廣西地區復雜構造應力作用下破碎地層鉆探技術探究

魯亞楠，王宇杰，王胡日查

（廣東省航運規劃設計院有限公司，廣州510000）

1 基本地質條件

廣西地處云貴高原東南緣，兩廣丘陵帶西部。受歷史上數次大規模構造運動影響，侵入巖出露種類繁多，具有范圍廣泛、規模大的特點。從活動的地質年代特點看，具有不間斷和多期性特點。受造山運動影響，地貌變化大，其下伏地層分布上亦具極復雜、巖、土性質受變質作用影響不均、褶皺和斷裂發育普遍、構造應力影響普遍存在的特點。

本項目為《2019—2023年廣西高速公路規劃項目前期工作》中的某段，位于桂中凹陷的斷裂褶皺帶。高壓力、風化作用下，現場典型地層露頭照片如圖1、圖2所示。

圖1 褶曲碎裂帶

圖2 韌性剪切帶

該工程段跨越的地貌單元主要有溶蝕丘陵、剝蝕丘陵以及沖積河谷3種主要類型，地表第四處系松散堆積物厚度較小，基巖埋深較不大，但是種類繁多。區段內分布的主要基巖類型如表1所示。

可見，區內巖性極復雜，抬升、變質、剝蝕、溶蝕、風化、沖洪積等共同作用下，造成了區內地層存在有極復雜、高應力、較破碎的特點。

表1 區段內的主要巖層類型

2 重點難點分析

利用魚刺圖分析工具對本項目鉆探影響因素分析（見圖3）。

圖3 鉆探效率影響因素分析

結合本項目工程地質條件特點分析，本區段內第四系松散堆積物覆蓋層的厚度不大，主要的巖土工程勘察鉆探施工難點在于巖層風化帶的鉆探工作。而該場地位于桂中凹陷的斷裂褶皺帶，基巖種類繁多，巖性差異大，分布均勻性差，構造作用影響廣泛，現場調查結果和前期資料顯示，高應力作用痕跡明顯，受這些因素綜合影響，從技術層面來看，塌孔和鉆孔傾斜必然是該區域巖土工程勘察外業鉆探的重點和難點[1]。

2.1 塌孔

本項目工程地質條件特點決定了破碎地層中存在著大量的黏土礦物，接觸到鉆孔沖洗液，在吸水后會發生水化膨脹、裂解，易發生塌孔的危險；泥質膠結類、節理裂隙等強發育的不穩定地層在鉆進過程中，泥漿壓力不足以平衡地層水土壓力時，易出現塌孔現象；在護壁泥漿沖洗液對孔壁巖土體較長時間沖刷和浸泡后，巖土體內部的有效內聚力和有效內摩擦角會降低，也是誘發塌孔的因素之一；高內應力作用下，鉆孔上部土體擾動后，孔壁的松散、破碎土體穩定性很差，易造成塌孔、掉塊等現象[2]。

2.2 鉆孔傾斜

由于鉆探施工時桿長與桿徑的比值均在100～1000，為典型柔性桿件結構，且需承擔動力荷載不規律作用，使施鉆作業過程中易發生鉆桿彎曲和鉆孔傾斜，導致鉆具與鉆孔側壁摩擦力大幅增加，對起降鉆具也會造成較大的困難，這不但降低鉆探工效和質量，還會造成地層資料失真、原位測試得到的力學指標成果偏高、大幅加劇鉆具的損耗和機械故障率等危害[3]。

地質因素方面。根據本場地基本地質條件的特殊性，巖層各向異性化明顯，受構造作用影響，巖層走向變化大，巖性錯斷、翻轉等多有發育。根據鉆頭咬合機理，如遇巖層走向或傾角45°及以下的硬質透鏡體、構造裂隙帶等情況時，鉆孔以銳角從上部軟質巖進入下部的硬質巖裂隙中時，小豎直角的結合面則會成為鉆頭順層滑動控制面。

工藝因素方面。鉆機安裝時，立軸安裝不當、鉆機安裝平整度差、沒有打設孔口套管或角度傾斜，以及鉆速過高、沖洗液量過大、壓力過大等，也會增加鉆具在施鉆過程中的側向位移[4]。

3 應對措施

1）鉆機鉆具使用前進行檢查，確保連接可靠，性能穩定。設備安裝時須穩固準確，必須在鉆機擬搭設處，先行人工平整夯平后，先行鋪設墊木并綁扎固定[5]。塔架天輪邊、立軸中心、孔位定直測斜校驗合格。

2）根據前期地質資料選擇地層條件變化選用合適的鉆頭，并隨鉆進情況調整。可根據巖土層的硬度、塑性和研磨性酌情選擇，以改善鉆頭咬合工況，原則上應選擇異形唇面的圓尖齒唇面、高低刃等類鉆頭，對于中硬中研磨性巖層，可用半圓形唇面；對于堅硬且研磨性高的巖層，可用半圓形唇面。

硬質合金鉆頭一般適用于可鉆性1～4級及部分7～8級的巖類，具有鉆進效率高、成孔質量好、成本低、應用廣泛的特點，條件具體時，宜優先采用；孕鑲鉆頭對于復雜、破碎地層有一定的適應性，也可以采用；普通金剛石鉆頭有硬度極高、耐磨性好的特性，但是地層適應性一般，鉆進效率一般，不適用本場地條件。復雜地質條件下施鉆時，根據鉆進情況及時調整鉆頭類型，可以有效提高鉆進效率、降低不必要的損耗，節約成本[6]。

3）鉆進方式宜采用沖擊回轉鉆方式。該工藝特征在于作用時間短，接觸應力瞬時可達最大值，抗滑移性好，復雜條件下碎巖效率高，比較適合本項目勘察外業客觀條件。鉆進時，考慮本項目易塌孔、巖土層分布情況復雜的情況，宜采取較小的進尺、較高的轉速、適中的壓力進行鉆進。進尺可取約1.5 m為宜，根據現場鉆探情況調整。

4）選擇適當的泥漿配方。針對場地內破碎、強烈風化地層普遍發育的特點，泥漿循環體系應起到如下作用：能形成可靠穩定的泥皮，失水量低，韌性好，并具有一定的強度，起到一定的抗滲、防塌孔作用；泥漿沖洗液密度應大于1.05，使其具有足夠的懸浮力和液柱壓力，防止較高地應力作用下造成的縮徑和坍塌；能夠起到保護巖心的作用，以滿足鉆探取心的取心質量要求；具有較好的流變特性，可以實現穩定的攜帶、懸浮鉆渣能力，并減少泥漿在循環過程中的壓力損失，減輕循環過程中的壓力過大波動，以及對孔壁的沖刷；能起到一定的抑制作用，以在遇到黏土礦物含量較高的地層時，可以避免因水敏膨脹從而造成縮徑現象；能起到足夠的潤滑作用，降低鉆具與巖土層間的摩擦作用，從而能夠保護管材機具以減輕損耗、提高鉆探效率。

考慮地質條件，可取1.1～1.2的較高密度水平以平衡破碎地層中完成部分側壁較大的水土壓力，確保孔壁穩定；適當加入一些優質的添加劑，使巖土工程勘察鉆探過程中，漿液在液柱壓力作用下形成較強膠結力，對破碎裂縫進行封堵。根據經驗，本項目可采用6%～10%鈉土+6%純堿（黏土含量）+1.0%植物膠+10%燒堿（植物膠含量）0.6%～0.8%羧甲基纖維素鈉（CMC）+1%改性腐殖酸鉀（KHm）的比例進行配制。

5）開孔時，護孔套管時注意重錘低擊，注意糾偏。遇到松散破碎地層時，為防止上部地層塌孔，保持上部土體穩定，穩定性特別差的區段，應同步進行跟管鉆進，保障施鉆順利進行。

6）遇到溶洞時，應先確定溶洞的充填情況，填充物較少時，可以緩慢地將鉆具下探至溶洞的底部，估算出溶洞的大致高度后，提升鉆具并調整扶正，以穩定速度鉆進淺部約1 m，再下套管進行處理，充填物較多時，應視充填物的類型和充水情況，做相似地層處理，并做好記錄。溶洞鉆探過程中，應特別注意泥漿漏失情況，以對溶洞大小及連通性做初步判斷，為進一步的處理方案制訂提供決策依據[7～9]。

4 結語

經過團隊的共同努力，該項目勘察工作目前已順利完成。廣西地區的復雜地質條件決定了在該區域巖土工程勘察工作的基本面要求，以及帶來的鉆探施工重點難點的特殊性。作為巖土工程從業者，全面掌控巖土工程勘察的基本面——外業施工鉆探技術的每個影響因素，是做好巖土工程勘察工作的基本要求，提前做好資料搜集、因地制宜地分析確定工作重點，更是作為項目負責人的必要條件。