鉆探泥漿護(hù)壁技術(shù)在長(zhǎng)昆客運(yùn)專線勘察水敏性地層的應(yīng)用

林景新

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 長(zhǎng)昆客運(yùn)專線紅毛嶺隧道概況

滬昆客運(yùn)專線東起上海，西至昆明，全長(zhǎng)2 066 km，是我國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中“四縱四橫”快速客運(yùn)通道之一，全線設(shè)計(jì)時(shí)速350 km。滬昆客運(yùn)專線以長(zhǎng)沙為中點(diǎn)分為東西兩段，東段由上海至長(zhǎng)沙，由滬杭甬客運(yùn)專線，杭長(zhǎng)客運(yùn)專線組成;西段由長(zhǎng)沙經(jīng)貴陽(yáng)至昆明，為長(zhǎng)昆客運(yùn)專線。

1.1 紅毛嶺隧道概況

長(zhǎng)昆客運(yùn)專線紅毛嶺隧道入口位于漣源市白溪鎮(zhèn)巖美村，出口在新邵縣坪上鎮(zhèn)蘆山村，下穿坑義沖、陸家墳山、老虎沖、紅毛嶺、殺牛門(mén)、黃家坪、鎮(zhèn)山嶺、栗山嶺八村。隧道里程范圍為:DK167+555～DK171+905，全長(zhǎng)4350m，共布鉆孔6個(gè)(見(jiàn)表1)。

表1 紅毛嶺隧道鉆孔布置參數(shù)

1.2 紅毛嶺隧道地層巖性及構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，隧道區(qū)上覆第四系更新統(tǒng)殘坡積層(Q3dl+el)，下伏基巖有泥盆系上統(tǒng)佘田橋組泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r夾薄層頁(yè)巖，泥質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)泥巖夾薄層狀石灰?guī)r及泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組泥質(zhì)灰?guī)r與泥灰?guī)r、鈣質(zhì)頁(yè)巖互層。

紅毛嶺隧道地層中的泥巖、頁(yè)巖屬水敏性地層，遇水易膨脹、崩解。

紅毛嶺隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，位于蘆家邊—楊家沖向斜西翼，據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料:線路里程DK168+790和DK169+730附近發(fā)育2條斷層，與線路夾角分別為76°和46°，斷層破碎帶寬度分別約為65m和105m。斷層破碎帶結(jié)構(gòu)松散，其間多為泥質(zhì)充填，遇水更易膨脹、崩解。

2 水敏性地層鉆探存在的主要問(wèn)題

在鉆進(jìn)過(guò)程中，水敏性地層主要存在鉆孔易發(fā)生膨脹，縮徑，泥漿增稠，鉆頭泥包，孔壁表面剝落、崩解、垮塌、超徑等孔壁失穩(wěn)及護(hù)壁困難問(wèn)題。

另外，隨著鉆屑和孔壁中的泥質(zhì)顆粒不斷進(jìn)入泥漿并參與鉆井循環(huán)，泥漿的粘度不斷升高，切力不斷增大，泥漿流動(dòng)越來(lái)越慢，泵壓越來(lái)越高，鉆具回轉(zhuǎn)阻力越來(lái)越大。

(1)因?yàn)槟酀{粘度增加，起下鉆時(shí)鉆具對(duì)孔壁的抽吸與壓力越來(lái)越強(qiáng)烈，極易發(fā)生泥漿漏失、孔壁坍塌、卡鉆、糊鉆等孔內(nèi)事故。

(2)因?yàn)殂@具回轉(zhuǎn)困難，泵壓升高，鉆頭刻(磨)削巖石的阻力必然增大，效率降低，使得工期延長(zhǎng)，生產(chǎn)成本升高。

09－ZD－10330、09－ZD－10332兩個(gè)孔施工時(shí)，由于對(duì)紅毛嶺隧道區(qū)域資料分析不足，對(duì)水敏性地層重視不夠，所以把泥漿類型設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單的粗分散體系。其配方為:膨潤(rùn)土(8～10)%+純堿(2～3)‰+中粘CMC(3～6)‰+HPAM(0.1～0.5)‰。泥漿參數(shù)為:粘度24 s、密度1.06 kg/L、失水量15 mL。

在鉆進(jìn)過(guò)程中，機(jī)組對(duì)泥漿的檢測(cè)和維護(hù)沒(méi)有及時(shí)跟上和調(diào)整，任由泥漿粘度、密度、切力不斷增加。發(fā)現(xiàn)泥漿流動(dòng)困難時(shí)，又采用簡(jiǎn)單的加水降粘法，最后導(dǎo)致泥漿的失水量急劇增大，09－ZD－10330、09－ZD－10332兩孔分別鉆進(jìn)至97.3m和132.6m時(shí)，發(fā)生了因地層吸水膨脹而崩解垮塌現(xiàn)象，并引發(fā)了卡鉆、糊鉆事故，使得兩孔鉆進(jìn)分別中斷了7 d和12 d。

以下是09－ZD－10330、09－ZD－10332兩孔的鉆進(jìn)基本數(shù)據(jù)(表2)。

表2 前兩個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)

3 水敏性地層鉆進(jìn)對(duì)泥漿的要求

欲解決水敏性地層鉆進(jìn)的不良影響，泥漿的配制和維護(hù)是至關(guān)重要的因素。

目前巖芯鉆探大都是采用金剛石單(雙)管或金剛石繩索取芯鉆進(jìn)工藝，對(duì)鉆進(jìn)泥漿的要求越來(lái)越高，特別是鉆進(jìn)水敏性地層時(shí)，泥漿性能和參數(shù)的測(cè)定、控制更顯得尤為重要。

水敏性地層對(duì)泥漿性能的要求主要是:具有良好的護(hù)壁性能，具有良好的潤(rùn)滑性能;防止繩索取芯鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢的性能;具有良好的攜帶巖粉、冷卻鉆頭能力。

水敏性地層對(duì)泥漿的參數(shù)檢測(cè)主要項(xiàng)目有:粘度、密度、失水量，有條件的還可以測(cè)試切力等。

4 水敏性抑制泥漿的配制維護(hù)和使用效果

水敏性地層鉆進(jìn)泥漿的配制原則是:低粘、低切力、低慮失、低固相、高抑制性。

在后來(lái)的09－ZD －10331、09－ZD －10333、09－ZD－10334孔的鉆進(jìn)施工中，吸取了前面兩孔的教訓(xùn)，依據(jù)上述原則調(diào)整了泥漿配方，并且從一開(kāi)始就監(jiān)測(cè)和控制泥漿性能參數(shù)，使泥漿性能符合鉆進(jìn)水敏性地層的要求，確保鉆孔井壁穩(wěn)定。

調(diào)整后的泥漿配方為:膨潤(rùn)土3%+純堿2‰+中粘CMC(3～5)‰ +腐殖酸鉀(KHm)(1～5)%+HPAM(0.1～0.5)‰+1.5%隨鉆堵漏劑。泥漿性能每班檢測(cè)兩次，遇斷層破碎帶或泥頁(yè)巖時(shí)加密檢測(cè)次數(shù)，確保泥漿性能隨時(shí)滿足鉆進(jìn)要求。

09－ZD－10331、09－ZD －10333、09－ZD －10334三孔具體泥漿參數(shù)和鉆進(jìn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 后三個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)

從表3中可以看出，09－ZD－10331、09－ZD－10333、09－ZD－10334三個(gè)孔采用了低固相水敏性抑制泥漿體系，有效地控制了泥漿的粘度、密度和失水量，其鉆進(jìn)效率大幅提高，孔壁的穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，平均鉆進(jìn)時(shí)效由09－ZD－10330、09－ZD－10332孔的0.25～0.31m/h，提高到09－ZD －10331、09－ZD 10333、09－ZD －10334孔的0.75～0.78m/h，孔內(nèi)事故率明顯降低。

5 使用水敏性抑制泥漿鉆進(jìn)的體會(huì)

鉆進(jìn)水敏性地層，一是降低失水量，減輕泥漿濾液對(duì)孔壁的破壞;二是在泥漿中加入能使地層巖石中的泥質(zhì)成分起抑制作用，并提供不使其分散的水基泥漿處理劑。

腐殖酸鉀溶液中的K+進(jìn)入到粘土晶體的結(jié)構(gòu)中，不易被置換，且能將粘土晶片拉得更近(粘土顆粒帶負(fù)電荷)，使水分子不容易進(jìn)入到粘土晶格中，從而抑制地層中的泥質(zhì)顆粒水化分散，維持孔壁穩(wěn)定。

腐殖酸鉀除了具有上述抑制地層泥質(zhì)顆粒水化分散的作用外，還具有防塌作用，并有一定的降粘效果。所以，腐殖酸鉀在鉆進(jìn)水敏性地層時(shí)，使用較為廣泛。

另外，鉆進(jìn)水敏性地層時(shí)對(duì)泥漿的及時(shí)檢測(cè)和調(diào)整、控制尤為重要。粘度、密度、失水量一旦超出控制范圍，必須馬上添加相應(yīng)泥漿處理劑進(jìn)行調(diào)整，使其參數(shù)性能回到設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

如果發(fā)生孔壁縮徑，導(dǎo)致起、下鉆具遇阻時(shí)，唯一的處理辦法(或步驟)是:先保持孔內(nèi)的泥漿循環(huán)，再調(diào)整好泥漿的性能參數(shù)，最后才能上下竄動(dòng)鉆具。特別注意的是:提拉一定要控制好力度，切勿拉死鉆具。

6 結(jié)束語(yǔ)

水敏性地層深孔鉆進(jìn)，泥漿性能至關(guān)重要。具有抑制性、低密度、低粘度、低切力、低失水性的泥漿能有效保護(hù)孔壁穩(wěn)定，對(duì)防止鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢以及鉆頭包泥和粘附卡鉆等孔內(nèi)事故的發(fā)生非常有利。

腐植酸鉀作為水基泥漿處理劑，具有防塌、降失水、調(diào)節(jié)泥漿流變性、抗高溫、抗鈣等良好作用，除了能夠抑制地層泥質(zhì)顆粒水化分散外，還有防塌作用，并有一定的降粘效果，并且在泥漿配比中用量較小，容易購(gòu)買，值得推廣。在加量使用上，一定要根據(jù)不同的巖性和泥漿測(cè)定參數(shù)酌情考慮。

［1］馬洪偉．碎石類土地層鉆探的鉆進(jìn)方法［J］．鐵道勘察，2012(5)

［2］周孟超．探究鐵路工程地質(zhì)與鉆探的結(jié)合［J］．鐵道勘察，2008(6)