姚鋒杰

（山西省水利水電勘測設計研究院 太原030024）

0 引言

現(xiàn)代覆蓋層勘探，除了黏土層、淤泥層、厚砂層取樣有比較成熟的工具和方法外，對于松散、膠結(jié)性差和質(zhì)地堅硬、結(jié)構(gòu)復雜的深厚砂卵石、漂卵石層和其間的薄砂層取樣，尤其是取原結(jié)構(gòu)樣，仍然是國內(nèi)外的難題。為了查明深厚砂卵石地層的結(jié)構(gòu)往往需要采用多次重復布孔或開挖豎井來完成，如果仍達不到目的，將影響工程的設計和施工進程［1］。因此，認真研究深厚覆蓋層鉆探工藝和選擇鉆進方法，對于保證鉆探質(zhì)量和提高鉆進效率至關重要。

隨著SM植物膠鉆探工藝和SD系列鉆具的研制成功才使得深厚覆蓋層鉆進效率和巖心采取率得到大幅度提高成為可能。

1 地質(zhì)條件及勘察要求

澤城水電站位于左權(quán)縣粟城鄉(xiāng)清漳河的東西兩源交匯處下游的清漳河干流上，壩址出露地層主要為元古界長城系常州溝組（Chc）石英砂巖、燕山期輝綠巖脈（βμ51）和第四系全新統(tǒng)松散堆積物。河床覆蓋層主要為全新統(tǒng)洪沖積物（Q4pal），巖性表層為低液限粉土，表層發(fā)育植物根系，結(jié)構(gòu)松散，零星分布碎塊石，厚0.5～1.5 m，其下為混合土卵石或卵石混合土夾粉土、細砂透鏡體，卵礫石呈次棱角至次圓狀，一般粒徑20.0～160.0 mm，含量大于50%，漂石、孤石含量大于15%，成分主要為石英砂巖，含少量變質(zhì)巖，細粒為中細砂和粉土。結(jié)構(gòu)松散，局部架空，級配不均，厚20.0～52.0 m.基巖以石英砂巖為主。

地質(zhì)對鉆探的質(zhì)量要求和技術(shù)要求：通過鉆探查明壩址區(qū)第四紀沉積物的成因類型、厚度、組成及其分布情況，以及基巖面分布高程及起伏情況。終孔孔徑不得小于75 mm，全孔取芯鉆進，覆蓋層、強風化層基巖巖心采取率大于等于80%，弱風化層基巖巖心采取率大于等于85%，基巖巖心采取率大于等于90%，在基巖中按要求進行壓水試驗。

2 主要設備及材料

根據(jù)地層條件、鉆孔深度及地質(zhì)要求，結(jié)合現(xiàn)場施工條件，鉆探設備選擇如下：

鉆機 XY-2型巖心鉆機

水泵 BW150型變量泵

攪拌機 SM-1型鉆井液攪拌機

鉆具 SD110金剛石鉆具、SD94金剛石鉆具、S75金剛石繩索取芯鉆具

套管 φ168×10 mm厚壁套管 φ130×10 mm厚壁套管

3 鉆探工藝及施工技術(shù)

3.1 鉆探工藝和鉆進方法

在該工程可研階段勘察中，覆蓋層采用清水或干鉆跟管鉆進的鉆探工藝進行施工，該工藝不僅鉆探效率極低，管材消耗大，而且?guī)r心采取率和巖心質(zhì)量達不到地質(zhì)要求。因此，在進行初設階段勘察前，認真分析、研究了可研階段的原始資料以及存在的問題，大量收集其他單位在類似地層條件鉆探的成功經(jīng)驗，決定在覆蓋層中采用SM植物膠和SD金剛石單動雙管半合管取心鉆具鉆進，然后跟進套管的鉆探工藝進行施工?；鶐r采用金剛石繩索取心鉆探工藝完成。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

開孔采用φ146 mm金剛石單管鉆具鉆進5～10 m，跟進φ168×10 mm厚壁套管護壁，然后換用SD110 mm和SD94mm金剛石單動雙管半合管鉆具鉆進，并根據(jù)鉆孔內(nèi)情況及時跟進φ130×10 mm厚壁套管以保護孔壁，直至鉆到完整基巖?；鶐r采用S75金剛石繩索取心鉆具鉆至設計孔深。

4 SM植物膠沖洗液的配制和維護

SM植物膠是由多年生野生草本植物直根加工而成，主要成分含多糖類半乳聚糖、甘露聚糖等。它可以任意比例溶解于水，制成無固相或低固相沖洗液。作為砂卵石覆蓋層鉆進用沖洗液，為了取原結(jié)構(gòu)狀巖心和保護孔壁，必須采取高濃度的配方，才能達到此特殊目的?，F(xiàn)場配制的程序流程是：首先向攪拌機中加入1/2罐清水，開動攪拌機同時按水重量的2%一次性倒入SM植物膠粉攪拌5 min，然后加滿清水并按SM植物膠粉重量的5%加入燒堿繼續(xù)攪拌10 min 即可使 用［1］。

在使用的過程中一定要采用循環(huán)方式沉淀、除去泥漿中的砂子和巖粉，并且當漿液黏度降低變稀時，須及時加入SM植物膠粉攪拌補充漿液的濃度。

5 鉆進參數(shù)和操作注意事項

根據(jù)澤城水電站深厚覆蓋層鉆探的實踐證明，當使用SM植物膠作為鉆進用沖洗液時，為了確保巖心采取質(zhì)量和鉆進效率，鉆進參數(shù)應遵循“低壓力、高轉(zhuǎn)速、小泵量”的原則。正常鉆進時采用的鉆進參數(shù)為：轉(zhuǎn)速500～800 r/min，鉆壓5～8 kN，泵量 20～40 L/min，泵壓小于 0.5 MPa.

在操作中應特別注意以下幾個問題。

（1）合理控制起下鉆的速度，操作要平穩(wěn)，避免孔內(nèi)產(chǎn)生較大的壓力脈沖而造成孔壁坍塌。鉆孔較深時，起鉆要向孔內(nèi)回灌漿液，目的是保持孔內(nèi)壓力平衡，防止鉆孔坍塌掉塊。

（2）下鉆后，應先用大泵量沖孔，然后改用小泵量鉆進。當?shù)貙咏Y(jié)構(gòu)松散、取心困難時，應盡量減小泵量，以確保取心質(zhì)量。

（3）在鉆進過程中，如果進尺正常，不得隨意改變鉆進參數(shù)，也不應隨意提動鉆具，以免發(fā)生巖心堵塞。當發(fā)生巖心堵塞后，若提動鉆具幾次無效，應及時提鉆處理，避免磨掉巖心。

（4）在跟管鉆進時，取出的巖心直徑發(fā)現(xiàn)有大于套管直徑的孤石，要進行孔內(nèi)爆破，將孤石炸碎，然后跟管。進行孔內(nèi)爆破，炸藥包頂部至管靴的安全距離不得小于0.5 m，并根據(jù)藥量確定安全距離，避免炸壞管靴。

（5）應經(jīng)常對SD金剛石鉆具進行維護保養(yǎng)。每次下鉆前須檢查鉆具的單動性能是否良好、水口是否暢通，提鉆后根據(jù)地層情況隨時調(diào)整卡簧座與鉆頭內(nèi)臺階的間隙。對于松散的覆蓋層間隙一般 2～3 mm 為宜［1、2］。

6 使用SM植物膠鉆探工藝的優(yōu)越性

通過澤城水電站勘察可研階段使用常規(guī)鉆探工藝和初設階段使用SM植物膠鉆探工藝的效果對比（見表1），可以總結(jié)出使用SM植物膠鉆探工藝具有以下幾個優(yōu)越性。

表1 鉆探成果比較

（1）鉆孔質(zhì)量顯著提高常規(guī)鉆進，砂卵石層巖心采取率不足40%，而使用SM植物膠金剛石鉆探工藝巖心采取率均可達到95%以上。為地質(zhì)人員提供了真實直觀的巖石樣品，從而準確判斷地層的結(jié)構(gòu)和顆粒級配。

（2）鉆進效率大幅度提高常規(guī)鉆進，砂卵石層平均效率只有不足3 m/d.而采用SM植物膠新工藝平均效率可達7 m/d以上，效率可以提高50%以上，大大的加快了勘探進度。

（3）SM植物膠沖洗液護壁作用可靠，可以實行裸孔鉆進。若孔內(nèi)沒有大孤石且漏失不嚴重裸孔鉆進深度可達20 m以上。穩(wěn)定的孔壁減少了鉆進過程中埋鉆、卡鉆事故的發(fā)生，也不像常規(guī)鉆進方法需要跟進多套套管，大大簡化了鉆孔結(jié)構(gòu)，為砂卵石層實行小口徑金剛石鉆進創(chuàng)造了有力條件，同時可以減少工人的勞動強度和管材的消耗［4］.

7 結(jié)束語

工程地質(zhì)的目的在于了解地層的結(jié)構(gòu)和工程地質(zhì)性質(zhì)，為工程設計、施工提供可靠準確的依據(jù)和必要的試驗指標，鉆探是工程地質(zhì)勘察的重要手段之一。而保證巖心采取率和巖心質(zhì)量、提高鉆探效率是鉆探工作的重點［3］.澤城水電站初設階段勘察工作時使用SM植物膠金剛石鉆探工藝共完成鉆孔11個，砂卵石地層深度最深達52 m，砂卵石地層總進尺358.6 m，巖心采取率均超過90%，效率較可研階段勘察也有大幅度提高。盡管SM植物膠鉆進是深厚松散砂卵石覆蓋層鉆進的一種較好方法，但是與其它常規(guī)鉆進方法一樣也不是萬能的。若開孔10 m以內(nèi)為較細顆粒的松散地層，SM植物膠護壁防塌效果不是很好，取心效果不太好，同時需要跟管鉆進；或遇地下水位較淺，漿液稀釋嚴重，需要及時補充漿液的濃度，這樣就造成成本加大。針對以上問題在今后的工作中要認真研究分析，使SM植物膠鉆探工藝更好地發(fā)揮其在深厚松散砂卵石覆蓋層鉆探中的優(yōu)越性，取得更好的經(jīng)濟效益。

［1］李月良.砂卵石層金剛石鉆進和取樣技術(shù)［G］//水利水電巖土鉆鑿技術(shù).長春：吉林科學技術(shù)出版社，2001，254-268.

［2］長江水利委員會三峽勘測研究院水利水電工程勘察與巖土工程施工技術(shù)［M］北京：中國水利水電出版社，2002，67-79.

［3］王堅，舒建平.深厚覆蓋層鉆進工藝研究［G］//水利水電工程鉆鑿施工技術(shù).長春：吉林科學技術(shù)出版社，2005，49-53

［4］宋宏圖.SM植物膠和SD系列金剛石鉆進工藝在深厚砂卵石層的應用［J］.探礦工程，2008，（3）：13-17.