張敏

(山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第三水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院)，山東 濟(jì)寧 272100)

1 引言

工程地質(zhì)鉆探是探測(cè)地球表層巖土工程性質(zhì)的關(guān)鍵性支撐技術(shù)，是獲取地層巖性第一手資料的主要手段，具有不可替代的作用和地位。與其他地質(zhì)勘探工程相比，工程地質(zhì)鉆探具有投資規(guī)模小，周期短，風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)。鉆探工程隱蔽于地下作業(yè)，復(fù)雜地層和孔內(nèi)復(fù)雜情況的存在，導(dǎo)致一些不確定性、隨機(jī)性和不可預(yù)見(jiàn)性因素出現(xiàn)，產(chǎn)生孔內(nèi)、孔底情況識(shí)別不準(zhǔn)、判斷和決策失誤等情況，致使孔內(nèi)事故發(fā)生，將會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)作業(yè)中斷，延長(zhǎng)施工工期，同時(shí)影響鉆探質(zhì)量，延誤成果提交。處理不當(dāng)，還可能報(bào)廢鉆探工作量和鉆具，鉆探成本大幅度提高，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致鉆探設(shè)備事故和其他傷害，因此必須充分重視鉆探孔內(nèi)事故的預(yù)防處理工作。

近兩年全國(guó)高鐵、城際高鐵、地鐵、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如火如荼，特別是高速鐵路，時(shí)速達(dá)到350 km，甚至450 km，這種速度特別是瞬間沖擊力量是巨大的，對(duì)軌道、路基都是不小的考驗(yàn)。鐵路路基的設(shè)計(jì)離不開(kāi)第一手資料—路基勘探，在勘探過(guò)程中，鉆探成果質(zhì)量受到諸多因素影響，比如技術(shù)人員素質(zhì)、設(shè)備、鉆機(jī)操作人員業(yè)務(wù)素質(zhì)以及地層條件等。有時(shí)地層條件能影響鉆機(jī)操作和鉆機(jī)性能正常發(fā)揮，對(duì)此需要針對(duì)特殊地質(zhì)、地層條件采取專門(mén)措施克服鉆探困難。本文將就新建魯南高速鐵路地質(zhì)勘探中，受區(qū)域地層不利影響鉆探質(zhì)量和進(jìn)度的案例，以“金蟬脫殼”的思路，創(chuàng)新的解決了在巨厚砂層(厚40～50 m)中提、下護(hù)壁管(長(zhǎng)50～60 m)的工藝問(wèn)題進(jìn)行闡述。該工法成功降低了成本，助推了項(xiàng)目質(zhì)量和進(jìn)度。該案例為我院實(shí)際操作的工程，希望該案例為今后遇到類似工程問(wèn)題的同仁提供參考。

2 工程概況

新建魯南高速鐵路臨沂至曲阜段位于山東省南部臨沂市、濟(jì)寧市境內(nèi)，線路東端起自臨沂市，向西經(jīng)費(fèi)縣、平邑縣、泗水縣，終至曲阜市，正線長(zhǎng)度138.284 km。線路西端通過(guò)聯(lián)絡(luò)線在曲阜東站與既有京滬高鐵銜接，并與規(guī)劃的魯南高速鐵路曲阜至菏澤段貫通，向西通過(guò)曲阜至菏澤段在菏澤地區(qū)連接規(guī)劃的京九客運(yùn)專線；線路東端與規(guī)劃的魯南高速鐵路日照至臨沂段連接，在日照與在建青連鐵路相連。本次工況發(fā)生在臨沂至曲阜段，地處曲阜市尼山鎮(zhèn)境內(nèi)，所屬“西余村特大橋”工點(diǎn)，根據(jù)技術(shù)要求，鉆探需要穿透上部土砂層，進(jìn)入完整巖石5～8 m即可終孔，根據(jù)鉆探揭露情況看，上部砂層厚度達(dá)40 m左右，水位5 m左右，下伏寒武系中統(tǒng)張夏組(∈2jz)石灰?guī)r、泥灰?guī)r和頁(yè)巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育。當(dāng)鉆至巖石界面，就出現(xiàn)漏水、漏泥漿，進(jìn)而造成塌孔、埋鉆等孔內(nèi)事故，上部巨厚砂層給鉆探施工造成了不少的困難。本文就是針對(duì)上部巨厚層砂層的不利影響，按照“金蟬脫殼”的思路，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最大程度消除或基本消除因特殊地層造成的鉆探困難。

3 工程和水文地質(zhì)條件

3.1 工程地質(zhì)條件

測(cè)區(qū)所處構(gòu)造單元屬華北板塊的魯西隆起區(qū)。上覆第四系砂土層厚度最大為56.8 m，下伏巖層存在巖溶不良地質(zhì)作用?？扇軒r分布特征為寒武系中統(tǒng)張夏組泥灰?guī)r，測(cè)區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖地層經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的溶蝕和侵蝕作用，局部形成了豐富的地下巖溶形態(tài)，如溶孔、溶隙、溶洞等。由于不良地質(zhì)作用的存在，在鉆探過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉆至基巖面或入巖一定深度，就會(huì)發(fā)生漏水、漏漿，導(dǎo)致上部砂層塌孔，一度造成施工不前。上部0～40 m，主要制約工程順利鉆進(jìn)的地層巖性如下：

粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)：黃褐色，硬塑，見(jiàn)鐵錳氧化物及其結(jié)核，土質(zhì)不勻，見(jiàn)少量砂粒，Ⅱ級(jí)普通土。

中砂(Q4al+pl)：褐黃色，稍實(shí)，稍濕，主要顆粒成分為石英、長(zhǎng)石，屬Ⅰ級(jí)松土。

中砂(Q4al+pl)：黃褐色，中密，稍濕，砂質(zhì)不純，級(jí)配一般，黏性土含量約為20%，Ⅰ級(jí)松土。

中砂(Q4al+pl)：黃褐色，密實(shí)，潮濕～飽和，砂質(zhì)不純，級(jí)配中等，偶見(jiàn)礫石，黏粒含量15%，Ⅰ級(jí)松土。

粗砂(Q4al+pl)：褐黃色，中密，潮濕～飽和，以長(zhǎng)石、石英為主，顆粒級(jí)配較好，黏粒含量約5%，Ⅰ級(jí)松土。

粗砂(Q4al+pl)：褐黃色，密實(shí)，飽和，以長(zhǎng)石、石英為主，顆粒級(jí)配較好，黏粒含量約5%，Ⅰ級(jí)松土。

粉質(zhì)黏土(Q3)：黃褐色～棕紅色，硬塑，見(jiàn)鐵錳氧化物及其結(jié)核，土質(zhì)不勻，零星砂巖風(fēng)化碎屑，屬Ⅱ級(jí)普通土。

中砂(Q3)：黃褐色，中密，稍濕，砂質(zhì)不純，級(jí)配一般，黏性土含量約為20%，Ⅰ級(jí)松土。

粗砂(Q3)：褐黃色，密實(shí)，飽和，以長(zhǎng)石、石英為主，顆粒級(jí)配較好，黏粒含量約5%，Ⅰ級(jí)松土。

灰?guī)r(∈2jz)：橋址區(qū)內(nèi)廣泛分布，青灰～灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬。強(qiáng)風(fēng)化帶(W3)原巖結(jié)構(gòu)部分被破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖心主呈短柱狀、塊狀，層厚0～5.45 m，屬Ⅳ級(jí)軟石，B組填料；弱風(fēng)化帶(W2)原巖結(jié)構(gòu)基本未破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖心較完整，主呈柱狀，屬Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石。

頁(yè)巖(∈2jz)：紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，強(qiáng)風(fēng)化帶(W3)原巖結(jié)構(gòu)部分被破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖心主呈塊狀，屬Ⅳ級(jí)軟石，C組填料；弱風(fēng)化帶(W2)原巖結(jié)構(gòu)基本未破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主呈短柱狀，屬Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石。

泥灰?guī)r(∈2jz)：灰黃間黃褐色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)風(fēng)化帶(W3)原巖結(jié)構(gòu)部分被破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖心主呈塊狀，層厚0.78～8.2 m。屬Ⅳ級(jí)軟石，C組填料；弱風(fēng)化帶(W2)原巖結(jié)構(gòu)基本未破壞，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主呈短柱狀，屬Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石。

泥巖(∈2jz)：灰綠～褐紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，以黏土礦物為主要礦物成分，全風(fēng)化帶(W4)層原巖結(jié)構(gòu)完全被破壞，呈土狀，夾少量碎塊，屬Ⅲ級(jí)硬土，D組填料。強(qiáng)風(fēng)化帶(W3)層原巖結(jié)構(gòu)部分被破壞，呈碎塊，夾土狀，屬Ⅳ級(jí)軟石，C組填料；弱風(fēng)化帶(W2)層原巖結(jié)構(gòu)基本未破壞，巖心呈柱狀，夾少量碎塊狀，屬V級(jí)次堅(jiān)石。

花崗巖(aSηγ21)：灰綠色，粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英，強(qiáng)風(fēng)化帶(W3)層原巖結(jié)構(gòu)部分被破壞，呈碎塊，夾土狀，屬Ⅳ級(jí)軟石，B組填料；弱風(fēng)化帶(W2)層原巖結(jié)構(gòu)基本未破壞，巖心呈柱狀，夾少量碎塊狀，屬V級(jí)次堅(jiān)石。

3.2 水文地質(zhì)特征

勘察期間地下水水位埋深4.7～52.3 m，水位變化幅度1～2 m。橋址區(qū)未見(jiàn)明顯地表水，僅在雨季時(shí)溝渠、河道內(nèi)形成季節(jié)性水流。

地下水主要賦存于沖洪積層和坡洪積層的粉質(zhì)黏土和砂類土等含水層中，接受大氣降水補(bǔ)給，在松散巖類的孔隙中形成孔隙潛水。結(jié)構(gòu)疏松，滲透性好，含水類型為潛水、上層滯水，水量貧乏，徑、排條件較好。

巖溶水主要賦存于寒武系中統(tǒng)張夏組(∈2jz)石灰?guī)r、泥灰?guī)r等地層中。巖層中的裂隙、孔隙是地下水的主要賦存、運(yùn)移空間，加之所處構(gòu)造部位的不同，從而含水層的透水性、富水性不均一，且含水透水性都較弱。主要由大氣降水及地表水補(bǔ)給為主，鄰近含水層徑流補(bǔ)給為輔，沿層面和裂隙向低處徑流，流量隨季節(jié)而變化，流量不一。大氣降水是該區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，測(cè)區(qū)內(nèi)位于地下水補(bǔ)給區(qū)，未見(jiàn)明顯地下水排泄點(diǎn)。

4 鉆探困難

由于孔內(nèi)情況復(fù)雜給鉆探造成一定困難，孔內(nèi)復(fù)雜情況歸納起來(lái)主要有：鉆孔漏失(或漏水)、鉆孔彎曲、孔內(nèi)溫度異常、鉆孔縮徑(或擴(kuò)徑)、鉆孔坍塌(或阻滯)、孔內(nèi)沉渣、孔內(nèi)異物和其他孔內(nèi)異常情況。本次場(chǎng)區(qū)鉆探復(fù)雜情況是，土砂層分布厚大，最厚達(dá)56.8 m，中密到密實(shí)，地下水水位埋深4.7 m左右，在如此淺水位、粘聚力為零、深度范圍內(nèi)又廣泛分布砂層中,同時(shí)下伏基巖又存在不良地質(zhì)巖溶、裂隙發(fā)育造成漏漿漏水嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境中鉆探，在剛鉆至觸基巖面或深入部分深度就漏失嚴(yán)重，造成孔內(nèi)壓力失衡，造成塌孔、埋鉆時(shí)有發(fā)生，在這種情況下，如果不能有效穩(wěn)固如此巨厚砂質(zhì)孔壁，就無(wú)從談起下部基巖鉆探(下部會(huì)遇到巖溶鉆探，同樣需要克服鉆探困難，本文不再專述)。埋鉆、卡鉆，鉆具被埋而遺棄和廢孔，一度成了機(jī)長(zhǎng)們難以克服的傷心之痛，導(dǎo)致大量鉆機(jī)“撂挑子”、“跑路”，也給我們項(xiàng)目部造成了工期壓力。

5 解決辦法

通過(guò)仔細(xì)剖析造成鉆探困難的各個(gè)環(huán)節(jié)，查閱資料和分析類似案例，最終弄清原因，簡(jiǎn)而言之就是砂層分布過(guò)厚、淺水位、下部巖溶裂隙發(fā)育漏失嚴(yán)重造成孔內(nèi)壓力失衡而導(dǎo)致塌孔。解決問(wèn)題的方向必須是穩(wěn)固砂質(zhì)孔壁，對(duì)此，采用了加大泥漿黏度，但由于下伏裂隙、巖溶發(fā)育，再黏的泥漿也無(wú)法抵御漏失。因此考慮下護(hù)壁管，跟管鉆進(jìn)，可是鋼質(zhì)的護(hù)壁管下入孔底后，當(dāng)終孔的時(shí)候，卻怎么也提不上來(lái)?？咨?0多米，側(cè)壁是砂層，砂層握裹護(hù)壁管，鉆機(jī)提升能力根本無(wú)法克服砂層的側(cè)摩阻力，強(qiáng)力提拔可能會(huì)造成鉆機(jī)變形，設(shè)備損壞，安全生產(chǎn)不能保證，其結(jié)果造成護(hù)壁管廢棄，不能周轉(zhuǎn)使用，據(jù)測(cè)算護(hù)壁管每米直接成本就高達(dá)70元，況且，鉆孔一般都布置在樁位上，廢棄的鋼質(zhì)的護(hù)壁管還會(huì)影響后續(xù)的樁基施工，所以必須加以解決，以減少損失降低成本，并且還不能給后續(xù)工程形成新的障礙。嘗試多種辦法，最后想到“金蟬脫殼”，目的就是能夠把護(hù)壁管提拔出來(lái)，達(dá)到周轉(zhuǎn)使用降低成本，且不給后續(xù)基礎(chǔ)施工造成麻煩，具體做法確定在護(hù)壁管外表面涂抹潤(rùn)滑油(該型潤(rùn)滑油水環(huán)境下專用)，然后再套上PVC管，使鋼質(zhì)護(hù)壁管與PVC管形成互不粘連、且潤(rùn)滑良好的“兩張皮”，可使護(hù)壁管不直接接觸“制造摩擦”的巨厚砂層，在護(hù)壁管外壁涂抹潤(rùn)滑油，目的是大大降低護(hù)壁管與PVC管的摩擦，確保護(hù)壁管順利提拔，PVC管就是“殼”。簡(jiǎn)易流程見(jiàn)圖1。

圖1 鉆探流程圖

具體操作注意需要事項(xiàng)：①按照技術(shù)要求鉆至基巖面以上一定深度，就要停止鉆進(jìn)，著手下入護(hù)壁管，從前期鉆探情況看，一般在將至基巖時(shí)，砂層往往漸變成一層硬塑黏土，或薄或厚一點(diǎn)，將護(hù)壁管擱置本層即可，如果鉆透本層，可能就會(huì)達(dá)到基巖面，將無(wú)法確保漏失泥漿造成塌孔，這樣將會(huì)失去下入護(hù)壁管的有利時(shí)機(jī)。鉆探的同時(shí)，做好護(hù)壁管外壁均勻涂抹潤(rùn)滑油等準(zhǔn)備工作；②向孔內(nèi)迅速下入PVC管，管之間干插接(選擇定尺的、單根兩端直徑差異化的，便于插接，適于現(xiàn)場(chǎng)方便操作)，材質(zhì)不能太差，要有一定抗沖切強(qiáng)度；③向PVC管內(nèi)緩緩導(dǎo)入護(hù)壁管，用力不要過(guò)大，要輕放輕提，拿捏有度，否則有擠壓傷害PVC管的可能，嚴(yán)重的話可能前功盡棄。護(hù)壁管采用螺紋連接，一定要擰緊牢固，嚴(yán)防中途脫扣；④孔口雙管采用夾板固定，密封雙管間上部端口縫隙，防止含有砂粒的循環(huán)液流入雙管間的縫隙，導(dǎo)致雙管間縫隙堵塞，給提拔護(hù)壁管工作帶來(lái)不暢；⑤繼續(xù)下部鉆探，下部要縮徑鉆探，確保護(hù)壁管底端擱置穩(wěn)定，在鉆探過(guò)程中，起、下鉆具要平穩(wěn)，避免強(qiáng)力撞擊護(hù)壁管而意外的傷及外包的PVC管，造成PVC管部分或全部破壞，導(dǎo)致“腸梗阻”，那將給提拔護(hù)壁管形成一定的困難，很可能造成半途而廢、前功盡棄；⑥終孔后，根據(jù)事先準(zhǔn)備的方案，要迅速提拔護(hù)壁管，由于護(hù)壁管底端植入巖土?xí)r間過(guò)長(zhǎng)，在起拔護(hù)壁管初始階段，阻力會(huì)比較大，為了保證安全可以配置小噸位千斤頂配合作業(yè)。

6 效果評(píng)價(jià)

萬(wàn)事開(kāi)頭難，在經(jīng)歷了漏失泥漿、塌孔、埋鉆、強(qiáng)力提拔損壞設(shè)備、無(wú)奈遺棄鉆具、廢孔、一度停工等一系列困難情況下，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次嘗試，事實(shí)證明思路決定出路，最終以“金蟬脫殼”的思路，設(shè)計(jì)成雙管護(hù)壁，人為設(shè)置雙管“兩張皮”，巧妙的最大程度的使護(hù)壁管與砂層“零接觸”，使護(hù)壁管順利起拔，最大程度降低了鉆探成本，通過(guò)核算，如果鋼質(zhì)的護(hù)壁管無(wú)法多次周轉(zhuǎn)使用，直接成本將每米增加70多元；采用“金蟬脫殼”工法，鐵質(zhì)護(hù)壁管順利起拔，管材得到周轉(zhuǎn)、重復(fù)使用，增加的就是PVC管、潤(rùn)滑油的成本，每米增加7到10元，并且護(hù)壁管起拔后，不會(huì)給后續(xù)的基礎(chǔ)施工形成新的障礙。同時(shí)安全生產(chǎn)有了很大保證，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)、工期等方面效果明顯。

6 結(jié)論

(1)我單位長(zhǎng)期在魯南、魯西南地區(qū)做工程地質(zhì)

勘察工作，但類似本區(qū)分布如此厚的砂層地質(zhì)條件的情況實(shí)數(shù)不多見(jiàn)，又恰逢下伏巖溶、裂隙等不良地質(zhì)作用，漏失十分嚴(yán)重，多方不利因素共同作用，給鉆探工作造成了很大的困難，國(guó)家高速鐵路工程，責(zé)任意義重大，不能一蹴而就，必須認(rèn)真克服困難，不留遺憾。

(2)在遇到施工困難時(shí)，要認(rèn)真分析各個(gè)環(huán)節(jié)，不留空白，針對(duì)性的加以解決。思路決定出路，“金蟬脫殼”工法，巧妙的隔離了砂層對(duì)護(hù)壁管的直接接觸造成的強(qiáng)力握裹，雙管間的潤(rùn)滑油作用又大大降低了護(hù)壁管的側(cè)摩阻力，多方作用有效降低了護(hù)壁管的起拔阻力。達(dá)到了護(hù)壁管能夠周轉(zhuǎn)、重復(fù)使用、大大降低了施工成本、消除了后續(xù)基礎(chǔ)施工障礙、降低了安全生產(chǎn)隱患、工期得到保障的諸多目的，得到了業(yè)主的贊同。

(3)由于護(hù)壁深度較大，選用管材強(qiáng)度不能太低，特別是PVC管起的作用很大，可以說(shuō)措施成敗起到的是關(guān)鍵作用，要承受起、拔鉆具和鉆進(jìn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)撞擊破壞，其材質(zhì)必須要有一定的抗沖切強(qiáng)度。護(hù)壁管外壁涂抹的潤(rùn)滑油所起的潤(rùn)滑作用也不可小覷，由于是水下使用，不能使用普通的油質(zhì)，不能使用遇水就脫落的材質(zhì)。同時(shí)，對(duì)設(shè)備的負(fù)荷能力以及機(jī)臺(tái)的操作工人要有處理問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)和能力，特別是操作鉆機(jī)的機(jī)長(zhǎng)，不僅技術(shù)要高，更要有膽略，不能優(yōu)柔寡斷。解決問(wèn)題需要各個(gè)環(huán)節(jié)、因素都要質(zhì)量過(guò)關(guān)。

(4)“金蟬脫殼”工法，適用于本工程、本區(qū)地層條件，如果遇到復(fù)雜于本區(qū)條件的類似項(xiàng)目，需要從安全角度深入研究和嘗試。

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