廣西地區(qū)復雜構(gòu)造應力作用下破碎地層鉆探技術(shù)探究

魯亞楠，王宇杰，王胡日查

（廣東省航運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣州510000）

1 基本地質(zhì)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(shù)次大規(guī)模構(gòu)造運動影響，侵入巖出露種類繁多，具有范圍廣泛、規(guī)模大的特點。從活動的地質(zhì)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(zhì)受變質(zhì)作用影響不均、褶皺和斷裂發(fā)育普遍、構(gòu)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(guī)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(xiàn)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(qū)段內(nèi)分布的主要基巖類型如表1所示。

可見，區(qū)內(nèi)巖性極復雜，抬升、變質(zhì)、剝蝕、溶蝕、風化、沖洪積等共同作用下，造成了區(qū)內(nèi)地層存在有極復雜、高應力、較破碎的特點。

表1 區(qū)段內(nèi)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(jié)合本項目工程地質(zhì)條件特點分析，本區(qū)段內(nèi)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(gòu)造作用影響廣泛，現(xiàn)場調(diào)查結(jié)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(shù)層面來看，塌孔和鉆孔傾斜必然是該區(qū)域巖土工程勘察外業(yè)鉆探的重點和難點[1]。

2.1 塌孔

本項目工程地質(zhì)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(fā)生水化膨脹、裂解，易發(fā)生塌孔的危險；泥質(zhì)膠結(jié)類、節(jié)理裂隙等強發(fā)育的不穩(wěn)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(xiàn)塌孔現(xiàn)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(nèi)部的有效內(nèi)聚力和有效內(nèi)摩擦角會降低，也是誘發(fā)塌孔的因素之一；高內(nèi)應力作用下，鉆孔上部土體擾動后，孔壁的松散、破碎土體穩(wěn)定性很差，易造成塌孔、掉塊等現(xiàn)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(jié)構(gòu)，且需承擔動力荷載不規(guī)律作用，使施鉆作業(yè)過程中易發(fā)生鉆桿彎曲和鉆孔傾斜，導致鉆具與鉆孔側(cè)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(zhì)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(zhì)因素方面。根據(jù)本場地基本地質(zhì)條件的特殊性，巖層各向異性化明顯，受構(gòu)造作用影響，巖層走向變化大，巖性錯斷、翻轉(zhuǎn)等多有發(fā)育。根據(jù)鉆頭咬合機理，如遇巖層走向或傾角45°及以下的硬質(zhì)透鏡體、構(gòu)造裂隙帶等情況時，鉆孔以銳角從上部軟質(zhì)巖進入下部的硬質(zhì)巖裂隙中時，小豎直角的結(jié)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(shè)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(cè)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(wěn)定。設(shè)備安裝時須穩(wěn)固準確，必須在鉆機擬搭設(shè)處，先行人工平整夯平后，先行鋪設(shè)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(jù)前期地質(zhì)資料選擇地層條件變化選用合適的鉆頭，并隨鉆進情況調(diào)整?？筛鶕?jù)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(zhì)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(zhì)量好、成本低、應用廣泛的特點，條件具體時，宜優(yōu)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(zhì)條件下施鉆時，根據(jù)鉆進情況及時調(diào)整鉆頭類型，可以有效提高鉆進效率、降低不必要的損耗，節(jié)約成本[6]。

3）鉆進方式宜采用沖擊回轉(zhuǎn)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(yè)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(zhuǎn)速、適中的壓力進行鉆進。進尺可取約1.5 m為宜，根據(jù)現(xiàn)場鉆探情況調(diào)整。

4）選擇適當?shù)哪酀{配方。針對場地內(nèi)破碎、強烈風化地層普遍發(fā)育的特點，泥漿循環(huán)體系應起到如下作用：能形成可靠穩(wěn)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?jié)B、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(zhì)量要求；具有較好的流變特性，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的攜帶、懸浮鉆渣能力，并減少泥漿在循環(huán)過程中的壓力損失，減輕循環(huán)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(xiàn)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(zhì)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(cè)壁較大的水土壓力，確?？妆诜€(wěn)定；適當加入一些優(yōu)質(zhì)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(jié)力，對破碎裂縫進行封堵。根據(jù)經(jīng)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(wěn)定，穩(wěn)定性特別差的區(qū)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(diào)整扶正，以穩(wěn)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(jù)[7～9]。

4 結(jié)語

經(jīng)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(qū)的復雜地質(zhì)條件決定了在該區(qū)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(yè)者，全面掌控巖土工程勘察的基本面——外業(yè)施工鉆探技術(shù)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。