張建國(guó) 張文新

(1.中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133；2.中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽(yáng) 471009)

地質(zhì)鉆探中沖孔與護(hù)壁堵漏技術(shù)簡(jiǎn)要論述

張建國(guó)1張文新2

(1.中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133；2.中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽(yáng) 471009)

沖洗鉆孔的目的是利用沖洗液較強(qiáng)的攜帶能力以及速度將鉆頭切削下來(lái)的巖石碎屑、巖石碎塊攜帶至鉆孔外，同時(shí)利用沖洗液對(duì)鉆頭降溫，避免燒毀鉆頭和保持鉆頭性能穩(wěn)定。常用的沖洗鉆孔的循環(huán)方式有正循環(huán)沖孔法、反循環(huán)沖孔法、局部反循環(huán)沖孔法、沖洗液內(nèi)循環(huán)法。護(hù)壁堵漏是保證鉆孔孔壁穩(wěn)定和沖洗液正常循環(huán)，確保鉆進(jìn)正常進(jìn)行的必要條件。

沖孔 沖洗液 正循環(huán)沖孔法 反循環(huán)沖孔法 局部反循環(huán)沖孔法 沖洗液內(nèi)循環(huán)法護(hù)壁堵漏

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展以及隧道施工技術(shù)的巨大進(jìn)步，特長(zhǎng)隧道在鐵路、高速公路、水利建設(shè)等基礎(chǔ)建設(shè)中的存在已經(jīng)是司空見(jiàn)慣。特長(zhǎng)隧道埋深都較大，一般在800～2 000 m，個(gè)別隧道埋深甚至超過(guò)3 000 m，精確進(jìn)行隧道地質(zhì)勘察已成為隧道設(shè)計(jì)、施工的前題。地表踏勘、物探等手段不能準(zhǔn)確反映擬建隧道的真實(shí)地質(zhì)及水文地質(zhì)等情況，地質(zhì)鉆探能有效彌補(bǔ)踏勘、物探不能實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)目的，準(zhǔn)確直觀反映擬建隧道地質(zhì)巖性類別、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)等情況。然而地質(zhì)鉆探技術(shù)復(fù)雜，受制約因素較多，諸如巖石破碎程度、巖石強(qiáng)度、地下水位、深度，以及機(jī)械設(shè)備等都將嚴(yán)重制約地質(zhì)鉆探工作的成敗，其中地質(zhì)鉆探中的沖孔與護(hù)壁堵漏技術(shù)是地質(zhì)鉆孔成敗的最直接、甚至致命的原因，正確選擇沖孔技術(shù)、沖洗液材料與護(hù)壁堵漏技術(shù)是地質(zhì)鉆探工作必須慎重選擇且不可繞過(guò)的首要工作。

1 沖孔與護(hù)壁堵漏的意義與目的

沖洗鉆孔是地質(zhì)鉆探施工過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭不斷切削、破碎巖石，產(chǎn)生大量巖粉與巖石碎塊，同時(shí)鉆頭與巖石之間的摩擦?xí)a(chǎn)生大量熱量，如果此時(shí)不能將鉆頭切削產(chǎn)生的巖屑、巖塊送到鉆孔外，會(huì)造成鉆頭再次對(duì)巖屑、巖石碎塊進(jìn)行破碎與切削，至使功效下降，消耗增加；當(dāng)巖屑、巖石碎塊堆積到一定程度時(shí)，隨著摩擦力的增大，可能造成埋鉆事故，致使地質(zhì)鉆探工作失??；鉆頭與巖石之間的摩擦產(chǎn)生大量熱量，如果不及時(shí)進(jìn)行降溫處理，當(dāng)摩擦產(chǎn)生的熱量達(dá)到一定溫度時(shí)，會(huì)燒毀鉆頭，造成燒鉆事故。

沖孔的目的大致可以有以下幾點(diǎn)：(1)清除鉆頭切削的巖粉、巖石碎塊，提高鉆進(jìn)效率，防止埋鉆事故發(fā)生；(2)鉆頭降溫，防止燒鉆事故發(fā)生，同時(shí)防止高溫下鉆頭性能下降，提鉆進(jìn)高效率；(3)用鋼粒鉆進(jìn)時(shí)能有效對(duì)鋼粒進(jìn)行分布，提高鉆進(jìn)效率；(4)利用沖洗液的護(hù)壁功能，防止和減少塌孔、縮孔事故發(fā)生;(5)某些鉆探方式下利用沖洗介質(zhì)作為鉆具動(dòng)力，如氣動(dòng)沖擊鉆進(jìn)和液動(dòng)沖擊鉆進(jìn)就是依靠高壓沖洗液和氣體作為動(dòng)力來(lái)源的。

在地質(zhì)鉆孔過(guò)程中，由于鉆孔的形成，會(huì)在圍巖壓力等作用下造成原有巖石失去穩(wěn)定，處于不平衡狀態(tài)。若圍巖節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，隨著鉆具回轉(zhuǎn)震動(dòng)和沖洗液沖刷作用，以及鉆具提升下降造成的壓力變化，孔壁巖石常常會(huì)產(chǎn)生掉塊、坍塌現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)造成卡鉆、埋鉆事故。在軟弱巖層段或坍塌嚴(yán)重段還會(huì)造成大的空洞，使鉆桿擺動(dòng)加劇，極易發(fā)生鉆桿折斷，造成掉鉆事故，該事故處理難度非常大，常因處理不成功造成地質(zhì)鉆孔報(bào)廢。另外，在節(jié)理發(fā)育、巖體破碎段還經(jīng)常出現(xiàn)沖洗液漏失現(xiàn)象，不僅破壞了沖洗液的正常循環(huán)，還增加了沖洗液的消耗，特別在供水、供料難度大以及干旱地區(qū)，重新配置沖洗液往往需要較長(zhǎng)的等待時(shí)間。

護(hù)壁堵漏主要目的是：(1)確保圍巖壓力平衡，減少巖塊崩塌、脫落現(xiàn)象發(fā)生，減少地質(zhì)鉆孔卡鉆等事故發(fā)生；(2)防止沖洗液滲漏，保證沖洗液正常循環(huán)，間接減少地質(zhì)鉆孔埋鉆等事故發(fā)生。

2 沖孔與護(hù)壁堵漏的種類和方法

2.1 沖孔的種類和方法

(1)沖孔的種類

①氣體

即利用高壓風(fēng)將鉆頭切削下來(lái)的巖屑、巖塊帶到鉆孔外，同時(shí)利用高壓風(fēng)對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻。該種方法特點(diǎn)是鉆進(jìn)速度快，鉆孔干凈，質(zhì)量好，巖芯不受污染，不利的是將大塊巖屑碎塊攜帶出鉆孔難度大，特別是深度超過(guò)一定范圍后，容易造成卡鉆現(xiàn)象。氣體沖洗介質(zhì)主要用在干旱缺水地區(qū)、凍土層帶等施工環(huán)境中。

②液體

即用高壓水泵或?qū)Ｓ媚酀{泵將液體作為循環(huán)液，對(duì)鉆頭進(jìn)行冷卻，并將鉆頭切削下來(lái)的巖屑、巖石碎塊帶出鉆孔外。

清水：清水取材方便，價(jià)格低廉，一般作為首選。利用清水作為沖洗液還有很多有優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)省配置泥漿時(shí)間，減輕鉆具回轉(zhuǎn)阻力，減少鉆具磨損，鉆頭降溫快效果好，對(duì)環(huán)境污染幾乎忽略不計(jì)等。但也有很多缺點(diǎn)，比如攜帶巖粉、巖塊能力弱，護(hù)壁能力較差等。

泥漿：由黏土類礦物和水以及必要的添加劑(如堿等)按照一定比例攪拌而成。黏土類礦物具有很強(qiáng)的親水性能、吸附性能和分散性能，致使泥漿攜帶巖粉能力強(qiáng)，同時(shí)能在孔壁上形成具有一定厚度的泥皮，起到護(hù)壁作用。泥漿沖孔多在圍巖裂隙發(fā)育、破碎，巖體易掉塊、坍塌等松散地層中應(yīng)用。

鹽水：在含鹽量高的地層中，采用普通沖洗液容易造成含鹽巖體溶解，形成大的孔洞，同時(shí)也不便于采取巖芯和保護(hù)巖層。鹽溶類地層一般采用飽和鹽水作為地質(zhì)鉆探的沖洗液，鹽水沖洗液針對(duì)性較強(qiáng)，實(shí)際應(yīng)用范圍比較小。

乳狀液：由不相包溶的液體或乳化劑配置而成，乳狀液除具備降低鉆頭溫度的作用外，攜帶巖粉、巖塊能力較強(qiáng)，同時(shí)還能潤(rùn)滑鉆具，有一定防滲堵漏能力，一般在金剛石鉆探和裂隙不太發(fā)育地段應(yīng)用廣。

③泡沫

由發(fā)泡劑和水(或液體)組成，一般應(yīng)用在漏失嚴(yán)重地層中。

(2)沖洗鉆孔常用的方法

①正循環(huán)沖孔法

泥漿池→泥漿泵→高壓水管→鉆桿水龍頭→鉆桿→巖心管和巖心的環(huán)狀間隙→鉆頭出水口→巖心管和鉆孔孔壁環(huán)狀間隙→鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙→孔口→沉淀池→泥漿池。正循環(huán)是普遍使用的一種沖洗液循環(huán)方法，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，成本低，沖洗液上返速度小，對(duì)孔壁沖刷小，鉆孔孔壁穩(wěn)定，缺點(diǎn)是沖洗液速度小，攜帶巖粉能力差。

②反循環(huán)沖孔法

沖洗的循環(huán)路徑剛好和正循環(huán)相反，其路徑為泥漿池→泥漿泵→高壓水管→空口密封裝置→鉆桿與孔壁環(huán)狀間隙→巖心管和鉆孔孔壁環(huán)狀間隙→鉆頭出水口→巖心管和巖心的環(huán)狀間隙→鉆桿→鉆桿水龍頭→回水管→沉淀池→泥漿池。此種方法優(yōu)點(diǎn)是沖洗液上返速度高，攜帶巖粉能力強(qiáng)，可減少或避免巖芯遭鉆頭再次破碎，能提高巖芯采取率，缺點(diǎn)是孔口密封要求高，沖洗液對(duì)孔壁沖刷嚴(yán)重，鉆孔孔壁不穩(wěn)定。

③局部反循環(huán)沖孔法

線路為泥漿池→泥漿泵→高壓水管→鉆桿水龍頭→鉆桿→特制鉆具，此處后沖洗液分為兩路，一路沿粗徑鉆具與孔壁的環(huán)狀間隙向下經(jīng)鉆頭水口→巖心管和巖心的環(huán)狀間隙→特制接頭回水孔與另一路沖洗液匯合后，沿著鉆桿與鉆孔孔壁環(huán)狀間隙返回到孔口→沉淀池→泥漿池。此種沖洗液循環(huán)方法比較復(fù)雜，控制難度大，主要用在對(duì)巖芯采取率有特殊要求的地段，其他情況下不常用。

④內(nèi)循環(huán)法

線路為泥漿池→泥漿泵→高壓水管→特殊水龍頭→內(nèi)鉆桿→雙層雙動(dòng)巖心管內(nèi)管與巖芯環(huán)狀間隙→內(nèi)鉆頭→雙層雙動(dòng)巖心管與外鉆桿環(huán)狀間隙→內(nèi)鉆桿與外鉆桿環(huán)狀間隙→沉淀池→泥漿池。沖洗液內(nèi)循環(huán)法特點(diǎn)是鉆進(jìn)速度快、對(duì)地層的擾動(dòng)小，但由于該沖洗液循環(huán)法工藝獨(dú)特，設(shè)備要求復(fù)雜，另外必須與其獨(dú)特的鉆探工藝相配合才能有效實(shí)施，一般僅應(yīng)用于地下水位高的砂層、淤泥層等軟弱地層地質(zhì)鉆探中(如圖1)。

圖1 沖洗液內(nèi)循環(huán)法示意

2.2 護(hù)壁堵漏的種類和方法

(1)套管護(hù)壁

利用向孔內(nèi)下入套管來(lái)隔斷和密封漏失、坍塌、掉塊鉆孔段，確保鉆孔順利進(jìn)行，一般情況下要將套管下到超過(guò)處理段1 m以上位置。套管護(hù)壁法最為有效，但操作難度大、時(shí)間長(zhǎng)，一般只在其他措施無(wú)效情況下使用。

(2)泥漿護(hù)壁

在孔內(nèi)壓力差的作用下，泥漿中的自由水會(huì)透過(guò)地層的裂隙或孔隙而丟失，造成泥漿失水。泥漿失水的同時(shí)，黏土顆粒會(huì)被阻滯在孔壁上，形成一層薄而韌的泥皮，泥皮可以有效防止孔壁巖石坍塌、掉塊，保證孔壁的穩(wěn)定，同時(shí)也堵塞了漏失通道，從而起到護(hù)壁堵漏的目的。

(3)水泥護(hù)壁

一般采用流動(dòng)性好、凝結(jié)時(shí)間適當(dāng)、早期強(qiáng)度高以及具有較高的膠結(jié)強(qiáng)度的水泥作為沖洗液，在地質(zhì)鉆孔過(guò)程中利用水泥膠結(jié)堵塞巖層中的孔隙、裂隙、洞穴，從而達(dá)到護(hù)壁和堵塞目的。

(4)化學(xué)堵漏

利用某些化學(xué)液體在一定條件下凝固和硬化的特點(diǎn)，用化學(xué)液體替代傳統(tǒng)泥漿對(duì)松散破碎的巖石進(jìn)行填充、加固，以防止?jié)B漏，從而達(dá)到堵漏的目的。實(shí)踐中一般常用的化學(xué)液有：水泥-水玻璃、環(huán)氧樹脂等。

(5)黏土護(hù)壁堵漏

黏土多是由不同晶體結(jié)構(gòu)的黏土礦物組成的混合物，具有很強(qiáng)的黏性，護(hù)壁堵漏時(shí)，將黏土用適量的水或其他液體調(diào)和成具有塑形的軟泥并制成泥球，在表面風(fēng)干后，緩慢的投入到鉆孔內(nèi)，投入到一定量后，用鉆具搗實(shí)，搗實(shí)后再繼續(xù)投入，再搗實(shí)，如此反復(fù)直到泥球填滿需要護(hù)孔(或堵漏)的孔段后，鉆具緩慢低轉(zhuǎn)速下掃孔，將投入鉆孔內(nèi)的黏土球擠入到巖石裂隙和涂抹在孔壁上，達(dá)到護(hù)壁與堵漏目的的方法。

3 結(jié)束語(yǔ)

在地質(zhì)鉆探工作中會(huì)遇到各種各樣的地層，有些地層巖石堅(jiān)硬完整，形成的鉆孔穩(wěn)定，不需要采取特別的沖孔與護(hù)壁堵漏措施。但在復(fù)雜地層情況下，如在地層巖石松散、破碎，或具有大量的孔、縫、洞地段，形成的鉆孔孔壁會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定而發(fā)生掉塊、坍塌、縮徑以及大量沖洗液漏失等情況，從而使地質(zhì)鉆孔事故增加、效率降低、質(zhì)量達(dá)不到要求，如果處理不當(dāng)，甚至?xí)斐傻刭|(zhì)鉆孔報(bào)廢。因此，地質(zhì)鉆探工作開展前對(duì)復(fù)雜地層進(jìn)行分析研究，制定切實(shí)可行有效的沖孔與護(hù)壁堵漏技術(shù)與措施，是保證正常鉆進(jìn)，減少鉆探事故發(fā)生，提高鉆孔質(zhì)量，降低成本的一項(xiàng)重要任務(wù)。

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OverviewonBoringandWallPluggingTechnologiesinGeologicalDrilling

ZHANG Jian-guo1ZHANG Wen-xin2

2014-06-23

張建國(guó)(1978—)，2010年畢業(yè)于吉林大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工程師。

1672-7479(2014)05-0055-03

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