(陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西寶雞　721001)

1　工程概況

新建黔張常鐵路位于渝東南、鄂西南和湘西北三省交界地帶，西起重慶市黔江區(qū)，東至湖南省常德市，途徑湖北省咸豐縣、來鳳縣，湖南省龍山縣、永順縣、桑植縣、張家界市、桃源縣等七市縣，正線(雙線)全長(zhǎng)約334.3 km。

區(qū)內(nèi)地層多變，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，沿線區(qū)內(nèi)元古界至第四系地層均有出露。其中寒武系，奧陶系，二疊系，三疊系中的灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r等碳酸鹽類可溶巖大面積分布，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育。

黔江至桃源縣牛車河段，可溶巖分布較廣泛，沿線三疊系嘉陵江組、大冶組，二迭系下統(tǒng)和奧陶系下統(tǒng)可溶巖為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，其形態(tài)主要表現(xiàn)為大型漏斗、落水洞、巖溶洼地、井泉暗河密布，在斷裂帶及褶皺軸部等地下水交替循環(huán)強(qiáng)烈部位表現(xiàn)尤為強(qiáng)烈，部分地段表現(xiàn)為暗河管網(wǎng)。寒武系，奧陶系中下統(tǒng)薄層灰?guī)r及厚層白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r地段為巖溶中等發(fā)育區(qū)，局部發(fā)育有溶洞、溶槽、小型漏斗、巖溶井泉等；二迭系上統(tǒng)為薄層灰?guī)r，中厚層白云巖、泥灰?guī)r等，三疊系中統(tǒng)部分地段巖溶弱發(fā)育區(qū)，主要表現(xiàn)為溶蝕裂隙、溶孔及小型溶洞現(xiàn)象。

巖溶發(fā)育較為集中有九段：阿蓬江右岸、咸豐至與來鳳交界處、龍山縣東部茨巖塘及猛必鄉(xiāng)一帶、永順縣四十八牛頭包、桑植縣上洞街鄉(xiāng)、桑植縣臥云界—利福塔—桑植縣、張家界市教子埡鎮(zhèn)、張家界西站澧水河兩岸、桃源縣牛車河鄉(xiāng)真龍橋村。地表巖溶現(xiàn)象明顯，一般表現(xiàn)為巖溶峰叢地貌，發(fā)育溶洞、溶芽、溶槽、巖溶洼地、巖溶漏斗等，巖溶峰叢基座底部泉水、暗河均有發(fā)育。

石板鋪隧道位于咸豐縣境內(nèi)，該隧道的CSZ-1號(hào)深孔的里程為CK030+923左476 m，設(shè)計(jì)孔深140 m。

2　鉆探在巖溶地區(qū)勘察工作中的重要性

巖溶對(duì)鐵路工程的影響和危害包括三個(gè)方面：一是隱伏巖溶洞穴對(duì)建筑物基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響；二是巖溶涌水對(duì)地下工程造成危害，或因排泄不暢，形成地面積水、冒水，對(duì)路基和其他地面工程造成危害；三是巖溶地面塌陷，它是巖溶地區(qū)路基地段普遍而又具災(zāi)難性的威脅。因此，巖溶區(qū)的隧道工程需防止涌水、突水、突泥，隧道基底巖溶嚴(yán)重地段需注漿整治。勘察階段需要借助各種勘探手段進(jìn)行巖溶分布的普查工作，鉆探是其中最為直觀、也最為有效的勘探手段，工程鉆探的要求不同金屬礦產(chǎn)勘查和煤田勘查。鐵路工程鉆探對(duì)鉆孔要求非常高，孔徑要求必須滿足綜合測(cè)試要求，最小孔徑不能小于100 mm，否則水文抽水測(cè)試、物探測(cè)井無法完成，鉆探必須采取全孔取芯，才能揭示巖溶地質(zhì)情況。

石板鋪隧道CSZ-1號(hào)深孔鉆探的目的就是查明石板鋪隧道區(qū)灰?guī)r的巖溶發(fā)育程度、工程地質(zhì)與水位地質(zhì)特征。同時(shí)在孔內(nèi)進(jìn)行綜合地質(zhì)測(cè)試，獲取大量工程地質(zhì)和水文地質(zhì)各種參數(shù)，為隧道工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3　鉆孔地層及巖溶發(fā)育情況

CSZ-1號(hào)深孔于2010年3月21日開鉆，2010年4月28日終孔，實(shí)際孔深140.50 m。鉆探過程中揭示的地層情況及巖溶發(fā)育情況如表1所示。

表1　CSZ-1號(hào)孔地層及巖溶發(fā)育情況

4　巖溶區(qū)鉆探工藝比選

根據(jù)鉆孔揭示的地層反映，該鉆孔在鉆探過程中遇到的是串珠式溶洞，也就是鉆穿一個(gè)溶洞后再次遇到一個(gè)溶洞，溶洞與溶洞之間有一定厚度的巖層隔板，這種類型的溶洞是鉆探作業(yè)中最難通過的。為能順利通過巖溶區(qū)，并一定程度地提高鉆探效率，根據(jù)設(shè)備現(xiàn)狀對(duì)幾種常用的巖溶區(qū)鉆探方法進(jìn)行了分析對(duì)比。

巖溶地區(qū)鉆探工藝方法分為三種：

①采用套管對(duì)溶洞進(jìn)行封堵隔離。

②用堵漏材料對(duì)溶洞進(jìn)行封堵。

③用清水進(jìn)行頂漏鉆進(jìn)。

套管隔離法是被廣泛應(yīng)用的一種溶洞隔離方法，該方法操作簡(jiǎn)便，堵漏效果好，但勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

用堵漏材料封堵溶洞往往是一種永久性堵漏方法。所用的堵漏材料包括黏土、水泥-水玻璃等。當(dāng)使用黏土堵漏時(shí)，通常情況下用的是鉆探現(xiàn)場(chǎng)的膨潤(rùn)土，如果當(dāng)?shù)赜泻傲啃〉募t黏土，也可以采用。具體的操作方法：在黏土中加入適量的水(如果是紅黏土，則在加入水之前應(yīng)先將土塊粉碎)，然后手工搓成黏土球，從孔口投入。用測(cè)鐘測(cè)量孔內(nèi)黏土球的堆放高度，當(dāng)其高出溶洞頂板深度約1.0 m(如果溶洞較大，則此堆放高度也應(yīng)該加大)時(shí)，則可以在孔內(nèi)下入粗徑鉆具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)擠壓。在擠壓過程中，粗徑鉆具底端的鉆頭應(yīng)該換成與上端相同的異徑接頭，且該異徑接頭的中心孔應(yīng)用短木棒堵塞。操作中采取低壓滿轉(zhuǎn)的方式，待鉆具穿透溶洞到達(dá)孔底后就可提鉆。

水泥-水玻璃堵漏：如果使用普通水泥，其凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，為了縮短凝結(jié)時(shí)間，同時(shí)也為了減少水泥的耗損量，一般都在水泥漿的攪拌過程中引入速凝劑。速凝劑的品種繁多，水玻璃是一種常用的、較好的速凝劑。在水泥中加入2%～3%的水玻璃，凝結(jié)時(shí)間可縮短30%～40%。由于較高波美度的水玻璃加入水泥漿中后稠化會(huì)加快，易造成泵送堵塞事故，所以選擇30～45波美度的水玻璃比較合適。在溶洞堵漏時(shí)要求注漿液具有結(jié)石強(qiáng)度高、可灌性好、抗?jié)B透的特點(diǎn)，且要快速凝結(jié)，所以通常選擇水泥-水玻璃注漿液。漿液通過現(xiàn)場(chǎng)泥漿泵和鉆具被送人溶洞部位，漿液量無法人為控制，但可通過測(cè)量孔內(nèi)漿液面來決定是否結(jié)束注漿工作(巖溶區(qū)鉆孔一般因漏失嚴(yán)重而在注漿作業(yè)開始前為“干孔”)。

清水頂漏鉆進(jìn)：當(dāng)鉆進(jìn)過程中遇到溶洞時(shí)，孔內(nèi)出現(xiàn)不返水現(xiàn)象，此時(shí)，不對(duì)溶洞采取任何隔離堵漏措施，不斷往孔內(nèi)送入清水，持續(xù)進(jìn)行鉆探工作。該方法節(jié)省了隔離堵漏造成的大量輔助時(shí)間，但對(duì)鉆探現(xiàn)場(chǎng)的供水提出了很高的要求，即要求現(xiàn)場(chǎng)存在水源或通過一段供水管路可以將附近水源的水引到現(xiàn)場(chǎng)。該方法采用的是清水鉆進(jìn)，與泥漿相比其攜帶巖粉的能力下降，特別是當(dāng)攜帶巖粉的清水從孔底上升到巖芯管上端時(shí)，由于鉆具的外環(huán)狀空間增大，液體流速下降，粗顆粒巖屑在自重作用下開始下降，一部分落入孔底造成重復(fù)破碎，一部分粘貼在巖芯管外側(cè)，增加了鉆具旋轉(zhuǎn)的摩擦力，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致卡鉆事故。正是基于該方面原因，清水頂漏鉆進(jìn)一般需要在巖芯管上部加裝一個(gè)取粉管。考慮到同心度的要求，巖芯管的異徑接頭需要帶有可連接取粉管的絲扣(可從鉆探管材生產(chǎn)廠商獲得)。

CSZ-1號(hào)鉆孔是石板鋪隧道初測(cè)階段的唯一鉆孔，該孔的鉆探目的不僅是要揭示隧道洞身部位的巖性和巖溶發(fā)育情況，還要在孔內(nèi)完成一系列的水文和物探綜合測(cè)井工作。為不影響測(cè)試成果的準(zhǔn)確性，不能對(duì)溶洞進(jìn)行永久性堵漏。為了順利完成該孔且保證勘探質(zhì)量，需采取套管封堵和清水頂進(jìn)兩種方法配合方可完成勘探工作。

5　工藝方案實(shí)施

從孔深18.40 m開始，灰?guī)r已存在溶蝕現(xiàn)象，孔內(nèi)開始出現(xiàn)嚴(yán)重漏漿現(xiàn)象，當(dāng)鉆至19.50 m時(shí)，孔內(nèi)下入φ146 mm套管，之后換徑φ130 mm鉆頭及配套粗徑鉆具鉆進(jìn)。在鉆遇26.7～28.7 m的溶洞充填物時(shí)，孔口已經(jīng)不返漿，也就是從泥漿泵送入孔內(nèi)的泥漿已經(jīng)全部漏失。在穿透該溶洞后，由于其下部的溶洞未能預(yù)測(cè)，而鉆探現(xiàn)場(chǎng)水資源缺乏，于是在孔深29 m下入φ127 mm套管，之后換徑φ110 mm鉆頭及配套粗徑鉆具鉆進(jìn)，并進(jìn)行泥漿正循環(huán)。當(dāng)鉆至29.4 m時(shí)再次遇到溶洞，孔內(nèi)泥漿全部漏失，這時(shí)如果繼續(xù)采取套管隔離，就要下入φ108 mm套管，并換徑φ91 mm。按此方法，若其下再出現(xiàn)幾個(gè)溶洞，那么經(jīng)過變徑后就無法繼續(xù)鉆探作業(yè)，于是干鉆穿透29.4～32 m的溶洞充填物后，底板采取清水頂漏鉆進(jìn)。在孔深34.5 m又遇溶洞，干鉆穿透溶洞后，清水清水頂漏鉆進(jìn)至孔深37.4 m，因現(xiàn)場(chǎng)水量不足，將φ127 mm套管拔出，用φ130 mm鉆頭及配套粗徑鉆具從29 m擴(kuò)孔至37.4 m，再次將φ127套管下入到37.4 m，之后采用清水正循環(huán)鉆進(jìn)。

鉆孔所在區(qū)域淺層巖溶大面積發(fā)育，造成地表水漏失，現(xiàn)場(chǎng)缺少水源，鉆探用水需用車輛從4 km以外地方運(yùn)回，每運(yùn)回一趟水需花費(fèi)數(shù)小時(shí)的時(shí)間，不僅用水成本高，而且每天儲(chǔ)存的水量無法滿足生產(chǎn)需求?；谠摲矫嬖?，該孔采取了清水頂漏鉆進(jìn)與套管封堵隔離交差鉆進(jìn)工藝方法。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)水量不足時(shí)，孔內(nèi)擴(kuò)孔下入相應(yīng)直徑的套管進(jìn)行鉆進(jìn)，當(dāng)儲(chǔ)水量充分時(shí)則進(jìn)行清水頂漏鉆進(jìn)。

通過這兩種巖溶區(qū)鉆探方法的結(jié)合，順利地完成了該鉆孔，而且保證了后續(xù)的水文及物探綜合測(cè)井工作。相比單獨(dú)采用一種方法，減少了停鉆等水以及多次起拔和下放套管所造成的輔助時(shí)間，提高了鉆探效率。

6　結(jié)論

(1)黔張常石板鋪隧道典型巖溶區(qū)CSZ-1號(hào)鉆孔的鉆探工藝實(shí)施，對(duì)以后實(shí)施類似鉆孔有很好的借鑒意義，其主要是不破壞原有地質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠真實(shí)揭示地下巖溶地質(zhì)概況，為設(shè)計(jì)提供可靠完整的原始數(shù)據(jù)，同時(shí)避免了采用一種方法而存在的局限性。

(2)雖然通過采用兩種常用的巖溶區(qū)鉆探方法完成了CSZ-1號(hào)鉆孔，但卻耗費(fèi)了大量的人力和物力，經(jīng)濟(jì)效益差。近年礦產(chǎn)勘探部門在干旱缺水地區(qū)常采用空氣鉆進(jìn)和泡沫鉆進(jìn)，而且已經(jīng)發(fā)展成為成熟的工藝，如果將其中一種鉆探工藝引進(jìn)到鐵路巖溶區(qū)的工程地質(zhì)鉆探(特別是深孔鉆探)中，可避免因永久堵漏造成的綜合測(cè)井偏差，且可極大地提高工作效率。

[1]王鳳華.巖溶地區(qū)橋基勘察鉆探事故的處理方法[J].資源環(huán)境與工程，2006(3)

[2]《鐵路鉆探技術(shù)手冊(cè)》編委會(huì).鐵路鉆探技術(shù)手冊(cè)[M].北京:人民鐵道出版社，1978