秦 沛

(北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院，北京101500)

近年來，為加強北京地區(qū)地應(yīng)力的監(jiān)測，中國地質(zhì)科學院開展了北京地區(qū)深孔地應(yīng)力綜合觀測試驗深孔鉆探施工。我院承擔了位于北京市密云縣園林東路1號的地應(yīng)力監(jiān)測孔的鉆探施工任務(wù)。

1 工程概況

1．1 施工目的

本工程是中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所主持的國土資源部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目“重要地區(qū)地應(yīng)力測量與監(jiān)測及構(gòu)造應(yīng)力場綜合研究”項目的鉆探工程，目的是建立北京地區(qū)深孔地應(yīng)力綜合觀測試驗站，開展系統(tǒng)的地應(yīng)力監(jiān)測工作。

1．2 鉆孔設(shè)計及技術(shù)要求

1．2．1 鉆孔設(shè)計

根據(jù)中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所的要求和鉆孔深度、地層情況，確定鉆進的方法和結(jié)構(gòu)。

因開孔為第四系地層，主要是粘性土、砂層和卵石層，屬較軟—稍硬地層，易坍塌、孔斜、漏水，且不取心，故采用152/200 mm空氣潛孔錘跟183 mm套管鉆進至完整基巖(或甲方要求深度)，水泥封固后分別采用150 mm金剛石單管取心鉆具、130 mm金剛石普通雙管取心鉆具鉆進至預(yù)計孔深，下入114 mm技術(shù)套管后換S96金剛石繩索取心鉆進至設(shè)計孔深。然后提出114 mm技術(shù)套管，用130 mm擴孔鉆具根據(jù)地層完整程度進行擴孔。

1．2．2 技術(shù)要求

(1)第四系可不取心，基巖地層平均取心率≥95%。

(2)鉆孔垂直度偏差≤0.5°/100 m，可以累計計算。

(3)鉆孔換徑施工時保證其同心度。

(4)取出的巖心，應(yīng)自上而下、自左至右按次序排列并及時整理、裝箱、編號、不得丟失。按要求存放并做好記錄，及時移交，以便取樣和保存，為地應(yīng)力測量和監(jiān)測選擇深度提供可靠資料。

(5)鉆進過程中可以使用清水或泥漿作為循環(huán)液，盡可能減少潤滑劑等處理劑的使用;鉆進結(jié)束后，清洗孔壁和孔底，孔底巖粉厚度≤0.2 m/100 m。

(6)終孔后，采用孔口板對孔口進行封堵。

(7)按要求配合甲方進行相應(yīng)試驗。

1．3 場地條件

場地位于北京市密云縣園林東路1號，密云縣城西南2 km，潮白河交匯口上游2.5 km，地形平坦。受潮白河古河道變遷的沖洪積作用及人類工程活動等多種作用影響，形成廣泛的沖洪積地貌。場地北有101國道，南有京承高速路，交通便捷。因位于我院院內(nèi)，水、電及場地都比較方便，采用市政用水及市電施工。

1．4 地層情況

鉆探揭露主要地層是:0～37 m為第四系地層，主要是回填土、砂層和卵石層，屬較軟—稍硬地層，巖石可鉆性級別為2～6級，易坍塌、孔斜、漏水;

37～1003m為以角閃二輝片麻巖和石榴黑云輝石片麻巖為主的完整地層，風化裂隙發(fā)育程度隨深度增加而減弱，富水性較差，中硬—硬，巖石可鉆性為6～9級，較完整，易于取心，但巖石較硬，擴孔鉆進效率較低。

2 鉆探工藝技術(shù)

2．1 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)地層情況及甲方要求，確定鉆孔結(jié)構(gòu)為:第四系地層(0～37.73 m)采用了152/200 mm空氣潛孔錘跟183 mm套管鉆進，水灰比0.5的 PO．32．5水泥漿封固;換150 mm金剛石單管鉆進至103.46 m，并下入146 mm套管，以水灰比0.5的PO．32．5水泥漿封固;再采用130 mm(小眼導正)金剛石普通雙管鉆進至104.10 m，下入114 mm技術(shù)(活動)套管;換S96金剛石繩索取心鉆進至終孔。進行應(yīng)力波測試與水壓致裂實驗后提出114 mm技術(shù)套管，用130 mm擴孔至425.42 m后下入儀器，詳見圖1。

2．2 施工工藝

圖1 鉆孔孔身結(jié)構(gòu)示意圖

第四系地層主要由粘性土、砂層和卵石層組成且不要求取心，泥漿回轉(zhuǎn)鉆進效率低，易坍塌、孔斜、漏水。故開孔采用152/200 mm空氣潛孔錘同心跟管鉆進?；鶐r地層為了提高鉆探效率，保證鉆孔質(zhì)量，分別采用了150 mm金剛石單管取心鉆具、130 mm普通雙管取心鉆具及S96繩索取心鉆進。

2．3 沖洗液選擇

為保證監(jiān)測儀器與孔壁有效接觸，防止泥漿對地層影響，應(yīng)盡量使用單一的沖洗液。結(jié)合地層情況，沖洗介質(zhì)為:第四系空氣潛孔錘鉆進，以空氣為循環(huán)介質(zhì);150 mm金剛石單管取心鉆進以清水鉆進施工;130 mm金剛石普通雙管取心鉆進，為保證孔壁穩(wěn)定，防止坍塌，使用優(yōu)質(zhì)粘土泥漿。其配方及性能見表1;S96金剛石繩索取心鉆進采用清水加皂化液鉆進，既能潤滑鉆具、冷卻鉆頭、攜帶巖粉、保證金剛石自銳出刃，又能節(jié)省鉆探成本。

表1 優(yōu)質(zhì)粘土泥漿配比及性能

3 鉆孔技術(shù)質(zhì)量保證措施

與一般固體礦產(chǎn)巖心鉆探相比，本孔質(zhì)量要求，一是取心率高，二是孔斜要求嚴，三是對沖洗液規(guī)定嚴。另外，由于擴孔深、口徑大，對孔斜及施工安全有較大的影響。為此，采取以下措施。

3．1 保證巖心采取率措施

(1)S96鉆具下入孔內(nèi)之前應(yīng)檢查調(diào)整以下配合間隙:繩索取心鉆具的彈卡與彈卡擋頭的頂面間隙、卡簧座與鉆頭內(nèi)臺階之間應(yīng)保持最優(yōu)間隙、卡簧內(nèi)徑和鉆頭內(nèi)徑的配合。

(2)S96繩取內(nèi)管總成投入孔內(nèi)前應(yīng)將所有絲扣擰緊，尤其是內(nèi)管接頭與內(nèi)管、內(nèi)管與卡簧座的連接螺紋及內(nèi)管總成長度調(diào)節(jié)絲扣的鎖母。防止倒扣造成內(nèi)管總成打撈失靈。

(3)S96每回次打撈出內(nèi)管總成后應(yīng)檢查彈卡的靈活性和內(nèi)管總成的單動性。

(4)S96要避免打“單管”現(xiàn)象。

(6)通過逐步探索，正確掌握各種鉆進工藝取心操作技術(shù)。

3．2 防斜措施

(1)開鉆前必須對設(shè)備安裝質(zhì)量進行檢查、驗收，鉆機安裝要水平、周整，固定牢固，鉆機鉆塔要對正，天車、游動滑車、立軸中心三點一線，鉆進過程中經(jīng)常檢查鉆機的水平情況和主動鉆桿的重直度，一但發(fā)現(xiàn)偏差，立即糾正。頂角誤差≤0°20'。

(2)潛孔錘鉆進時必須及時提動吹渣，壓力不應(yīng)＞12 kN。

(3)鉆進時，應(yīng)盡量采用剛、長、直的鉆具滿眼鉆進。

(4)換徑鉆進時，要選用鋒利的鉆頭，主動鉆桿不得有偏擺，轉(zhuǎn)速要低，壓力要均勻，并應(yīng)隨鉆孔加深而逐步加長巖心管，正常鉆進的粗徑鉆具不得短于6 m，而且要直。

(5)鉆進過程中，當?shù)貙佑绍涀冇矔r，應(yīng)采用慢速低壓鉆進。

圖2 換徑鉆進孔徑示意

(7)擴孔時帶內(nèi)扶正器，換徑時帶外扶正器。粗徑鉆具用綜合式異徑接頭連接，中心線一致。換徑導正管≥6 m，第一回次小徑巖心≤1 m。

(8)及時測斜，每50 m測斜一次，換徑等特殊情況下及時測斜。

3．3 做好原始記錄的措施

原始報表包括:鉆探班報表(含簡易水文觀測記錄表)、交接班記錄表。各班必須指定專人在現(xiàn)場用鋼筆及時填寫原始報表，要做到真實、齊全、準確、整潔。有以下幾點措施:

(1)記錄員應(yīng)在現(xiàn)場認真、及時地填寫好各項數(shù)據(jù)，不允許下班后追記、補記。

(2)班長、機長(或綜合記錄員)要每天校對原始記錄，發(fā)現(xiàn)錯誤要及時修正，無誤后簽字自存并定期移交統(tǒng)計部門保存。

(3)按相關(guān)技術(shù)標準存放巖心并做相應(yīng)的記錄(如巖性鑒定、RQD詳細統(tǒng)計等)。

3．4 保證封孔質(zhì)量的措施

(1)必須經(jīng)甲方核實同意后，方可封孔。

(2)使用泥漿做沖洗液的時候，應(yīng)該自下而上清洗封閉孔段壁上的泥皮。

(3)封孔前必須準確掌握封閉段孔深及隔離塞(架橋)的位置，正確選用架橋材料，并將其固定牢靠。

(4)必須用清水將水泥攪拌均勻，水灰比應(yīng)＜0.5。

(5)可視情況采用泵送、導管注入或注送器注入水泥漿的方法，水泥漿出口距隔離位置的距離應(yīng)＜0.5 m。

(6)注漿過程不要中斷，封閉長度在5 m以內(nèi)時不得提動鉆具;水泥漿灌注完畢，要準確掌握替漿的清水用量，不得過多。

(7)本孔以技術(shù)(活動)套管護壁，應(yīng)先封好套管下部各封閉段后再起拔套管。

3．5 保證地應(yīng)力測量與監(jiān)測措施

(1)做好相關(guān)準備，及時解決現(xiàn)場施工和配合過程中出現(xiàn)的問題。主要是:按要求準備單根長度＞4 m、耐高壓且密封性好的50或42 mm鉆桿，用于水壓致裂地應(yīng)力測量;提供現(xiàn)場試驗工作用水和380 V、功率≮20 kW的動力電源;現(xiàn)場滿足每臺班不少于5人配合工作，主要負責控制鉆機通過鉆桿升降井下測量設(shè)備。主要技術(shù)人員必須熟練和平穩(wěn)地操作鉆機，安全、準確地把測量和監(jiān)測儀器放置到要求的深度，配合甲方工作時要服從甲方安排。

(3)終孔后，開展水壓致裂原地應(yīng)力測量，同時以鉆機進行現(xiàn)場試驗配合工作。

(5)按相關(guān)技術(shù)標準存放巖心并做相應(yīng)的記錄(如巖性鑒定、RQD值詳細統(tǒng)計等)，為地應(yīng)力測量和監(jiān)測選擇深度提供可靠資料。

4 壓裂實驗

4．1 壓裂工藝

利用一對可膨脹的封隔器在選定的測量深度封隔一段鉆孔，然后通過泵入流體對該試驗段增壓，同時利用數(shù)據(jù)采集器記錄壓力隨時間的變化。對實測記錄曲線進行分析，得到特征壓力參數(shù)，再根據(jù)相應(yīng)的理論計算公式，就可得到測點處的最大和最小水平主應(yīng)力的量值以及巖石的水壓致裂抗張強度等巖石力學參數(shù)。

4．2 實驗過程

水壓致裂地應(yīng)力測量的現(xiàn)場測試包括以下8個步驟:(1)選擇試驗段;(2)檢驗測量系統(tǒng);(3)安裝井下測量設(shè)備;(4)座封;(5)壓裂;(6)關(guān)泵;(7)卸壓;(8)印模。

4．3 監(jiān)測儀器安裝

5 后續(xù)監(jiān)測及維護

5．1 監(jiān)測站建設(shè)

按照甲方要求，地應(yīng)力測量與監(jiān)測探頭現(xiàn)場安裝工作結(jié)束后，于鉆孔位置建設(shè)1個監(jiān)測站，監(jiān)測房尺寸要求:長5.00 m，寬4.00 m，檐高3.00 m，檐寬0.30 m，室外散水0.50 m，裝飾要求:室內(nèi)立面白水泥抹面，地面鋪白色地板磚，外墻立面貼白色瓷磚，并于監(jiān)測房周圍設(shè)置必要的防護設(shè)施(如圍墻及防護欄等)，監(jiān)測站建設(shè)的詳細要求參見圖3～7。監(jiān)測臺站場地平整、通電等工作均由乙方負責完成，必要時，甲方可對相關(guān)工作進行協(xié)助。

圖3 監(jiān)測臺站外觀設(shè)計圖

圖4 監(jiān)測臺站外觀實際效果

圖5 監(jiān)測臺站室內(nèi)說明圖片

5．2 監(jiān)測及維護

由委托專人對監(jiān)測儀器需定期或發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷、異常情況時進行維護，保證監(jiān)測工作的正常進行。

6 工程質(zhì)量

6．1 鉆探工程質(zhì)量

按照巖心鉆探規(guī)程，質(zhì)量指標均符合要求。主要指標(巖心采取率、孔斜)如下。

圖6 監(jiān)測臺站室內(nèi)監(jiān)測儀器圖片

圖7 監(jiān)測臺站室內(nèi)適時傳輸儀器圖片

(1)巖心采取率。經(jīng)終孔后統(tǒng)計，設(shè)計孔深1000.00 m，實際孔深1003.42 m。設(shè)計取心孔段長度965.69 m，實際取心長度930.01 m。巖心采取率96.3%。

(2)孔斜。鉆孔孔斜(垂直)度詳見表2。由于鉆孔傾角基本在89°～90°之間(即頂角在0°～1°＜5°)，因此，鉆孔方位幅度大，無法測定。

表2 鉆孔孔斜

6．2 整體工程質(zhì)量

經(jīng)甲方組織驗收，認為該施工工程質(zhì)量達到優(yōu)良。

7 結(jié)論及建議

7．1 結(jié)論

(1)地應(yīng)力孔施工技術(shù)要求高，特別是對巖心采取率、孔斜控制、鉆具選擇、鉆具配合及工藝參數(shù)選擇的要求比較高。應(yīng)盡量使用繩索取心鉆具，預(yù)防孔斜。

(2)地應(yīng)力孔對鉆孔質(zhì)量有較特殊的要求，如鉆孔孔壁要平直光滑，孔徑要均勻，這就對鉆頭及工藝的選取提出了較高的要求。應(yīng)使用孕鑲金剛石鉆具，保證孔壁光滑。

(3)由于地應(yīng)力監(jiān)測孔需要進行一系列實驗和監(jiān)測，因此對沖洗液護壁要求高。應(yīng)盡量使用清水或成分簡單的無固相沖洗液。

7．2 建議

(1)加強選址工作。由于地應(yīng)力監(jiān)測孔目的是有效監(jiān)測地層中的應(yīng)力變化，因此，必須選擇完整的基巖體，地層要完整致密堅硬，便于開展地應(yīng)力監(jiān)測;同時，為便于后期建站進行長期監(jiān)測，施工場地必須保障建站要求。

(2)針對地應(yīng)力監(jiān)測孔的施工特點，增加相應(yīng)的記錄。由于地應(yīng)力監(jiān)測孔施工工序多、施工周期長、實驗測試過程復(fù)雜、設(shè)備儀器安裝要求高、后期實驗及監(jiān)測過程長，因此，做好工程施工整個過程詳細記錄對今后工程修復(fù)等尤為重要。

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