顧立剛

(鐵道第三勘察設計集團有限公司，天津 300142)

大理至瑞麗鐵路全長350 km，由云南省大理白族自治州大理市漾濞縣、永平縣，保山市隆陽區(qū)、龍陵縣，德宏傣族景頗族自治州潞西市到達瑞麗市。是我國《中長期鐵路網規(guī)劃》中完善路網布局和西部開發(fā)性新線項目，也是我國西南進出境通道(泛亞鐵路)之一的中緬國際鐵路通道的重要組成部分。該項目投資147億元，按國鐵Ⅰ級單線、電氣化鐵路標準修建，設計目標速度140 km/h，其中隧道總長占線路全長的66.8%。

福星隧道進口為大瑞鐵路的起點大理站，出口為西洱河特大橋，隧道全長5 100m，設計洞高9m，洞寬5.5m。

大瑞鐵路的建成將對云南省經濟社會發(fā)展，開發(fā)滇西礦產及旅游資源，打通我國通往印度洋周邊國家的陸地大通道，加快連接中國、東南亞、南亞三大市場的獨特區(qū)位優(yōu)勢，改變云南處于全國綜合交通運輸體系末梢的狀況，奠定云南成為我國面向東南亞、南亞對外開放的樞紐地位，提升云南在全國的經濟地位具有重大戰(zhàn)略意義。

1 大瑞線福星隧道地層概況

1.1 地質及地層條件

福星隧道地處橫斷山脈西段點蒼山以西(大理州下關市西南邊)，山脈多呈北西走向，地勢呈西高東低。將軍廟以西是區(qū)內最高點，海拔高程為2 780.0m，測區(qū)西南邊的西洱河是區(qū)內最低點，海拔高程為1 960.0m，相對高差約800m。地形西南高東北低，屬高原構造剝蝕中低山地貌。

區(qū)內地層:上部為侏羅系上統壩注路組砂巖夾泥巖，下部是下元古界溝頭箐巖群黃龍?zhí)稁r組片巖、變質砂巖。溝谷發(fā)育，切割較深。主要河流有西洱河，溝谷有向陽箐、金星河等，西洱河呈南西向穿越測區(qū)。區(qū)內斜坡地表大部分植被發(fā)育，僅在村鎮(zhèn)附近有部分旱地。

在測區(qū)中部海拔1 960～2 030m高程附近，有大保高速及楚大高速通過，大理—漾濞老320國道由東而西橫穿測區(qū)，交通方便。主要巖石物理性質如表1所示。

1.2 地層穩(wěn)定性及影響鉆進因素

(1)第四系及不穩(wěn)定地層

由此可見，由式(13)可對權值進行調整和計算。采用NeuroSolutions 7.1.0.0軟件建立BP人工神經網絡的天然氣中重組分不利影響預測模型。

上部基巖為砂巖夾泥巖，紫紅、灰綠、褐黃色等，細—粗粒結構，薄—中厚層狀，節(jié)理發(fā)育。強風化層厚30～70m，巖石破碎，鉆進過程中，常導致孔壁坍塌、掉塊、縮徑，取芯困難。

表1 主要巖石物理機械性質

下部基巖主要為片巖及變質砂巖，深灰色、灰綠色夾紫紅色，片巖片理很發(fā)育，片狀、砂狀，性脆，受構造影響，巖體完整性及穩(wěn)定性差(受外力作用后，巖芯呈片狀、砂狀)，取芯困難。變質砂巖受構造影響，巖芯呈塊狀、短柱狀。

黃龍?zhí)稁r組地層鉆進過程中，常導致孔壁坍塌、掉塊、超徑、埋鉆、斷鉆事故。

(2)斷層破碎帶

測段屬漾江中生代褶斷區(qū)之洱海深(大)斷裂西側，受區(qū)域構造影響，區(qū)內次級斷層及褶皺構造較發(fā)育，次級斷層有深長村斷層、天生橋斷層和西洱河斷層。斷層破碎帶較寬，巖性主要為構造角礫巖，膠結較差，巖芯破碎，常發(fā)生卡鉆、埋鉆事故。

2 鉆進方法和鉆孔結構

根據福星隧道地層特點，第四系和強風砂泥巖地層必須采用與該地層相適應的泥漿護壁，保證成孔順利為前提，采用φ150 mm合金鉆過第四系進入強風化地層，下入井管。改用φ150 mmPDC復合片鉆頭鉆進穿過強風化地層后下入技術套管φ146 mm護壁，改用PQ(122 mm)金剛石繩索取芯鉆進至相對完整巖層或穿透斷層破碎帶后，下入PQ鉆桿留作護壁管，改用HQ(96 mm)金剛石繩索取芯鉆進至終孔，留NQ(76 mm)口徑作為儲備，鉆孔結構及井管程序如圖1。

3 不同孔段鉆井液的配置與使用

根據地層情況和鉆進工藝，所配置的鉆井液應具有攜帶和懸浮巖屑、潤滑鉆具、穩(wěn)定孔壁、平衡地層壓力等功能，防止孔壁垮塌、掉塊、縮徑現象發(fā)生。

3.1 砂泥巖地層漿液配方

可選用較為廉價的無固相沖洗液或不分散低固相泥漿，鉆井液中加少量KCI。KCI的作用主要是抑制砂泥巖的水化膨脹，防止孔壁縮徑。

圖1 鉆孔結構

性能要求:密度1～1.02 g/cm3;漏斗黏度17～18 s;表觀黏度2～4 MPa·s;流性指數n值0.8～1.0;失水量保持0.69 MPa壓差。對于泥漿≤15 mL/30 min，對于無固相聚合物沖洗液，可以是全失水，但巖樣浸泡時間應比泥漿長;pH值8.5～9。

1號低固相配方:

黏土(20～25 kg)+碳酸鈉(0.3～0.6 kg)+Na－CMC(2～3 kg)+KP共聚物(4 kg)+水解聚丙烯酰胺PHP(適量)

2號無固相配方如表2所示。

表2 2號無固相配方

3.2 片巖、變質砂巖地層無固相鉆井液配方

DWY－Ⅱ型無固相沖洗液:聚乙烯醇 PVA為0.5%～1.0%;PHP為0.05%～0.15%;交聯劑 －A為0.02%～0.03%;交聯劑 －B為0.08%～0.15%。高轉速鉆進時可加入乳化油作潤滑劑。

3.3 下井管前固井液配置

鈉土(20～25 kg)+廣譜護壁劑GSP(4～6 kg)+植物膠SD－2(3～5 kg)+Na－CMC(3 kg)+KP共聚物(4 kg)。

固井液性能:

密度為1.1～1.18 kg/L;失水量6～8 mL/30 min;黏度:30～33 s;pH值8～9。

3.4 鉆井液配置應注意事項

(1)鉆井液處理劑必須采用分別溶解，分別水化，攪拌均勻，按照先無機物后有機物，先小分子量后大分子量的順序依次加入。

(2)黏土的水化:在容器中先加入清水，在攪拌過程中逐步加入鈉土攪勻，擺放浸泡5 h待用。

(3)植物膠的溶解:容器中先加入清水，再加入一定量的NaOH控制水中的高價離子，促進植物膠溶解。加入植物膠后攪拌均勻，擺放5 h再加入泥漿中。

(4)交聯劑A、B分別使用容器溶解備用。

(5)水解聚丙烯酰胺:將 HPH粉末按水解度30%、濃度0.8%配置成液體。使用時從井口回漿處緩慢滴加，總量控制在0.2～0.5 kg/m3，過多會導致鉆井液水解分離。

水解聚丙烯酰胺作用是對鉆井液進行選擇性絮凝，使鉆屑和劣質土絮凝沉淀、排除，從而維護鉆井液的性能。

(6)聚乙烯醇:容器中先加入清水，再加入聚乙烯醇后攪拌攪勻，待其溶解。

3.5 鉆井液的維護

根據調整的目的和要求，確定調整方案。如泥漿因固相含量高而引起黏度、切力增高，可選取加入低固相泥漿或加水和降失水劑的調整方案。

按調整方案進行調整試驗。取一定量(常取1 L)的沖洗液，加劑處理和測試性能，直到性能達到要求時，得出處理1 L原漿需要各處理劑的加量，再計算需調整性能的沖洗液量和所需處理劑量。

4 井管護壁

鉆進過程中一般使用上述漿液配方均能得到較好的效果，但遇斷層破碎帶時，因裂隙發(fā)育，鉆井液漏失嚴重，堵漏難度較大，漏失以后給上部采用泥漿護壁孔段的穩(wěn)定性影響很大，所以鉆進至斷層破碎帶地層后，下入井管護壁隔離是最好的辦法。

井管下入后，該段相對密封，孔壁得不到鉆井液補充，施工一段時間后，原存入井管與孔壁中的鉆井液會變化和遺失，成為空隙，失去壓力平衡。鉆進時鉆桿柱對井管的震動和敲擊會同時震動孔壁，造成井壁垮塌，夾包井管，終孔后套管起拔困難。

井管護壁可靠，效果好，但起拔井管難度較大，常常造成大量套管遺留孔內，成本較高。解決辦法有:

①對下入井管相對密封段用原配方的漿液通過圖1中的2補漿管進行回補，保持該孔段壓力平衡。

②采用提動循環(huán)法，調整鉆井液性能，保持漿液暢通，形成膠液體。用主動鉆桿對上井管8，使管靴U型圈10上升0.4m，開動泥漿泵循環(huán)漿液，每72 h循環(huán)一次，每次15～20 min。

5 低固相泥漿與井壁應用效果

該隧道共施工鉆孔4孔，2孔采用清水鉆進，2孔應用低固相泥漿與井管護壁工藝方法。在解決破碎地層及斷層破碎帶鉆進過程中，低固相泥漿與井管護壁工藝方法與使用清水鉆進套管護壁相比，具有臺效高、事故率低、井管損耗小、成本低、經濟效益高等特點。特別是DWY－Ⅱ型無固相沖洗液具有很強的膠結巖石性能，解決了繩索取芯鉆進曾無法通過的坍、掉、漏地層的鉆進護壁與取芯問題。在坍、漏層交替出現的鉆孔中，用該沖洗液鉆過坍塌層后，下入套管護壁再鉆進，能順利鉆完鉆孔，巖芯采取率由不足50%提高到95%以上。

福星隧道各孔經濟、技術指標見表3。

表3 福星隧道鉆孔主要經濟技術指標對比

6 結束語

沖洗液性能是解決復雜地層鉆進成孔的關鍵因素。

鉆孔結構要選擇合理，根據該隧道地層特點，斷層破碎帶較厚，下入套管后，改用PQ、HQ繩索取芯鉆進方法，是解決上部破碎地層成孔的關鍵。

多級套管護壁能提高成孔率，但回收風險高。利用提動循環(huán)法，保證了套管回收率，降低了施工成本。

［1］中鐵第一勘察設計院集團有限公司．鐵路工程地質手冊［M］．北京:中國鐵道出版社，2007

［2］TB10014—98 鐵路工程地質鉆探規(guī)程［S］

［3］馬洪偉．碎石類土地層鉆探的鉆進方法［J］．鐵道勘察，2012(5):49－50

［4］GB50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范［S］