李中明，肖 堯，羅 婷

（湖南省水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查監(jiān)測所，湖南 長沙 410129）

0 引言

復(fù)雜地層鉆進，尤其是多層段復(fù)雜地層和深部復(fù)雜地層鉆進時，在泥漿護壁堵漏失效的情況下，通常采用灌注水泥漿和套管護壁堵漏的方法。灌注水泥漿雖然能實現(xiàn)同徑護壁堵漏，但由于泥漿滲透半徑小，與孔壁巖石結(jié)合強度不夠，在后期的鉆進過程中，因鉆桿擾動，泥漿浸泡，易造成護壁堵漏失效。而用套管護壁，對于淺孔和單一復(fù)雜地層來講，是最可靠的護壁堵漏方法，但對于多層段復(fù)雜地層，往往受口徑制約，難以達到地質(zhì)目的，而深部復(fù)雜地層擴孔風(fēng)險大、擴孔和套管成本高。因此在上述復(fù)雜地層施工中迫切需要一種便捷、可靠、低廉的同徑護壁堵漏方法。

高壓旋噴技術(shù)廣泛應(yīng)用于地基加固。在地質(zhì)鉆探中的應(yīng)用方面，吳金生等［1］研發(fā)了通過調(diào)節(jié)泥漿泵排量控制泵壓從而實現(xiàn)掃孔和噴射注漿不同施工作業(yè)切換的組合鉆具，從而實現(xiàn)鉆孔護壁。本文借鑒高壓旋噴技術(shù)的基本原理，根據(jù)地質(zhì)鉆探設(shè)備、工藝、地層的特性，系統(tǒng)研究了適用于地質(zhì)鉆探復(fù)雜地層鉆進施工的旋噴鉆具結(jié)構(gòu)、水泥漿液配方、工藝原理、技術(shù)要點、操作要領(lǐng)［2-4］，并進行了生產(chǎn)試驗，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 高壓旋噴護壁堵漏技術(shù)的設(shè)計原理

針對復(fù)雜地層鉆進，尤其是多層段復(fù)雜地層和深部復(fù)雜地層鉆進施工中出現(xiàn)漏失、垮塌問題，借鑒高壓旋噴加固地基的原理，將高壓旋噴技術(shù)引入巖心鉆探復(fù)雜地層鉆進中，改變常規(guī)水泥漿灌注方法，提高水泥漿在巖心鉆探復(fù)雜地層鉆進護壁堵漏中的有效性［5-6］。

通過在鉆桿下端安裝旋噴鉆具，下到復(fù)雜地層目的層后，泥漿泵將改性水泥漿通過鉆桿，經(jīng)高壓旋噴鉆具下部噴嘴形成高壓射流射出，在鉆具緩慢旋轉(zhuǎn)和自下向上提升過程中，切割破碎層，在此過程中，水泥漿液不斷滲透復(fù)雜地層段孔壁、裂隙，并與不穩(wěn)定孔壁的破碎崩落及切割下來的巖土混合，完全充填垮塌超徑形成的空間，經(jīng)過一段時間候凝后，在坍（垮）塌孔段形成一段直徑不規(guī)則的柱狀水泥巖土固結(jié)體，重新鉆穿后，形成有一定強度的“水泥套管”達到同徑護壁堵漏祼孔鉆進的目的。

1.1 高壓旋噴鉆具結(jié)構(gòu)特點

在參考地基處理高壓旋噴鉆具的基礎(chǔ)上［7-10］，結(jié)合小口徑繩索取心鉆具的特點，設(shè)計了適合繩索取心鉆進的高壓旋噴鉆具，鉆具由旋噴體、噴嘴、鋼球、鉆頭等組成（見圖1）。

圖1 旋噴鉆具結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the rotary jet drilling tool

1.1.1 噴嘴

噴嘴是旋噴鉆具的關(guān)鍵組成部件，是將高壓液流的壓力能轉(zhuǎn)化變成動能的元件。它的結(jié)構(gòu)直接決定射流動能大小，直接影響固結(jié)體半徑，也就是直接影響護壁堵漏效果［11-12］。

在高壓高速條件下，單位時間內(nèi)從噴嘴射出的射流具有很大的能量，其關(guān)系見式（1）：

式中：F——噴射力，N；ρ——漿液密度，kg/L；V——射流平均速度，m/s；A——噴嘴截面積，m2。

從式（1）可見，噴嘴的截面積對射流的影響比較明顯。圓錐角θ為13°～14°時，流量損失最小，噴嘴的流速流量值較大。噴嘴直徑宜在3～5 mm 之間。

噴嘴帶M16 外絲扣，用時擰入旋噴體，可按不同地層需要，方便調(diào)整噴嘴口直徑（見圖2）。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the nozzle

1.1.2 旋噴體

旋噴體外徑65 mm，內(nèi)徑34 mm，長260 mm，加工有4 個M16 螺孔，用于連接噴嘴，可按不同地層需要，方便調(diào)整噴嘴數(shù)量（見圖3）［13］。

圖3 旋噴體結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the jet grouting body

1.1.3 鉆頭

為錐形硬質(zhì)合金鉆頭，前部鑲有3 塊硬質(zhì)合金，底部2 個通孔，便于下鉆遇阻時掃孔。鉆頭內(nèi)有? 32 mm 錐面，當(dāng)高壓旋噴施工時，投入鋼球止水（見圖4）。

圖4 鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the drilling bit

1.2 高壓旋噴水泥漿液配方

1.2.1 無流動水條件下的配方

經(jīng)過室內(nèi)實驗，目標(biāo)層位無流動水時，綜合考慮高壓旋噴工藝耗時以及水泥漿性能，采用水泥漿配方為：水灰比0.5（灰：水泥96%+膨潤土4%），減水劑1%，水玻璃2%～3%。膨潤土主要增加漿液和易性及流變性、膨潤土要預(yù)水化［14］。

該水泥漿性能：流動度190～210 mm，析水率2%～4%，初凝時間4.5 h，終凝時間6.5 h。

1.2.2 有流動水條件下的配方

目標(biāo)層位有流動水時，可采用SJP 水泥漿［15］，該水泥漿具有起始稠度小，隨時間延長，稠度增加不大，到漿液開始要失去流動性時，稠度有一個突變的時間點的特性。其配方為水泥、水、SJP 外加劑［15］，其中SJP 外加劑包括3種外摻劑，助劑1號為纖維素類有機材料，用于打破水泥顆粒被水化產(chǎn)物隔離的狀態(tài)，使其快速參與反應(yīng)，同時在水泥顆粒間生成致密的膠結(jié)物；助劑2號鈣硅質(zhì)早強劑、3號酰胺類穩(wěn)定劑主要用于控制水泥水化的反應(yīng)速度與反應(yīng)程度。3種助劑采用不同的劑量，水泥漿的可泵期可在5～50 min 的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，水泥漿2～3 h 初凝，初凝過后2～3 h 終凝，水泥漿固結(jié)過程中析水率小，且后期強度較純水泥漿提高10%。

現(xiàn)場使用中應(yīng)根據(jù)旋噴護壁需求，嚴(yán)格計算、控制旋噴工藝耗時，調(diào)節(jié)好水泥漿的可泵期，避免水泥漿堵塞鉆桿事故發(fā)生。

實驗水泥漿配方為：水灰比0.6（425 普通硅酸鹽水泥），助劑1 號0.33%，助劑2 號2.0%，助劑3 號0.6%。

該水泥漿性能：流動度200 mm，可泵期50 min，初凝時間2 h，終凝時間5 h。

2 高壓旋噴護壁堵漏技術(shù)施工工藝

高壓旋噴水泥漿護壁堵漏技術(shù)工藝流程為：確定護壁孔段→組裝旋噴鉆具→下入旋噴鉆具（掃孔）→配置水泥漿→（投入鋼球）壓漿旋噴提升→提出旋噴鉆具→清洗旋噴機具→候凝→掃孔鉆進。

2.1 組裝、檢測旋噴鉆具

機具組裝，下孔前，應(yīng)進行地面試噴，并檢查高壓系統(tǒng)的完好性及設(shè)備的可靠性和壓力。確定旋轉(zhuǎn)、提升速度等參數(shù)。

2.2 下入旋噴鉆具

（1）下鉆要穩(wěn)，遇坍塌孔段用泥漿掃孔到目的層。

（2）下鉆時噴嘴用膠帶纏封保護，到目的層投入鋼球后，為確保噴嘴纏封膠帶順利沖開，宜先采用流動性更好的低粘度漿液或清水。

2.3 旋噴水泥漿液量計算

噴漿量計算有體積法和噴量法2 種方法，體積法適用于理論計算，現(xiàn)場應(yīng)用中一般采用噴量法計算。

（1）體積法：

式中：Q——需用漿量，m3；D1——旋噴體直徑，m；D2——注漿管直徑，m；k1——填充率，取0.75～0.9；k2——未旋噴范圍的填充率，取0.5～0.75；h1——旋噴長度，m；h2——未旋噴長度，m；β——損失系數(shù)，取0.1～0.2。

（2）噴量法：

以單位時間噴射的漿量及噴射持續(xù)時間，計算出漿量：

式中：V——提升速度，m/min；H——噴射長度，m；q——單位時間噴漿量，m3/min。

2.4 水泥漿配制

（1）水泥過篩網(wǎng)，顆粒＜3.5 mm，膨潤土浸泡。

（2）按配方順序，添加材料，充分?jǐn)嚢?，同時要注意觀察，具體次序為：水（扣除浸泡膨潤土用水）→水泥→浸泡膨潤土→水玻璃→減水劑。

（3）漿液過濾：在吸水管前設(shè)一道過濾網(wǎng)，濾網(wǎng)目數(shù)應(yīng)小于噴嘴直徑。

（4）已制成的待用漿液應(yīng)不間斷攪拌，防止沉淀。

2.5 壓漿旋噴提升

（1）將鉆具下入到目的孔段底部后，卸開主動鉆桿投放鋼球止水。

（2）重新接上鉆桿，用低粘度漿液或清水沖開噴嘴保護膠帶，然后壓送配制好的水泥漿液。

（3）噴射注漿參數(shù)：壓力達到規(guī)定值并穩(wěn)定后（當(dāng)泵壓升高后穩(wěn)定），水泥漿到底，轉(zhuǎn)動鉆桿緩慢往上提。其參數(shù)見表1。

表1 高壓旋噴注漿技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of high pressure jet grouting

當(dāng)噴至加固孔段頂部位置時（當(dāng)泵壓減小時），停止旋噴作業(yè)提出孔內(nèi)鉆具，并及時清理。

旋噴過程中，應(yīng)隨時記錄異常情況，并做好施工記錄。要安排專人在泥漿泵旁邊觀察泵壓變化，當(dāng)憋泵時，提起水泵操縱手把。

2.6 壓送替漿水

替漿水公式：

式中：Q壓——替漿水量，L；K——壓水系數(shù)，淺孔取0.9，深孔取0.95；L——鉆孔深度，m；M——孔內(nèi)靜水位，m；D——每米鉆桿容積，L/m；Q地——地面管閥及水泵容積，L。

2.7 清洗機具設(shè)備

水泥漿液灌注完畢，認(rèn)真清洗注漿機具、設(shè)備；鉆桿內(nèi)不得殘存水泥漿。

2.8 掃孔

候凝時間在12～16 h 為宜，地層松軟取小值，地層完整可選大值。實踐表明，候凝時間過短，水泥與孔壁的固結(jié)體會因強度過小而受到破壞。候凝時間過長，水泥強度較高，易在松軟孔段掃出新孔。

3 工程應(yīng)用及分析

3.1 地表試驗

通過地表試驗，檢查、驗證整個系統(tǒng)運行情況，噴嘴噴射情況，水泥漿性能及設(shè)備，鉆具工作穩(wěn)定情況，直觀檢驗噴射狀態(tài)。地表試驗現(xiàn)場見圖5。

圖5 地表試驗現(xiàn)場Fig.5 Surface test site

試驗設(shè)備：BW-250 型泥漿泵、高壓管、主動鉆桿、泵壓表、攪拌桶、手電鉆（攪拌器用）、帶噴具的鉆具2 套（一套帶錐度的噴嘴鉆具，一套沒有錐度的噴嘴鉆具，各有4 個噴嘴，噴嘴直徑5、3 mm）。試驗分清水和水泥漿2 種情況進行（見表2）。

表2 噴嘴試驗參數(shù)對比Table 2 Comparison of nozzle test parameters

從表2 可以看出，噴嘴的直徑和泵量一定的情況下，泵壓越高，噴射距離越遠(yuǎn)。小直徑噴嘴比大直徑噴射的距離遠(yuǎn)。從實驗中可看出帶有錐度θ噴嘴霧化比直噴嘴的霧化好。但從多次實驗情況來看，帶有錐度的噴嘴口易損壞，而且?guī)уF度的噴嘴機加工工藝復(fù)雜，不適應(yīng)野外生產(chǎn)，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中通常采用直徑3～5 mm 的直噴嘴。

3.2 生產(chǎn)應(yīng)用情況

3.2.1 湖南省郴州石蓋塘某鉛鋅礦項目生產(chǎn)應(yīng)用

湖南省郴州石蓋塘某鉛鋅礦項目ZK1803 孔設(shè)計傾角90°，施工設(shè)備為GXY-2 型鉆機、BW-160/10 型泥漿泵。開孔用?110 mm 硬質(zhì)合金鉆頭，地層為第四系殘坡積物，開孔即采用優(yōu)質(zhì)泥漿，鉆進5 m后，巖心變硬，其巖層為石炭系中的白云巖；鉆進到9.03 m 巖石破碎，表現(xiàn)為巖層裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散。從第9 回次開始巖心破碎，采取率在20%～50%，特別是在21.16～29.43 m 處泥漿嚴(yán)重漏失。從9～32.40 m 段采用旋噴注漿護孔壁破碎、封漏失孔段，經(jīng)透孔鉆進到32.40 m，下入?108 mm 套管32.43 m，然后改?75 mm 繩索取心鉆進。

在60～230 m 段，為白云質(zhì)灰?guī)r。鉆進到95～121 m 遇構(gòu)造破碎帶，裂隙發(fā)育，見有大裂隙，寬度約為150 mm，夾帶泥質(zhì)灰?guī)r，在高水頭壓力作用下巖層發(fā)生垮塌，鉆進過程中頻繁發(fā)生斷鉆桿事故，為此進行旋噴注漿護孔。

在237～436 m 為中細(xì)粒似斑狀黑云母花崗巖，特別在275～317 m 巖層受地質(zhì)應(yīng)力的強擠壓作用下，巖石極為破碎，膠結(jié)松散，表現(xiàn)為鉆進堵水、堵心，經(jīng)常發(fā)生鉆桿折斷，稍不注意會造成燒鉆事故。此段破碎段較長，如果沖洗液選擇和操作方法不當(dāng)，一旦坍塌，極易形成連鎖反應(yīng)，坍塌無法控制。為此每鉆進10 多米進行旋噴注漿護孔，連續(xù)灌注3 次，護住了此嚴(yán)重破碎、垮孔段。取出了水泥心（見圖6）。最后鉆進至436 m 終孔。

圖6 ZK1803 孔水泥心Fig.6 Cement core taken from ZK1803 well

此孔注漿所用的旋噴鉆具有直徑4 mm 的直噴嘴4 個，相隔80 mm，分別安在4 個不同的方向。注漿用水泥為42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比0.5。耗用水泥8 包，減水劑4 kg，水玻璃12 kg。旋噴技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 某鉛鋅礦項目現(xiàn)場旋噴技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of on-site rotaryjet grouting in a lead-zinc mine

3.2.2 湖南省汝城某鈾礦項目生產(chǎn)應(yīng)用

為了進一步檢驗高壓旋噴護壁堵漏技術(shù)工藝及方法，我們在湖南省汝城縣某鈾礦項目ZK43-02 孔進行了生產(chǎn)應(yīng)用。

主動鉆桿，高壓管（50 m），立式攪拌桶，水電鉆（攪拌器用），帶有噴嘴的旋噴鉆具1 套（旋噴鉆具有直徑4 mm 的直噴嘴4 個，相隔距離80 mm，分別安在4 個不同的方向），?75 mm 繩索取心鉆桿700 m，水泥4 包，減水劑2 kg，水玻璃6 kg。

該地區(qū)主要是覆蓋層中粗粒似斑狀黑云母花崗巖，石英硅化帶，碎裂蝕變花崗巖硅化構(gòu)造角礫巖，綠泥蝕變花崗巖。巖層軟硬交替，蝕變碎裂遇水極易松散膨脹，掉塊和鉆井液漏失嚴(yán)重。

ZK43-02 施工所用鉆機為GYH-1500 型，泥漿泵為BW-250 型。開孔用?110 mm 金剛石鉆頭，地層為第四系殘坡積物，采用濃泥漿，鉆進到30 多米，巖心變硬，其巖石為花崗巖，下入?89 mm 套管。變徑?75 mm 繩索取心，鉆進至127 回次，孔深285.70 m，巖心為花崗巖，繼續(xù)鉆進3 個回次后出現(xiàn)鉆機憋車、泵壓升高現(xiàn)象，采用泥漿護壁無效后無法繼續(xù)鉆進。因?89 mm 套管已下至285.70 m，不能用小一級套管封住復(fù)雜地層段，故采用高壓旋噴技術(shù)解決護壁問題。在孔深286 m 處，碰到水泥面，掃孔取出水泥心樣，掃孔穿過坍塌孔段后，采用?75 mm 鉆進，鉆進5 m 后見完整花崗巖，鉆進至終孔。

旋噴鉆具有直徑4 mm 的直噴嘴4 個，相隔80 mm，分別安在4 個不同的方向。此孔注漿用42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比0.5。耗用水泥4 包，減水劑2 kg，水玻璃6 kg。具體旋噴技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 某鈾礦現(xiàn)場旋噴技術(shù)參數(shù)Table 4 Technical parameters of on-site rotary jet grouting in an uranium mine

3.2.3 山西省繁峙縣某金礦項目應(yīng)用

2021 年7 月，在山西省繁峙縣某金礦ZK1102 鉆孔施工，地層為片麻巖，下部構(gòu)造發(fā)育，巖石蝕變強烈，無地下水，施工采用TW 系列金剛石繩索取心鉆進工藝，使用膨潤土、纖維素、植物膠等材料的高性能泥漿施工。當(dāng)?75 mm（NTW）金剛石繩索取心鉆進至232～264 m 層段時，鉆遇多層強蝕變破碎帶，其最厚處有16 m，孔內(nèi)垮塌、掉塊嚴(yán)重，卡埋鉆現(xiàn)象頻發(fā)，施工難度極大。因?95 mm 套管位于45 m 處，上部巖石完整堅硬，擴孔難度大、成本高，故選用高壓旋噴技術(shù)解決該層段孔壁不穩(wěn)定問題，并根據(jù)鉆機設(shè)備特點優(yōu)化高壓旋噴工藝。

施工所用鉆機為EP600PLUS 型便攜式全液壓鉆機，BW150 型泥漿泵，NTW 鉆桿。

根據(jù)設(shè)備條件，對旋噴鉆具、水泥漿配方、施工操作3 個方面進行了優(yōu)化。

（1）旋噴鉆具：為保障旋噴切力，采用直徑4 mm的直噴嘴3 個，分別安在相隔120°的3 個不同方向，呈螺旋狀分布。

（2）水泥漿配方：為提升漿液流變性，提高了減水劑的加量。此孔注漿采用配方為：水灰比0.5（42.5 普通硅酸鹽水泥），減水劑1.5%，水玻璃3%。

（3）施工操作：為實現(xiàn)更好的旋噴效果，利用液壓鉆機無級調(diào)速的優(yōu)勢，適當(dāng)降低了鉆具提升速度與旋轉(zhuǎn)速度。具體旋噴技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 某金礦現(xiàn)場旋噴技術(shù)參數(shù)Table 5 Technical parameters of on-site rotary jet grouting in a gold mine

利用旋噴鉆具先導(dǎo)鉆頭掃孔到264 m，從下往上旋噴注漿，用水泥6 包，減水劑4.5 kg，水玻璃9 kg。候凝20 h 時后掃孔，在226 m 處遇完整水泥心（見圖7），掃孔后正常鉆進，后續(xù)穿過該層位后未再出現(xiàn)卡埋鉆問題，順利終孔。

圖7 ZK1102 巖心與水泥心Fig.7 Rock core and cement core taken from ZK1102 well

4 高壓旋噴護壁堵漏技術(shù)特點和應(yīng)用技術(shù)要點

4.1 技術(shù)特點

該技術(shù)具有設(shè)備簡單、施工方便、速度快、效益高、成本低、操作簡單、適用范圍廣等特點。

（1）能在十多個小時解決復(fù)雜地層護壁堵漏問題，確保繼續(xù)同徑裸孔鉆進，大幅減少套管投入、節(jié)省時間。

（2）能大幅提高純鉆進時間，減少孔內(nèi)事故時間，提高臺月效率，降低鉆探成本。

4.2 應(yīng)用技術(shù)要點

（1）灌漿前必須準(zhǔn)備充分，分工明確，指揮統(tǒng)一，動作協(xié)調(diào)迅速，全部漿量必須一次灌完。

（2）應(yīng)詳細(xì)了解、掌握、記錄實際孔深和孔內(nèi)護孔壁孔段情況，并進行詳細(xì)分析。

（3）應(yīng)根據(jù)孔內(nèi)情況合理確定噴嘴數(shù)量、直徑和工藝參數(shù)。旋噴施工中要注意泵壓，轉(zhuǎn)速，提升速度等參數(shù)的控制，并及時根據(jù)地層情況進行調(diào)整。

（4）噴射注漿自下而上連續(xù)進行，送漿到位后停泵，中途不得任意中斷噴射、提升。因卸管或其他原因（停電、停水、機械故障等）造成的注漿中斷，停歇時間超過0.5 h，應(yīng)清洗管路，防止堵塞?；謴?fù)旋噴時，從中斷處0.5 m 以下開始，以保證旋噴體質(zhì)量。

（5）在高壓旋噴過程中出現(xiàn)壓力驟然下降，上升等異常情況時，應(yīng)查明產(chǎn)生的原因并及時采取措施。

（6）施工中應(yīng)如實記錄高壓旋噴的各項參數(shù)和出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，做好鉆孔及旋噴作業(yè)原始記錄。

5 結(jié)語

通過高壓旋噴護壁堵漏技術(shù)工藝的試驗和野外生產(chǎn)實踐，實現(xiàn)了高壓旋噴技術(shù)在巖心鉆探中的應(yīng)用，形成了較完善的復(fù)雜地層高壓旋噴護壁堵漏技術(shù)體系。工程應(yīng)用實踐表明，該技術(shù)具有安全性強、施工簡便、防漏堵漏效果好等優(yōu)點，尤其適用于解決多層段復(fù)雜地層和深部復(fù)雜地層鉆進嚴(yán)重垮孔漏失問題，解決了復(fù)雜地層護壁堵漏受孔徑限制的難題，提高了鉆孔質(zhì)量。這一成果為復(fù)雜地層護壁堵漏增添了一種行之有效的手段。進一步研究旋噴鉆具噴嘴的幾何形狀，采用專門的高壓旋噴設(shè)備，引進雙管旋噴工藝，拓展應(yīng)用范圍，該技術(shù)前景廣闊。