姚鋒杰

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 太原030024）

0 引言

現(xiàn)代覆蓋層勘探，除了黏土層、淤泥層、厚砂層取樣有比較成熟的工具和方法外，對(duì)于松散、膠結(jié)性差和質(zhì)地堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的深厚砂卵石、漂卵石層和其間的薄砂層取樣，尤其是取原結(jié)構(gòu)樣，仍然是國(guó)內(nèi)外的難題。為了查明深厚砂卵石地層的結(jié)構(gòu)往往需要采用多次重復(fù)布孔或開(kāi)挖豎井來(lái)完成，如果仍達(dá)不到目的，將影響工程的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)程［1］。因此，認(rèn)真研究深厚覆蓋層鉆探工藝和選擇鉆進(jìn)方法，對(duì)于保證鉆探質(zhì)量和提高鉆進(jìn)效率至關(guān)重要。

隨著SM植物膠鉆探工藝和SD系列鉆具的研制成功才使得深厚覆蓋層鉆進(jìn)效率和巖心采取率得到大幅度提高成為可能。

1 地質(zhì)條件及勘察要求

澤城水電站位于左權(quán)縣粟城鄉(xiāng)清漳河的東西兩源交匯處下游的清漳河干流上，壩址出露地層主要為元古界長(zhǎng)城系常州溝組（Chc）石英砂巖、燕山期輝綠巖脈（βμ51）和第四系全新統(tǒng)松散堆積物。河床覆蓋層主要為全新統(tǒng)洪沖積物（Q4pal），巖性表層為低液限粉土，表層發(fā)育植物根系，結(jié)構(gòu)松散，零星分布碎塊石，厚0.5～1.5 m，其下為混合土卵石或卵石混合土夾粉土、細(xì)砂透鏡體，卵礫石呈次棱角至次圓狀，一般粒徑20.0～160.0 mm，含量大于50%，漂石、孤石含量大于15%，成分主要為石英砂巖，含少量變質(zhì)巖，細(xì)粒為中細(xì)砂和粉土。結(jié)構(gòu)松散，局部架空，級(jí)配不均，厚20.0～52.0 m.基巖以石英砂巖為主。

地質(zhì)對(duì)鉆探的質(zhì)量要求和技術(shù)要求：通過(guò)鉆探查明壩址區(qū)第四紀(jì)沉積物的成因類型、厚度、組成及其分布情況，以及基巖面分布高程及起伏情況。終孔孔徑不得小于75 mm，全孔取芯鉆進(jìn)，覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化層基巖巖心采取率大于等于80%，弱風(fēng)化層基巖巖心采取率大于等于85%，基巖巖心采取率大于等于90%，在基巖中按要求進(jìn)行壓水試驗(yàn)。

2 主要設(shè)備及材料

根據(jù)地層條件、鉆孔深度及地質(zhì)要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，鉆探設(shè)備選擇如下：

鉆機(jī) XY-2型巖心鉆機(jī)

水泵 BW150型變量泵

攪拌機(jī) SM-1型鉆井液攪拌機(jī)

鉆具 SD110金剛石鉆具、SD94金剛石鉆具、S75金剛石繩索取芯鉆具

套管 φ168×10 mm厚壁套管 φ130×10 mm厚壁套管

3 鉆探工藝及施工技術(shù)

3.1 鉆探工藝和鉆進(jìn)方法

在該工程可研階段勘察中，覆蓋層采用清水或干鉆跟管鉆進(jìn)的鉆探工藝進(jìn)行施工，該工藝不僅鉆探效率極低，管材消耗大，而且?guī)r心采取率和巖心質(zhì)量達(dá)不到地質(zhì)要求。因此，在進(jìn)行初設(shè)階段勘察前，認(rèn)真分析、研究了可研階段的原始資料以及存在的問(wèn)題，大量收集其他單位在類似地層條件鉆探的成功經(jīng)驗(yàn)，決定在覆蓋層中采用SM植物膠和SD金剛石單動(dòng)雙管半合管取心鉆具鉆進(jìn)，然后跟進(jìn)套管的鉆探工藝進(jìn)行施工?；鶐r采用金剛石繩索取心鉆探工藝完成。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

開(kāi)孔采用φ146 mm金剛石單管鉆具鉆進(jìn)5～10 m，跟進(jìn)φ168×10 mm厚壁套管護(hù)壁，然后換用SD110 mm和SD94mm金剛石單動(dòng)雙管半合管鉆具鉆進(jìn)，并根據(jù)鉆孔內(nèi)情況及時(shí)跟進(jìn)φ130×10 mm厚壁套管以保護(hù)孔壁，直至鉆到完整基巖?；鶐r采用S75金剛石繩索取心鉆具鉆至設(shè)計(jì)孔深。

4 SM植物膠沖洗液的配制和維護(hù)

SM植物膠是由多年生野生草本植物直根加工而成，主要成分含多糖類半乳聚糖、甘露聚糖等。它可以任意比例溶解于水，制成無(wú)固相或低固相沖洗液。作為砂卵石覆蓋層鉆進(jìn)用沖洗液，為了取原結(jié)構(gòu)狀巖心和保護(hù)孔壁，必須采取高濃度的配方，才能達(dá)到此特殊目的?，F(xiàn)場(chǎng)配制的程序流程是：首先向攪拌機(jī)中加入1/2罐清水，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)同時(shí)按水重量的2%一次性倒入SM植物膠粉攪拌5 min，然后加滿清水并按SM植物膠粉重量的5%加入燒堿繼續(xù)攪拌10 min 即可使 用［1］。

在使用的過(guò)程中一定要采用循環(huán)方式沉淀、除去泥漿中的砂子和巖粉，并且當(dāng)漿液黏度降低變稀時(shí)，須及時(shí)加入SM植物膠粉攪拌補(bǔ)充漿液的濃度。

5 鉆進(jìn)參數(shù)和操作注意事項(xiàng)

根據(jù)澤城水電站深厚覆蓋層鉆探的實(shí)踐證明，當(dāng)使用SM植物膠作為鉆進(jìn)用沖洗液時(shí)，為了確保巖心采取質(zhì)量和鉆進(jìn)效率，鉆進(jìn)參數(shù)應(yīng)遵循“低壓力、高轉(zhuǎn)速、小泵量”的原則。正常鉆進(jìn)時(shí)采用的鉆進(jìn)參數(shù)為：轉(zhuǎn)速500～800 r/min，鉆壓5～8 kN，泵量 20～40 L/min，泵壓小于 0.5 MPa.

在操作中應(yīng)特別注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）合理控制起下鉆的速度，操作要平穩(wěn)，避免孔內(nèi)產(chǎn)生較大的壓力脈沖而造成孔壁坍塌。鉆孔較深時(shí)，起鉆要向孔內(nèi)回灌漿液，目的是保持孔內(nèi)壓力平衡，防止鉆孔坍塌掉塊。

（2）下鉆后，應(yīng)先用大泵量沖孔，然后改用小泵量鉆進(jìn)。當(dāng)?shù)貙咏Y(jié)構(gòu)松散、取心困難時(shí)，應(yīng)盡量減小泵量，以確保取心質(zhì)量。

（3）在鉆進(jìn)過(guò)程中，如果進(jìn)尺正常，不得隨意改變鉆進(jìn)參數(shù)，也不應(yīng)隨意提動(dòng)鉆具，以免發(fā)生巖心堵塞。當(dāng)發(fā)生巖心堵塞后，若提動(dòng)鉆具幾次無(wú)效，應(yīng)及時(shí)提鉆處理，避免磨掉巖心。

（4）在跟管鉆進(jìn)時(shí)，取出的巖心直徑發(fā)現(xiàn)有大于套管直徑的孤石，要進(jìn)行孔內(nèi)爆破，將孤石炸碎，然后跟管。進(jìn)行孔內(nèi)爆破，炸藥包頂部至管靴的安全距離不得小于0.5 m，并根據(jù)藥量確定安全距離，避免炸壞管靴。

（5）應(yīng)經(jīng)常對(duì)SD金剛石鉆具進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。每次下鉆前須檢查鉆具的單動(dòng)性能是否良好、水口是否暢通，提鉆后根據(jù)地層情況隨時(shí)調(diào)整卡簧座與鉆頭內(nèi)臺(tái)階的間隙。對(duì)于松散的覆蓋層間隙一般 2～3 mm 為宜［1、2］。

6 使用SM植物膠鉆探工藝的優(yōu)越性

通過(guò)澤城水電站勘察可研階段使用常規(guī)鉆探工藝和初設(shè)階段使用SM植物膠鉆探工藝的效果對(duì)比（見(jiàn)表1），可以總結(jié)出使用SM植物膠鉆探工藝具有以下幾個(gè)優(yōu)越性。

表1 鉆探成果比較

（1）鉆孔質(zhì)量顯著提高常規(guī)鉆進(jìn)，砂卵石層巖心采取率不足40%，而使用SM植物膠金剛石鉆探工藝巖心采取率均可達(dá)到95%以上。為地質(zhì)人員提供了真實(shí)直觀的巖石樣品，從而準(zhǔn)確判斷地層的結(jié)構(gòu)和顆粒級(jí)配。

（2）鉆進(jìn)效率大幅度提高常規(guī)鉆進(jìn)，砂卵石層平均效率只有不足3 m/d.而采用SM植物膠新工藝平均效率可達(dá)7 m/d以上，效率可以提高50%以上，大大的加快了勘探進(jìn)度。

（3）SM植物膠沖洗液護(hù)壁作用可靠，可以實(shí)行裸孔鉆進(jìn)。若孔內(nèi)沒(méi)有大孤石且漏失不嚴(yán)重裸孔鉆進(jìn)深度可達(dá)20 m以上。穩(wěn)定的孔壁減少了鉆進(jìn)過(guò)程中埋鉆、卡鉆事故的發(fā)生，也不像常規(guī)鉆進(jìn)方法需要跟進(jìn)多套套管，大大簡(jiǎn)化了鉆孔結(jié)構(gòu)，為砂卵石層實(shí)行小口徑金剛石鉆進(jìn)創(chuàng)造了有力條件，同時(shí)可以減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和管材的消耗［4］.

7 結(jié)束語(yǔ)

工程地質(zhì)的目的在于了解地層的結(jié)構(gòu)和工程地質(zhì)性質(zhì)，為工程設(shè)計(jì)、施工提供可靠準(zhǔn)確的依據(jù)和必要的試驗(yàn)指標(biāo)，鉆探是工程地質(zhì)勘察的重要手段之一。而保證巖心采取率和巖心質(zhì)量、提高鉆探效率是鉆探工作的重點(diǎn)［3］.澤城水電站初設(shè)階段勘察工作時(shí)使用SM植物膠金剛石鉆探工藝共完成鉆孔11個(gè)，砂卵石地層深度最深達(dá)52 m，砂卵石地層總進(jìn)尺358.6 m，巖心采取率均超過(guò)90%，效率較可研階段勘察也有大幅度提高。盡管SM植物膠鉆進(jìn)是深厚松散砂卵石覆蓋層鉆進(jìn)的一種較好方法，但是與其它常規(guī)鉆進(jìn)方法一樣也不是萬(wàn)能的。若開(kāi)孔10 m以內(nèi)為較細(xì)顆粒的松散地層，SM植物膠護(hù)壁防塌效果不是很好，取心效果不太好，同時(shí)需要跟管鉆進(jìn)；或遇地下水位較淺，漿液稀釋嚴(yán)重，需要及時(shí)補(bǔ)充漿液的濃度，這樣就造成成本加大。針對(duì)以上問(wèn)題在今后的工作中要認(rèn)真研究分析，使SM植物膠鉆探工藝更好地發(fā)揮其在深厚松散砂卵石覆蓋層鉆探中的優(yōu)越性，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］李月良.砂卵石層金剛石鉆進(jìn)和取樣技術(shù)［G］//水利水電巖土鉆鑿技術(shù).長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2001，254-268.

［2］長(zhǎng)江水利委員會(huì)三峽勘測(cè)研究院水利水電工程勘察與巖土工程施工技術(shù)［M］北京：中國(guó)水利水電出版社，2002，67-79.

［3］王堅(jiān)，舒建平.深厚覆蓋層鉆進(jìn)工藝研究［G］//水利水電工程鉆鑿施工技術(shù).長(zhǎng)春：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，2005，49-53

［4］宋宏圖.SM植物膠和SD系列金剛石鉆進(jìn)工藝在深厚砂卵石層的應(yīng)用［J］.探礦工程，2008，（3）：13-17.