川藏鐵路勘察工程的孔內(nèi)試驗及鉆孔質(zhì)量控制方案
——以DZ-S-04-1號鉆孔為例

徐 錚，張化民，于好善，岳 洲，胡孝榮

（1.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都610072；2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊065000）

1 川藏鐵路工程概況

川藏鐵路是中國境內(nèi)一條連接四川省與西藏自治區(qū)的快速鐵路，呈東西走向，為中國國內(nèi)第二條進(jìn)藏鐵路，也是中國西南地區(qū)的干線鐵路之一。川藏鐵路東起四川省成都市、西至西藏自治區(qū)拉薩市，線路全長1838 km，設(shè)計速度160～200 km/h。

川藏鐵路采用興建新線與合并舊線的方式修筑，分期分段建設(shè)運營。從東往西，可以分為成都—雅安、雅安—昌都、昌都—林芝、林芝—拉薩4段。成都—雅安段已于2018年11月26日開通。林芝—拉薩段已進(jìn)入鋪軌階段，預(yù)計2021年通車。雅安—林芝段正在進(jìn)行勘察設(shè)計。

川藏鐵路工程需要面對崇山峻嶺、地形高差、地震頻發(fā)、復(fù)雜地質(zhì)、季節(jié)凍土、山地災(zāi)害、高原缺氧以及生態(tài)環(huán)保等建設(shè)難題。川藏鐵路集合了山嶺重丘、高原高寒、風(fēng)沙荒漠、雷雨雪霜等多種極端地理環(huán)境和氣候特征，跨14條大江大河、21座4000 m以上的雪山，被稱為“最難建的鐵路”［1］。

2 川藏鐵路勘察工程的孔內(nèi)試驗項目

川藏鐵路行走于印度洋板塊與歐亞板塊碰撞而隆升的青藏高原地帶；穿越橫斷山、唐古拉山、喜馬拉雅山三大山脈，跨越雅礱江、金沙江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布江五大水系。沿線山高谷深，新構(gòu)造運動活躍，地層巖性混雜，地震頻繁，氣候惡劣多變，內(nèi)外動力地質(zhì)作用強烈，崩滑、泥石流等重力地質(zhì)災(zāi)害和高溫?zé)崴⒏叩貞?yīng)力等內(nèi)動力地質(zhì)災(zāi)害極其發(fā)育。川藏鐵路將是迄今為止人類歷史上最具挑戰(zhàn)性的鐵路建設(shè)工程，工程地質(zhì)災(zāi)害將成為全線的關(guān)鍵控制性節(jié)點，關(guān)乎川藏鐵路建設(shè)及后期運營的成敗［2］。所以川藏鐵路沿線地質(zhì)勘察工程的關(guān)鍵點在于查明地應(yīng)力、地溫、水文等地質(zhì)信息，為規(guī)避和處治內(nèi)外動力地質(zhì)災(zāi)害提供可靠依據(jù)。

DZ-S-04-1號鉆孔位于巴塘縣德達(dá)鄉(xiāng)境內(nèi)，德達(dá)寺廟修行點南西側(cè)約8.4 km處，地勢陡峭，孔位海拔約4756 m，為雪線以上，坡面為凍融巖屑坡。鉆孔所處位置表層出露為全新世冰川堆積物，下伏基巖為燕山期細(xì)粒斑狀黑云二長花崗巖，冰川堆積物及基巖的強風(fēng)化層厚度有待于鉆探查明。鉆孔下部有Ⅳ類電（物探）異常，推測有節(jié)理密集帶通過。線路以隧道形式經(jīng)過，隧道埋深約590 m，可能的主要工程地質(zhì)問題：涌水、輕微巖爆、花崗巖放射性等。

DZ-S-04-1號勘察孔除了傳統(tǒng)的查明鉆孔揭露地段地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、巖體完整性、物探低值異常原因等工作內(nèi)容，還需要進(jìn)行以下孔內(nèi)試驗項目：

（1）地應(yīng)力和地溫測試：通過孔內(nèi)地溫與地應(yīng)力測試，查明隧道洞身段地溫、地應(yīng)力特征。通過分析孔內(nèi)地溫梯度變化情況及高地溫對隧道的影響程度，通過地應(yīng)力測試了解隧道高地應(yīng)力環(huán)境下的巖爆特征。

（2）水文測試：查明孔位附近水文地質(zhì)條件；各含水層發(fā)育分布特征及水力聯(lián)系；確定各含水層涌水量預(yù)測有關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù)；分析地下水水質(zhì)及其侵蝕性。

（3）巖性測試：通過現(xiàn)場深孔綜合測井和室內(nèi)巖石試驗，查明巖層的物理力學(xué)性質(zhì)、力學(xué)分層，巖體和巖塊的彈性縱波波速（Vp）、完整性系數(shù)、圍巖放射性等。

該孔需要進(jìn)行綜合測井、放射性測試、有害氣體測試、地應(yīng)力測試和水文測試，施工流程見圖1。

圖1 DZ-S-04-1號鉆孔施工流程Fig.1 Construction process of Borehole DZ-S-04-1

3 DZ-S-04-1號鉆孔成孔質(zhì)量控制方案

良好的成孔質(zhì)量是保證孔內(nèi)試驗順利進(jìn)行的前提，所以在前期施工中要精心設(shè)計和施工，嚴(yán)格把控鉆探中各個環(huán)節(jié)的工程質(zhì)量，為后續(xù)的孔內(nèi)試驗打下良好的基礎(chǔ)［3］。

3.1 孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計

鉆孔結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按照技術(shù)要求中成孔結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行設(shè)計，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)情況及相關(guān)測試要求，該孔采用?150 mm開孔并下?146 mm套管作孔口管；然后采用?130 mm口徑揭穿覆蓋層后下?127 mm套管作止水處理；?110 mm口徑施工進(jìn)入較完整基巖后下?108 mm套管護(hù)壁；?95 mm口徑穿過上部裂隙發(fā)育等地層，利用?91 mm繩索取心鉆桿作套管護(hù)壁；最后用?75 mm口徑鉆進(jìn)至終孔。鉆孔結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 DZ-S-04-1號鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of Borehole DZ-S-04-1

3.2 沖洗液與護(hù)壁堵漏技術(shù)方案

該鉆孔采用套管和沖洗液綜合護(hù)壁；若遇漏失可用堵漏劑進(jìn)行堵漏，必要時用水泥封堵；孔內(nèi)負(fù)荷大可加高效潤滑劑減阻［4-5］。

3.2.1 不同地層選用的沖洗液類型及性能

3.2.1.1 覆蓋層

一般采用高粘度細(xì)分散沖洗液。配方：清水+純堿（0.1%～0.5%）+鈉基膨潤土（4%～6%）+Na-CMC（0.2%）。

基本性能要求：粘度25～30 s，密度1.05～1.08 kg/L，膠體率＞96%，失水量＜6.5 mL/30 min，含砂量＜4%。

3.2.1.2 孔壁較穩(wěn)定地層

采用無固相沖洗液，孔深較大時應(yīng)及時加入潤滑減阻劑。配方：清水+聚丙烯酰胺（0.05%）+潤滑劑（0.25%）。

基本性能要求：粘度20～22 s，密度1.01～1.03 kg/L，膠體率＞96%，含砂量＜3%。

3.2.1.3 破碎帶及易坍塌地層

主要選用不分散低固相泥漿。配法如下：

鈉膨潤土40 kg（相當(dāng)于4%），加入水中攪拌時間≮30 min；

純堿1.0 kg（相當(dāng)于0.1%），攪拌時間≮20 min；

Na-CMC 1.5 kg（相當(dāng)于0.15%），攪拌時間≮30 min；

PHP 0.5 kg（相當(dāng)于0.05%），分子量＞1800萬，攪拌時間≮30min。

基本性能要求：粘度17～22 s，密度1.05～1.07 kg/L，膠體率＞96%，失水量＜10 mL/30 min，含砂量＜3%。

3.2.2 護(hù)壁堵漏

3.2.2.1 中小以下的漏失或壓力型漏失堵漏方法［6］

（1）惰性材料堵漏：在基漿中加入3%左右的惰性堵漏材料隨鉆循環(huán)，或在漏失位置架橋封堵。

（2）交聯(lián)封堵：部分水解聚丙烯酰胺（PHP）中加入CaCl2、石灰或水泥做交聯(lián)劑。

（3）壓差引發(fā)的漏失：主要采用降低沖洗液密度的方法止漏。即鉆進(jìn)中，若循環(huán)液流的液柱壓力過大壓裂（漏）地層，可以采用逐步稀釋沖洗液、降低沖洗液密度，使之與低孔隙壓力的地層平衡止漏。

3.2.2.2 中等漏失

（1）惰性材料堵漏：在12%～17%的稠泥漿中加入3%左右的惰性堵漏材料。

（2）水泥護(hù)壁堵漏：選擇速凝、早期強度高、密度低的硫鋁酸鹽水泥，也可用普通硅酸鹽水泥加入速凝劑、早強劑?，F(xiàn)場施工前應(yīng)檢測水泥的性能指標(biāo)，包括水灰比、漿液密度、初凝和終凝時間、流動度、可泵期，然后用平衡法灌水泥漿。

3.2.2.3 大裂隙漏失

充填與堵漏液復(fù)合封堵：從孔口投入碎石粗砂水泥球至孔底，之后灌注堵漏漿液。

3.3 鉆進(jìn)方法與措施

根據(jù)施工區(qū)的巖石類型、物理機械性質(zhì)和可鉆性及鉆孔深度、鉆孔傾角等情況，確定以硬質(zhì)合金鉆進(jìn)和金剛石鉆進(jìn)為主。

3.3.1 鉆頭的選擇與使用

3.3.1.1 硬質(zhì)合金鉆頭的選擇和鉆進(jìn)參數(shù)

應(yīng)根據(jù)鉆孔直徑、巖石性質(zhì)和所鉆巖層最高的生產(chǎn)指標(biāo)（機械鉆速、回次進(jìn)尺、鉆頭進(jìn)尺）和經(jīng)濟指標(biāo)（鉆頭成本、使用次數(shù)）選擇鉆頭上切削具的數(shù)量、出刃大小、鑲焊角度及刃尖角。鉆頭的內(nèi)、外、底出刃應(yīng)對稱、平整，鑲焊要牢固，不合格者不準(zhǔn)使用。相鄰回次的硬質(zhì)合金鉆頭內(nèi)外徑不得相差過大，鉆頭下入鉆孔后，應(yīng)慢速、輕壓掃孔到底，再逐漸加足所需壓力。鉆進(jìn)硬巖層時，嚴(yán)禁在壓力不足的情況下單純加快鉆速，合理掌握回次提鉆長度，要根據(jù)鉆頭的磨損情況，改變下一個回次的鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)。

（1）硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)主要為開孔0～20 m左右第四系地層及50 m前有可能有較大漏失的孔段。

（2）選擇鎢鈷類硬質(zhì)合金，鑲嵌在肋骨上，形成鉆頭外徑150、130、110、95 mm。內(nèi)、外出刃2～3 mm，底出刃2～3 mm。

（3）鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)：鉆頭壓力700～1200 N/粒，轉(zhuǎn)速80～300 r/min，泵量150～250 L/min。

3.3.1.2 金剛石鉆頭、擴孔器的選擇和鉆進(jìn)參數(shù)［7-8］

應(yīng)根據(jù)巖石的可鉆性、研磨性和完整程度來選擇金剛石鉆頭、擴孔器的類型，金剛石粒度、濃度，以及胎體硬度，對研磨性較大的巖層和節(jié)理、裂隙、構(gòu)造發(fā)育、破碎巖層，應(yīng)選擇胎體硬度大、金剛石濃度高、粒度大的孕鑲金剛石鉆頭，本區(qū)的可鉆性一般為6～8級，故可選擇尖齒金剛石鉆頭或聚晶復(fù)合片鉆頭，金剛石胎體硬度HRC35～45，金剛石粒度60～80目，金剛石濃度75%～85%。選用螺旋式人造聚晶擴孔器，擴孔器胎體硬度HRC＞40，粒度?2 mm×4 mm，濃度100%。新金剛石鉆頭初次下入鉆孔時，先對鉆頭進(jìn)行初磨，以保證每顆金剛石上有足夠的壓力克取巖石。

鉆頭使用原則：先用外徑大、內(nèi)徑小的，后用外徑小、內(nèi)徑大的，以外徑為主，大小排隊編號，并有次序地輪換進(jìn)行使用，以后每回次提上鉆頭都要重新卡量尺寸，按尺寸排隊，以免發(fā)生夾鉆事故和巖心堵塞。

3.3.2 金剛石取心鉆進(jìn)操作注意事項

（1）注意進(jìn)尺速度，返水大小，返水顏色變化，鉆機運轉(zhuǎn)是否蹩勁，泵壓變化及柴油機聲響，發(fā)現(xiàn)異狀應(yīng)立即查明原因，及時處理，甚至停止鉆進(jìn)。

（2）開車要輕合離合器，并減輕鉆頭壓力，使鉆頭和鉆具在較輕的負(fù)荷下緩慢起動，受力平穩(wěn)。

（3）鉆進(jìn)過程中不得隨意提動鉆具，一個回次最好由一人操作，以便掌握孔內(nèi)情況。

（4）在深孔減壓鉆進(jìn)時，應(yīng)用液壓油缸減壓，以防將全部鉆具重力壓在鉆頭上，壓損鉆頭和壓彎鉆具。

（5）保證孔底清潔：

①孔底巖粉達(dá)到0.30～0.40 m時，不得繼續(xù)鉆進(jìn)，必須采取措施及時排除。

②孔內(nèi)殘留巖心過多或脫落巖心過長，須用硬質(zhì)合金鉆頭專門撈取。

（6）防止巖礦心堵塞：

①鉆進(jìn)中，不得隨意提動鉆具；如遇水泵蹩水，泵壓增高，盡快將鉆具提離孔底，慢速轉(zhuǎn)動1～2 min進(jìn)行觀察。

②鉆進(jìn)時給進(jìn)要均勻，不要時快時慢，加壓要平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速不要忽高忽低。

③鉆進(jìn)中，由于水路不通或供水不良，易使鉆頭得不到冷卻而將鉆頭燒壞，在鉆進(jìn)前，先開泵沖孔，待水路暢通之后再開始鉆進(jìn)。

（7）升降鉆具及其他工序：

①下鉆時應(yīng)注意檢查鉆桿、接頭、巖心管的彎曲和磨損情況，不合格者禁止下入孔內(nèi)。鉆頭有裂紋，內(nèi)外徑和底唇嚴(yán)重磨損，金剛石脫落較多，卡簧和擴孔器不合要求，也不得下入孔內(nèi)。

②下鉆時，操作升降機人員對孔內(nèi)情況要做到心中有數(shù)，下鉆遇阻時不能猛墩強扭鉆具，擴孔時不能用新鉆頭，若遇鉆孔縮徑造成鉆具受阻則需擴孔。

③下鉆掃脫落巖心，應(yīng)用內(nèi)徑大的金剛石鉆頭。

④下鉆時，操作升降機人員和孔口墊叉人員，注意力要集中，嚴(yán)防跑鉆。

⑤操作升降機要穩(wěn)，不能猛剎車，擰卸鉆桿要平穩(wěn)，以防振動過大，造成巖心脫落。

⑥鉆頭提至地面后，應(yīng)仔細(xì)觀察磨損情況，分析鉆進(jìn)時采用的規(guī)程參數(shù)是否恰當(dāng)。

（8）硬質(zhì)合金鉆進(jìn)換徑金剛石鉆進(jìn)前，如果孔底有胎體碎塊、硬質(zhì)合金或其他金屬異物，必須用專門工具打撈干凈，并用磨孔鉆頭磨孔。

4 DZ-S-04-1號鉆孔孔內(nèi)試驗質(zhì)量保證措施

4.1 水文地質(zhì)試驗

（1）水文地質(zhì)試驗應(yīng)嚴(yán)格遵循《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》（TB 10049-2014）［9］。在鉆探工作完成后，根據(jù)鉆孔實際揭露的含水層水文地質(zhì)條件，設(shè)計水文地質(zhì)試驗實施方案，經(jīng)報甲方現(xiàn)場代表確認(rèn)以后開展試驗工作。

（2）當(dāng)孔內(nèi)地下水量較豐富時，必須作抽水試驗。若水量較小，無法作抽水試驗時，按每含水層段進(jìn)行三落程提水試驗，要求與抽水試驗相同。待綜合測井、地應(yīng)力測試等其它實驗項目完成后進(jìn)行抽水試驗。抽水試驗時，應(yīng)對地表水嚴(yán)密止水，防止地表水通過孔口或覆蓋層進(jìn)入鉆孔中。取地下水樣3組，抽水試驗開始、過程中和試驗結(jié)束時各取1組。抽水試驗時應(yīng)隨時注意水溫情況。

（3）當(dāng)鉆孔內(nèi)無水、水量很小或地下水埋深過大時，可采用壓水試驗。根據(jù)其深度、地質(zhì)構(gòu)造、巖層裂隙發(fā)育情況、含水層特征，提出具體的壓水試驗實施法案和細(xì)則。每層段壓水試驗應(yīng)按3個壓力段進(jìn)行。在鉆孔的中部、深部各選取一試驗段，各試驗段長度10～20 m。針對各含水層采取地下水樣（不能為循環(huán)水）。

4.2 物探測井

（1）使用套管及沖洗液護(hù)壁方案保證孔壁穩(wěn)定，確保深孔測井能順利進(jìn)行。

（2）作業(yè)嚴(yán)格按照《鐵路工程物理勘探規(guī)程》（TB 10013-2010）［10］操作，并參照《煤田地球物理測井規(guī)程》執(zhí)行。

（3）測井范圍為全孔綜合測井，點距0.5 m。

（4）測井內(nèi)容包含地溫、彈性縱波速度（Vp）、視電阻率、自然伽馬、井斜、井徑，并根據(jù)鉆孔地下水情況作井中測流。

4.3 地應(yīng)力測試

（1）采用水壓致裂法進(jìn)行地應(yīng)力測試，每20 m一個測試點［11］。

（2）保證孔壁穩(wěn)定，確保深孔地應(yīng)力測試設(shè)備能順利下入孔內(nèi)［12］。

（3）確保地應(yīng)力測試用水為清水。

4.4 氣體成分分析

當(dāng)孔內(nèi)溫度＞28℃時需對氣體成分進(jìn)行分析。主要測試項目如下：

溶解氣體分析項目：O2、CO2、CO、H2、N2的含量和總量；

逸出氣體分析項目：H2S、O2、CO、H2、N2的含量和總量；

氣水混合比分析項目：單位體積熱水的溶解氣體和逸出氣體總量之和。

4.5 有害氣體測試

查明不整合侵入接觸帶中有無有害氣體分布，如發(fā)現(xiàn)鉆孔沖洗液中有冒泡等氣體逸出特征時，需測定有害氣體含量、成分、壓力，預(yù)測隧道有害氣體涌出量。評價有害氣體突出危險性。

4.6 樣品采集

（1）樣品采集需根據(jù)鉆孔測溫結(jié)果來分別考慮。

（2）孔內(nèi)溫度≤28℃時巖樣采取按照不同巖性類別采取巖石試樣，每種巖心采取9組，每組6節(jié)，節(jié)長＞200 mm（切割后的高徑比為2∶1），試驗項目包括：物性（天然密度、顆粒密度、含水率、天然吸水率），天然、飽和、烘干單軸抗壓強度，彈性縱波波速，花崗巖巖塊增加放射性測試。水樣采取時不同含水層均應(yīng)采集水樣，試驗項目包括水質(zhì)簡分析、同位素及有機質(zhì)分析，共取水樣2 kg，取好后趕出空氣，并及時蠟封，并在鉆探時及抽水試驗時分別取樣［13］。

（3）孔內(nèi)溫度＞28℃時巖樣需作常規(guī)物理力學(xué)參數(shù)試驗以及比熱，導(dǎo)熱率，滲透率，鈾、釷、鉀放射性含量測試，如遇花崗巖增加放射性測試，各孔取巖樣9組［14］。需對地下熱水進(jìn)行水質(zhì)全分析，分析項目包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、NH4+、HCO3-、SO42-、Cl-、NO2-、NO3-、游 離CO2、侵 蝕 性CO2、∑H2S、SiO2，pH值，Eh值，對硬度、堿度、礦化度進(jìn)行測試。進(jìn)行同位素及有機質(zhì)分析，共取水樣2 kg，取好后趕出空氣，并及時蠟封，并在鉆探時及抽水試驗時分別取樣［15］。

5 結(jié)語

（1）川藏鐵路工程勘察工作的突出特點是孔內(nèi)試驗項目多，有綜合測井、放射性測試、有害氣體測試、地應(yīng)力測試和水文測試等。

（2）良好的成孔質(zhì)量是后續(xù)孔內(nèi)試驗順利進(jìn)行的基礎(chǔ)，采用合理有效的孔身結(jié)構(gòu)、沖洗液方案和鉆進(jìn)方法，精細(xì)管控鉆孔施工的每個細(xì)節(jié)，保證成孔質(zhì)量。

（3）DZ-S-04-1號鉆孔已經(jīng)完工，各項孔內(nèi)試驗順利完成，為后續(xù)工程建設(shè)提供了寶貴的地質(zhì)數(shù)據(jù)和資料。