張錦逾， 孫衛(wèi)東

(江蘇蘇州地質(zhì)工程勘察院，江蘇 蘇州 215129)

蘇州高新區(qū)境內(nèi)G312國(guó)道，北起繞城高速通安出口、南至中環(huán)西線北段高架橋間，因地面路段有東西向的真山路、蘇鋼橋路、真運(yùn)路和真武路四路口，交通經(jīng)常擁堵。蘇高新交通局?jǐn)M采用高架橋跨越路口。擬建高架橋全長(zhǎng)約1.75 km，跨徑27～55 m，屬特大橋；設(shè)計(jì)采用?1500 mm灌注樁，最大單樁承載力特征值8000 kN。項(xiàng)目于2017年11月18日—12月8日進(jìn)行野外工程地質(zhì)勘察工作。

1　場(chǎng)地地貌、工程地質(zhì)條件及安山玢巖亞層的巖性特征

1.1　地形地貌

工程位于蘇州高新區(qū)，北起繞城高速通安出口、南至中環(huán)西線北段高架橋間，場(chǎng)地為長(zhǎng)江三角洲太湖流域沖湖積平原及低山丘陵地帶，屬丘陵平原區(qū)，勘察點(diǎn)高程4.32～6.76 m，地形總體較平坦。

1.2　工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地揭露的巖土層按時(shí)代成因分為第四系全新世至早更新世沉積的疏松沉積物及燕山期火成巖、巖脈及其風(fēng)化剝蝕層組成。

1.3　安山玢巖層的巖性特征

場(chǎng)地燕山期火成巖為安山玢巖。按設(shè)計(jì)要求，勘察需鉆穿全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖層，并進(jìn)入中風(fēng)化安山玢巖層深度>5 m。

據(jù)鉆探揭示，安山玢巖層的巖性特征如下。

(1)全風(fēng)化安山玢巖：棕紅色、灰白色，密實(shí)，原結(jié)構(gòu)已完全破壞，母巖成分主要為石英、長(zhǎng)石，長(zhǎng)石已變質(zhì)為絹云母及高嶺土。

(2)強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖：棕紅色、灰—青灰色，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，含斜長(zhǎng)石斑晶，巖心呈短柱狀或碎塊狀(見圖1)，長(zhǎng)度在5～10 cm，裂隙節(jié)理發(fā)育，期間充填粘性土。巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度范圍值為2.32～10.68 MPa，平均值為5.52 MPa，屬軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)，層厚1.0～29.4 m。

(3)中風(fēng)化安山玢巖：灰—青灰色，主要成分為長(zhǎng)石、角閃石，斑晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖心呈長(zhǎng)柱狀，強(qiáng)度大。巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度范圍值為7.92～65.24MPa，平均值14.76MPa，一般為軟巖—較軟巖，局部為較硬巖、堅(jiān)硬巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)，揭示層厚>5.0 m。

圖1　強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖

2　使用的設(shè)備、鉆頭、沖洗液及取心鉆具

(1)設(shè)備：投入GXY-1型步履鉆機(jī)、BW-160B型泥漿泵11臺(tái)套。

(2)鉆頭：復(fù)合片鉆頭、合金鉆頭及孕鑲金剛石鉆頭。

(3)沖洗液：土層鉆進(jìn)時(shí)采用自然造漿沖洗液；安山玢巖層鉆進(jìn)時(shí)采用膨潤(rùn)土+Na-CMC+水配制的沖洗液。

(4)取心鉆具：土層鉆進(jìn)時(shí)采用單管鉆具；安山玢巖層鉆進(jìn)時(shí)采用單管鉆具或單動(dòng)雙管鉆具。

3　強(qiáng)風(fēng)化巖層鉆進(jìn)存在的問題及分析和處理

3.1　鉆進(jìn)時(shí)存在的問題

剛進(jìn)場(chǎng)勘察時(shí)，自上而下首先采用復(fù)合片鉆頭分別鉆穿路面瀝青層、路基二灰砼層和填土層后下護(hù)壁套管；然后采用合金鉆頭，在第四系全新世至早更新世疏松沉積物層中鉆進(jìn)與取樣至鉆穿；再采用復(fù)合片鉆頭及單管鉆具，在全風(fēng)化—強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖層中鉆進(jìn)與取樣；最后采用孕鑲金剛石鉆頭及單管鉆具，在中風(fēng)化安山玢巖層中鉆進(jìn)與取樣至終孔。

實(shí)際鉆進(jìn)過程中，在上部疏松沉積層、安山玢巖的全風(fēng)化與中風(fēng)化層鉆進(jìn)時(shí)都比較順利，所取的巖土樣均能滿足工程地質(zhì)勘察要求；但在強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖層中鉆進(jìn)時(shí)，遇到一些問題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1.1復(fù)合片鉆頭施工時(shí)鉆進(jìn)效率低

因強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖裂隙節(jié)理發(fā)育，鉆進(jìn)時(shí)易破碎，按常規(guī)選用復(fù)合片鉆頭對(duì)其進(jìn)行鉆進(jìn)。結(jié)果為一個(gè)鉆頭可鉆進(jìn)70～80 m，鉆頭壽命滿足要求，但小時(shí)進(jìn)尺僅為0.5～0.6 m，鉆進(jìn)效率偏低，影響了施工進(jìn)度及機(jī)臺(tái)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1.2選用單管鉆具取心，巖心采取率低

在強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖中采用金剛石鉆頭、單管鉆具、自然造漿沖洗液鉆進(jìn)時(shí)，每鉆進(jìn)1.5～2.0 m，鉆具內(nèi)僅取到2～3塊長(zhǎng)度5～10 cm的巖心或碎石塊，巖心采取率很低，滿足不了巖土工程勘察要求(巖心采取率>65%)，影響勘察質(zhì)量，同時(shí)給野外編錄帶來很大麻煩。

3.1.3鉆進(jìn)及提下鉆過程中卡鉆

剛進(jìn)場(chǎng)勘察時(shí)，對(duì)泥漿護(hù)壁不夠重視，上部鉆進(jìn)土層時(shí)采用自然造漿形成的泥漿作為沖洗液鉆進(jìn)強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖層，結(jié)果先后有2個(gè)機(jī)臺(tái)出現(xiàn)卡鉆事故。當(dāng)上下串動(dòng)仍提不起鉆具時(shí)，錯(cuò)誤地采用鉆機(jī)四角千斤頂來處理，但均未成功(其中一臺(tái)鉆機(jī)底座橫梁都出現(xiàn)變形)，后從外面分別請(qǐng)來16 t吊車處理才成功提起鉆桿(最大起吊力分別達(dá)到80和120 kN)。因卡鉆事故，野外勘察工作受到嚴(yán)重影響。

3.2　原因分析及處理方案

針對(duì)上述鉆進(jìn)中遇到的鉆進(jìn)效率偏低、巖心采取率不高和提下鉆及鉆進(jìn)時(shí)卡鉆的問題，經(jīng)對(duì)鉆進(jìn)強(qiáng)風(fēng)化巖層巖性結(jié)構(gòu)特征加以仔細(xì)分析，并從中尋找處理方案。

3.2.1復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)效率低的原因分析及處理方案

據(jù)巖心測(cè)試，強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度范圍值為2.32～10.68 MPa，平均值為5.52 MPa，該層屬軟硬不均的強(qiáng)風(fēng)化層；從取出巖心端部殘留有全風(fēng)化巖層的情況，判定強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖的間隙中還夾有全風(fēng)化巖層段。

實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)，從核定小時(shí)進(jìn)尺(同類型巖土層進(jìn)尺長(zhǎng)度與其鉆進(jìn)時(shí)間的比值，下同)上也反映出類似現(xiàn)象。當(dāng)鉆桿跳動(dòng)劇烈時(shí)，鉆進(jìn)巖層的強(qiáng)度較高，核定小時(shí)進(jìn)尺僅為0.4～0.5 m，鉆進(jìn)效率低；當(dāng)鉆桿相對(duì)平穩(wěn)回轉(zhuǎn)時(shí)，鉆進(jìn)巖土層強(qiáng)度較低，核定小時(shí)進(jìn)尺為1.0～2.0 m，鉆進(jìn)效率高。綜合上述兩類強(qiáng)度巖石的鉆進(jìn)，小時(shí)進(jìn)尺僅為0.5～0.6 m，綜合鉆進(jìn)效率低。其主要原因在于復(fù)合片鉆頭在鉆進(jìn)強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖層中抗壓強(qiáng)度值相對(duì)較高的軟巖石塊時(shí)造成的。

由鉆頭破碎巖石的機(jī)理，切削鉆進(jìn)為體積狀破碎巖石，鉆速快；研磨鉆進(jìn)為平面上磨損巖石，鉆速相對(duì)較慢。

假定，使用過的?91 mm復(fù)合片鉆頭，為實(shí)現(xiàn)切削方式鉆進(jìn)，需底部1/2面積與巖層接觸(約為0.00145 m3)并使刀刃切入鉆進(jìn)的巖石；而GXY-1型鉆機(jī)提供的最大壓力僅15000 N。經(jīng)核算，當(dāng)采用最大鉆壓15000 N鉆進(jìn)時(shí)，?91 mm復(fù)合片鉆頭唇底獲得的壓強(qiáng)值約為10.00 MPa。

經(jīng)測(cè)試強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度最大值是10.68 MPa。為實(shí)現(xiàn)切削方式鉆進(jìn)，鉆頭底刀刃上獲取的壓強(qiáng)必須大于巖石的抗壓強(qiáng)度一定值時(shí)，回轉(zhuǎn)的刀刃才有可能切入巖石并形成鉆速較快的切削方式鉆進(jìn)。由于GXY-1型鉆機(jī)在最大鉆壓下對(duì)鉆頭刀刃所能提供的壓強(qiáng)與巖石抗壓強(qiáng)度值相當(dāng)；加上為保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不可能一直在最大鉆壓下工作，實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)遇到偏硬的軟巖，復(fù)合片刀刃實(shí)際很難有效切入巖石中而僅以研磨方式鉆進(jìn)，由此造成鉆進(jìn)速度慢，鉆進(jìn)效率低。所以在鉆探設(shè)備確定的前提下，該場(chǎng)地選用復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖層不是很合適。

因孕鑲金剛石鉆頭胎體內(nèi)裸露的金剛石顆粒面積相對(duì)復(fù)合片鉆頭底部刀刃面積小很多，在相同鉆壓的情況下，有可能實(shí)現(xiàn)鉆頭胎體中金剛石顆粒切入巖石中，而實(shí)現(xiàn)切削方式鉆進(jìn)，進(jìn)而提高鉆進(jìn)效率。據(jù)此推測(cè)，試探性的選用孕鑲金剛石鉆頭對(duì)強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖進(jìn)行鉆進(jìn)。

根據(jù)安山玢巖的研磨性，綜合考慮強(qiáng)風(fēng)化層裂隙節(jié)理發(fā)育的特性，選用金剛石鉆頭胎體硬度HRC40～45；鉆進(jìn)參數(shù)；鉆壓為10000 N左右；轉(zhuǎn)速為570 r/min；沖洗液泵量為50～60 L/min。

從鉆進(jìn)結(jié)果看，小時(shí)進(jìn)尺可達(dá)到1.0～1.5 m，鉆進(jìn)效率較高；從胎體內(nèi)沒發(fā)現(xiàn)金剛石顆粒脫落，金剛石正常裸露，鉆頭使用正常；從鉆頭進(jìn)尺可達(dá)20～30 m，鉆頭壽命相對(duì)較長(zhǎng)，綜合說明該鉆頭的胎體硬度能與鉆進(jìn)的巖土層相匹配，該場(chǎng)地選用孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖，相對(duì)比較合理。

為提高金剛石鉆頭使用壽命，鉆進(jìn)中應(yīng)切實(shí)保證水泵的完好性；鉆進(jìn)夾有全風(fēng)化或極軟安山玢巖時(shí)，適當(dāng)控制鉆速，以免孔內(nèi)沖洗液循環(huán)不暢而導(dǎo)致金剛石鉆頭輕微燒鉆，降低鉆頭使用壽命。

3.2.2單管鉆具巖心采取率低的原因分析及處理方案

據(jù)鉆探揭示，強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖裂隙節(jié)理發(fā)育，鉆進(jìn)易破碎；其間充填結(jié)構(gòu)疏松的粘性土。經(jīng)分析單管鉆具巖心采取率低的原因主要有以下2點(diǎn)。

(1)巖心進(jìn)入單管鉆具內(nèi)后，裂隙節(jié)理發(fā)育間充填的結(jié)構(gòu)疏松的粘性土，長(zhǎng)時(shí)間受到鉆進(jìn)沖洗液沖刷會(huì)流失，從而降低巖心的采取率。

(2)因強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖裂隙節(jié)理發(fā)育，鉆進(jìn)易破碎。當(dāng)柱狀或碎塊狀的巖心進(jìn)入單管鉆具后會(huì)跟隨回轉(zhuǎn)，導(dǎo)致管內(nèi)巖心相互間不斷產(chǎn)生位移及擠壓，以致經(jīng)常性堵塞鉆具，使后進(jìn)入管內(nèi)的巖心與之產(chǎn)生研磨而損失，在降低鉆速的同時(shí)降低了巖心采取率。

考慮到單動(dòng)雙管鉆具在鉆進(jìn)時(shí)內(nèi)管不通水，管中結(jié)構(gòu)疏松的巖心不會(huì)因受沖洗液的沖刷而流失；內(nèi)管不旋轉(zhuǎn)，管內(nèi)柱狀或碎塊狀的巖心間相對(duì)位移及相互擠壓的次數(shù)相對(duì)會(huì)減少，相應(yīng)的巖心堵塞鉆具的次數(shù)會(huì)減少。一旦產(chǎn)生堵塞，會(huì)造成鉆進(jìn)困難，但巖心柱(或塊)相互間不會(huì)產(chǎn)生研磨，巖心采取率不會(huì)受影響。

施工中及時(shí)將單管鉆具改為單動(dòng)雙管鉆具，巖心采取率由原來的15%～25%提高到75%以上，極大地提高了工程地質(zhì)勘察的質(zhì)量。

3.2.3鉆進(jìn)及提下鉆過程中卡鉆的原因分析及處理方案

在保證鉆孔垂直度的前提下，鉆進(jìn)施工中，若孔內(nèi)不存在硬塊，鉆進(jìn)及提下鉆過程中一般不會(huì)發(fā)生卡鉆事故，產(chǎn)生卡鉆事故的直接原因是孔內(nèi)存在硬塊。找出孔內(nèi)出現(xiàn)硬塊的原因，進(jìn)而加以防范，是解決孔內(nèi)卡鉆事故的關(guān)鍵。

就本工程在強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖層鉆進(jìn)時(shí)，裂隙節(jié)理發(fā)育的巖石易破碎來看，孔內(nèi)硬塊即為孔壁破碎的石塊因松動(dòng)后在孔壁形成的探頭石或掉塊。控制好松動(dòng)的探頭石或掉塊，即可解決提下鉆及鉆進(jìn)時(shí)孔內(nèi)卡鉆事故。

經(jīng)分析本工程鉆進(jìn)施工過程中，孔內(nèi)探頭石及掉塊的形成機(jī)理可能為：

首先強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖層本身風(fēng)化作用強(qiáng)烈、且裂隙節(jié)理發(fā)育，鉆進(jìn)后巖心是易破碎，但作為孔壁的巖石，不可能即刻形成破碎的巖塊、探頭石或掉塊。只有當(dāng)孔壁的強(qiáng)風(fēng)化巖體受到鉆桿柱頻繁振動(dòng)敲擊后，裂隙節(jié)理發(fā)育的孔壁石塊會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)而可能形成探頭石或掉塊；其次，鉆進(jìn)中使用自然造漿泥漿作沖洗液，由于該沖洗液失水量大，孔壁周圍巖層因裂隙節(jié)理發(fā)育使其易受到水的浸潤(rùn)，導(dǎo)致石塊間的凝聚力下降。一旦受到外力作用，孔壁的該塊石更容易松動(dòng)，進(jìn)而在孔內(nèi)更容易產(chǎn)生探頭石或掉塊，以致最終在鉆進(jìn)及提下鉆時(shí)出現(xiàn)卡鉆事故。

對(duì)孔壁巖體頻繁受到鉆桿柱振動(dòng)敲擊，實(shí)際施工中是無法避免的。施工過程中，除了在提下鉆環(huán)節(jié)控制好速度，操作時(shí)盡量平穩(wěn)外，實(shí)際在整個(gè)鉆進(jìn)過程中，鉆桿柱對(duì)孔壁的振動(dòng)敲擊次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于提下鉆時(shí)的次數(shù)。即控制鉆桿柱對(duì)孔壁的振動(dòng)敲擊次數(shù)并不是防止孔壁出現(xiàn)探頭石或掉塊的主要因素；進(jìn)行更好的護(hù)壁，才是防止孔壁出現(xiàn)探頭石或掉塊的關(guān)鍵。

鉆進(jìn)過程中，沖洗液的三大功能為冷卻鉆頭、攜返巖屑及護(hù)壁堵漏。本工程只要下好淺部護(hù)管，一般均能正常返漿；對(duì)冷卻鉆頭、攜返巖屑上，只要泥漿泵正常工作，鉆具通暢，由于勘察孔深度均小于90 m，一般沖洗液即能滿足要求。因此對(duì)冷卻鉆頭、攜返巖屑及堵漏上來講，自然造漿的沖洗液是能夠滿足要求施工的。

但對(duì)護(hù)壁，由于自然造漿沖洗液中的粘土顆粒分散性差，固相顆粒較粗，與水?dāng)嚭虾髢H能形成懸浮體泥漿，其靜止一段時(shí)間后，很容易析水，失水量偏大；沖洗液在孔內(nèi)循環(huán)后，依附在孔壁上的泥皮厚度較大，結(jié)構(gòu)不致密，韌性小，受到外力作用后，很容易從孔壁上脫落，對(duì)護(hù)壁及防止孔內(nèi)產(chǎn)生探頭石及掉塊，不能真正起到作用。從護(hù)壁的角度，由于自然造漿沖洗液在失水量、泥皮厚度及韌性無法滿足要求，進(jìn)而無法解決孔內(nèi)出現(xiàn)的探頭石、掉塊問題及孔內(nèi)的卡鉆問題，因此，在鉆進(jìn)強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖層時(shí)，不宜采用自然造漿的沖洗液進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)化層的鉆進(jìn)。

針對(duì)自然造漿的沖洗液在護(hù)壁上所存在的問題，選用分散性能好的預(yù)處理膨潤(rùn)土作為配制沖洗液的固相材料，由于其分散性好，沖洗液的固相粒徑細(xì)，與水?dāng)嚭虾罂尚纬赡z體沖洗液，靜止一段時(shí)間后不容易析水，沖洗液的失水量相對(duì)較??；沖洗液在孔內(nèi)循環(huán)后，在孔壁形成的泥皮厚度較薄(可達(dá)到小于2 mm)；為使沖洗液能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，孔壁泥皮具韌性，達(dá)到更好的護(hù)壁效果，原漿中可加入低分子Na-CMC(俗稱化學(xué)漿糊)。由于化學(xué)漿糊同時(shí)還具有降失水功能，原漿中加入適量后，可有效降低沖洗液的失水量。

經(jīng)室內(nèi)反復(fù)試驗(yàn)，施工現(xiàn)場(chǎng)的沖洗液配比為：膨潤(rùn)土﹕Na-CMC﹕水=75﹕2﹕430(單位：kg)。

配制好的沖洗液性能指標(biāo)為：漏斗粘度22 s左右，密度1.10 g/cm3左右，失水量<10 mL/30 min，泥皮厚<2 mm，且具一定韌性。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，該沖洗液具備良好的護(hù)壁效果，所施工的鉆孔孔內(nèi)均未出現(xiàn)探頭石、掉塊，孔內(nèi)未發(fā)生卡鉆事故。

為維護(hù)好沖洗液性能，確保勘察工程的順利施工，施工過程中，需布置好沖洗液的循環(huán)系統(tǒng)，在沉淀池中經(jīng)常撈砂，定期測(cè)試沖洗液性能。

施工中過快的提下鉆速度，會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生劇烈的抽吸和沖擊作用，使孔壁泥皮容易遭到破壞，影響孔壁穩(wěn)定。為此施工中應(yīng)適當(dāng)控制提下鉆速度，以免孔內(nèi)出現(xiàn)探頭石或掉塊而發(fā)生卡鉆事故。

4　結(jié)語

強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖層裂隙節(jié)理發(fā)育，間隙中充填結(jié)構(gòu)疏松的粘性土，經(jīng)測(cè)試巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度為2.32～10.68 MPa，平均為5.52 MPa，巖石總體軟硬不均，并夾有接近中風(fēng)化的巖土層。

針對(duì)上述巖層，鉆進(jìn)施工過程中，由復(fù)合片鉆頭改用胎體硬度HRC40～45的孕鑲金剛石鉆頭，有效提高了鉆進(jìn)效率。

在取心上，由單管鉆具改為單動(dòng)雙管鉆具，極大提高了巖心采取率。

在護(hù)壁上，需配置失水量小、具網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、泥皮具韌性的膠體狀沖洗液，才能有效防止孔內(nèi)出現(xiàn)探頭石和掉塊及孔內(nèi)卡鉆事故，確保勘察施工順利進(jìn)行。