護孔(或堵漏)的孔段后，鉆具緩慢低轉速下掃孔，將投入鉆孔內的黏土球擠入到巖石裂隙和涂抹在孔壁上，達到護壁與堵漏目的的方法。

3 結束語

在地質鉆探工作中會遇到各種各樣的地層，有些地層巖石堅硬完整，形成的鉆孔穩定，不需要采取特別的沖孔與護壁堵漏措施。但在復雜地層情況下，如在地層巖石松散、破碎，或具有大量的孔、縫、洞地段，形成的鉆孔孔壁會出現不穩定而發生掉塊、坍塌、縮徑以及大量沖洗液漏失等情況，從而使地質鉆孔事故增加、效率降低、質量達不到要求，如果處理不當，甚至會造成地質鉆孔報廢。因此，地質鉆探工作開展前對復雜地層進行分析研究，制定切實可行有效的沖孔與護壁堵漏技術與措施，是保證正常鉆進，減少鉆探事故發生，提高鉆孔質量，降低成本的一項重要任務。

[1] 馬洪偉.碎石類土地層鉆探的鉆進方法[J].鐵道勘察,2012(5)

[2] 石秉忠.鉆井液對鉆井效率的影響因素分析[J].西部探礦工程,2011(12)

[3] 張宏州.隧道穿越大型充填型溶洞的工程地質勘察技術研究[J].鐵道勘察,2009(6)

[4] 張建國.雙動內循環鉆孔工藝在預應力錨索施工中的應用[J].鐵道勘察,2008(5)

[5] 王世光.鉆探工程[M].北京：地質出版社，2005

[6] 鄢泰寧.巖土鉆掘工程學[M].北京：中國地質大學出版社，2001

[7] 姚愛國，等.巖土工程鉆進原理[M].北京：中國地質大學出版社，1998

[8] 王扶志.地質工程鉆探工藝與技術[M].長沙：中南大學出版社，2006

[9] TB 10003—2005鐵路隧道設計規范[S]

[10]GB 50021—2001巖土工程勘察規范[S]

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