吳燦輝

(福建省閩南地質大隊，漳州，363000 )

1 概述

高壓噴射注漿技術是從單管旋噴法CCP工法的基礎上發(fā)展起來的一種新型改良土壤、加固土層的施工方法。我國從20世紀70年代末開始引進旋噴成樁技術，經過30多年的應用研究和實踐取得了長足的發(fā)展和提高[1-4]。

當前，地質巖心鉆探的護壁方法主要有下入套管、常規(guī)灌注水泥和沖洗液循環(huán)護壁等3種方法，但是在深部復雜地層要實現(xiàn)孔壁穩(wěn)定，下入套管常受到成本過高和鉆孔口徑等條件的約束，而且深部復雜地層擴孔更易引發(fā)孔內事故。因此，對于地質巖心鉆探解決深部復雜地層的護壁難題，必須有一套經濟合理、技術可行的施工方法。

在開展福建深部礦體勘查鉆探技術工藝方法優(yōu)化及應用和創(chuàng)建國土資源部馬坑鐵礦——福建龍巖野外基地的過程中，福建省地礦局鉆探技術管理人員創(chuàng)造性地將高壓噴射注漿技術引入小口徑地質巖心鉆探的施工中，形成了高壓旋噴水泥漿護壁技術[5]。高壓旋噴水泥漿護壁技術吸收高壓旋噴加固軟土地基的精髓[6]，把這項地基處理技術運用于深孔巖心鉆探護壁堵漏，通過鉆具的研制和工藝的研究，以高壓旋噴水泥漿的方式，解決了常規(guī)護壁方法不能勝任的深部“斷層泥”護壁難題。

在前期系統(tǒng)調查分析地質巖心鉆探復雜地層的分類和其易引發(fā)的孔內事故，在總結分析高壓旋噴水泥漿護壁技術的基礎上，通過制定相應的對策，加工制造新型注漿鉆具，對水泥漿液進行優(yōu)化，對高壓旋噴水泥漿護壁技術進行綜合研究，規(guī)范工藝流程參數和基礎試驗參數，正確評估旋噴形成的水泥固結體直徑及其強度，應能滿足后續(xù)的鉆探施工護壁需求。在多個礦區(qū)對其進行生產試驗，根據不同地層形成對應解決措施，提高了深孔復雜地層水泥漿灌注后孔壁的穩(wěn)定性。

2 高壓旋噴水泥漿護壁技術工藝流程

高壓旋噴水泥漿護壁技術工藝流程是旋噴技術的重要組成部分，通過前期試驗，形成了一套較為成熟的工藝流程,主要工藝流程為確定護壁孔段→組裝旋噴鉆具→下入旋噴鉆具→配置護壁漿液→壓漿旋噴提升→提出旋噴鉆具→清洗旋噴鉆具→候凝、掃水泥。

根據孔內坍塌情況，選擇主要的孔段進行旋噴，計算好孔深。鉆具組裝下鉆前，應進行地面試噴。護壁孔段較深時，為避免下鉆過程中發(fā)生噴嘴堵塞，試噴正常后可用膠帶把噴嘴封上。

下旋噴鉆具要輕、慢，防止刮塌孔壁。下鉆遇坍塌孔段，可泵送泥漿或清水用合金鉆頭掃穿。水泥漿水灰比一般選用0.40～0.50。根據灌注孔段深度、灌注方法和工藝選擇適當的可灌期。漿液過濾裝置：在攪拌機與儲料箱之間和高壓注漿泵的吸水管進口各設一道過濾網，用來過濾漿液，并及時清理殘渣。濾網網格應小于噴嘴直徑，一般為3 mm×3 mm。注漿時，注漿參數(壓力、流量)達到規(guī)定值并穩(wěn)定后，噴嘴從嚴重坍塌孔段下方按噴射技術參數要求，留置旋轉噴漿1～3 min，再由下向上緩慢旋轉、提升噴射水泥漿，使欲固結護壁孔段充滿水泥漿。

候凝時間以36～72 h為宜。實踐表明，候凝時間過短，水泥與孔壁的固結體會因強度過小而受到破壞，失去堵漏或護壁的作用；候凝時間過長，水泥強度較高，易在松軟孔段掃出新孔[7，8]。

3 基礎參數研究試驗

高壓旋噴水泥漿的固化機理包括2個方面,一方面噴射漿體對坍塌孔壁加固硬化,另一方面水泥漿與孔內巖石碎屑形成復合體。運用高壓旋噴水泥漿護壁技術工藝方法，在鉆桿下端安裝特殊側向高壓噴嘴，從欲護壁孔段底部開始，由下往上邊泵送高壓水泥漿邊慢速旋轉和提升鉆桿。壓力漿液從噴嘴中高速噴出，以巨大的沖擊力破壞孔壁松散巖土體的同時，由于噴嘴的旋轉使?jié){液與從巖土體上崩落下來的顆粒(包括部分已坍塌物)攪拌混合或完全充填垮塌超徑形成的空間，并經過一定時間的凝固形成似圓柱狀的固結體。達到一定強度后下鉆掃水泥，即形成可靠、有效的“護壁水泥套管”。因此，水泥漿的噴射能力和后期形成固結體的強度決定了水泥孔壁的穩(wěn)定性，應開展相應的試驗進行定量分析。

3.1 地表旋噴能力試驗

3.1.1 試驗設計

為了測試在當前設備和鉆具條件下的旋噴能力，在地表對旋噴半徑進行了試驗測量。設備為XY-5型鉆機、BW250型泥漿泵、泥漿攪拌機等。旋噴鉆具采用4個噴嘴等圓分布(鉆具受力均勻且漿液壓力適宜)，噴嘴直徑為5 mm，不帶合金鉆頭。

3.1.2 試驗過程

采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比0.45，加入適量氯化鈉-三乙醇胺復合早強劑，漿液密度控制在1.6 g/cm3。漿液在抽吸前先經過3 mm×3 mm網格過濾。旋噴漿液流通通道：容器→BW250型泥漿泵→高壓水龍頭→主動鉆桿→鉆桿→旋噴鉆具。

3.1.3 結果與分析

通過試驗測得，旋噴樁的半徑在地面可以達到5 m。具體參數如表1所示。

表1 地面旋噴試驗參數

漿液在土體中切割與在空氣中噴射，在土體中的噴射直徑約為空氣中的0.075。在相同漿液條件下，在土體中的旋噴直徑約為375 mm。在一定深度的孔段進行旋噴，由于沿程壓力損失和鉆桿密封較差引起的漿液泄漏，旋噴直徑會相應縮減。而礦山鉆探終孔口徑通常為75 mm，通過再次鉆進，旋噴形成的水泥固結體最終會形成壁厚不小于100 mm的似圓筒狀孔壁形成穩(wěn)定的孔壁，滿足鉆探施工的技術要求。

3.2 水泥固結體強度試驗

3.2.1 試驗設計

對于鉆孔施工來說，初凝時間決定了掃孔的最早時間，終凝時間及其中后期的強度與鉆孔灌注的水泥孔壁的穩(wěn)定性密切相關。應選擇初凝時間短、早期強度大、終凝強度大的水泥漿配方。該次試驗選定同時摻0.5%氯化鈉與0.02%三乙醇胺的水泥漿配方，該組水泥漿配方3 d的抗壓強度可以達到40 MPa,28 d的抗壓強度可超過60 MPa，基本符合鉆孔施工的要求[9]。

為了更好地評估水泥漿的配方，將孔內可能出現(xiàn)的碎屑物簡化分為3大類：小石子、粗砂、土。其中水泥的添加劑氯化鈉摻量為0.5%，三乙醇胺摻量為0.02%。

使用儀器為電子天平JA2003N、普通天平、量杯、攪拌桶。材料為普通硅酸鹽水泥P.O 42.5、氯化鈉、三乙醇胺。

3.2.2 試驗過程

將不同水灰比的水泥漿分別與3種碎屑物混合攪拌，制得3組9個不同的水泥固結體標準方塊，凝固72 h后送檢，試驗參數及抗壓強度如表2所示，抗壓強度能滿足要求。

表2 水泥固結體抗壓試驗

3.2.3 結果與分析

一定程度的降低水灰比，有利于固結體抗壓強度的提高；在風化的土體里，水泥的固結體強度遠遠低于在砂層或碎石層。水泥灌注形成的孔壁強度較低，只能作為臨時的護壁方法，如條件允許，應下入套管；在石子和砂的混合地層中，固結體的抗壓強度遠遠大于含有土的混合地層。

4 工程應用試驗分析

在進行高壓旋噴水泥漿護壁技術的綜合研究與工程試驗的過程中，應不斷提高該工藝方法對不同類型復雜地層處理能力的認識。前期在馬坑礦區(qū)開展了深孔泥巖破碎地層試驗和深孔堅硬破碎地層試驗，為了深入了解該工藝方法的適宜地層和典型技術特征，選擇了石灰?guī)r溶洞地層為主的永定烏石下礦區(qū)和頁巖斷層破碎為主的貴州省開陽磷礦洋水礦區(qū)，對7個鉆孔開展試驗研究，筆者選取較為典型的鉆孔進行闡述。

4.1 福建永定烏石下礦區(qū)試驗

4.1.1 鉆孔基本情況

福建永定烏石下礦區(qū)ZK301設計孔深100 m，終孔孔深96.69 m。

孔內地層主要為石灰?guī)r，夾多層溶洞，溶洞內有泥狀填充物，鉆孔分層巖性特征如(表3)所示，鉆孔水位較低，該鉆孔69～81 m段巖心(74.34～69 m溶洞)如圖1所示。

表3 ZK301分層巖性

4.1.2 高壓旋噴作業(yè)基本情況

(1)設備：XY-2型鉆機、BW250型泥漿泵、泥漿攪拌機等。

(2)護壁材料：采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比0.45，加入0.5%氯化鈉與0.02%三乙醇胺的復合早強劑，漿液密度1.6 g/mm3。

(3)旋噴鉆具組合：φ75繩索鉆桿+帶合金刮刀噴具(噴具噴嘴3個)。

(4)下入孔內預定位置后，先進行掃孔，掃至孔底后，送水暢通，替入一定清水后開始送漿。

(5)壓送水泥漿及替水量旋噴。當漿液自噴嘴噴射時，開動鉆機，進行旋噴作業(yè)，直至漿液、替水壓送完畢。

(6)注漿完畢，把鉆桿提起一立根后，清洗鉆桿，提鉆。

(7)注漿24 h后探水泥面，48 h后掃孔。

4.1.3 護壁效果

能在設定孔段之上碰到水泥面，證明水泥多次灌注有效；掃孔取出的水泥心樣混有孔壁塌落物，74.34～96.69 m溶洞孔段水泥心如(圖2)所示，ZK301中水泥心強度較低，填充物呈粒狀較為均勻地分布在水泥心樣中，固住填充物的孔段后，該鉆孔順利終孔。

圖1 ZK301中69～81 m巖心(74.34～69 m溶洞)Fig.1 The drill cores of 69-81 m ZK301 (74.34-69 m karst cave)

圖2 ZK301中74.34～96.69 m溶洞孔段水泥心Fig.2 The drill cores of karst cave section of 74.34-96.69 m ZK301

4.2 貴州省開陽磷礦洋水礦區(qū)試驗

4.2.1 礦區(qū)基本情況

該礦區(qū)主要地層巖性特征如表4所示。

表4貴州省開陽磷礦洋水礦區(qū)分層巖性特征

Table4StratifiedlithologycharacteristicsinYangshuiminingareaofKaiyangphosphatemine,Guizhouprovince

序號孔段(m)巖 性10～30第四系覆土230～500多為灰色頁巖夾灰色薄層砂巖3500～1 000多為灰色白云巖

該礦區(qū)主要施工難點是存在斷層破碎帶，斷層埋藏深，同一鉆孔出現(xiàn)多層斷層，層厚不一，少則2～3 m，多則超過10 m，常處于孔深500～900 m。斷層的角礫成分為磷塊巖及白云巖，礫徑1～5 mm，鈣質膠結或泥質膠結，節(jié)理發(fā)育，呈網狀，巖心破碎，呈碎塊狀、碎屑狀。

4.2.2 高壓旋噴作業(yè)基本情況

(1)設備：XY-5型鉆機、BW250型泥漿泵、泥漿攪拌機等。

(2)護壁材料：采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比0.45，加入0.5%氯化鈉與0.02%三乙醇胺的復合早強劑，漿液密度1.6 g/mm3。

(3)旋噴鉆具組合：φ75繩索鉆桿+φ50內絲鉆桿 +帶合金刮刀噴具(噴具噴嘴3個)。若需灌注的孔段比較長，則下入φ50內絲鉆桿的米數為處理孔段的2倍，普通情況下入10 m左右。

(4)按高壓旋噴工藝流程灌注水泥漿液。

(5)注漿24 h后探水泥面，48 h后掃孔。

4.2.3 護壁效果

(1)ZK303護壁效果

ZK303巖性特征如表5所示。

表5 ZK303斷層巖性特征

該鉆孔在孔深846 m后遇到破碎帶，裂隙發(fā)育，部分巖心呈顆粒和粉碎狀，難采取(圖3)。長孔段的破碎巖層易造成鉆效低，卡鉆事故頻繁，工人勞動強度大。為防止卡鉆等事故的發(fā)生，在破碎帶孔段多次進行旋噴水泥漿護壁，且護壁效果理想(圖4)，隨后采用少打多提的方法提高巖心采取率，順利鉆至終孔。

圖3 ZK303中891.21～898.21 m巖心Fig.3 The drill cores of 891.21-898.21 m ZK303

圖4 ZK303中891～898m水泥心Fig.4 The drill cores of 891-898 m ZK303

(2)ZK2+200-1護壁效果

ZK2+200-1巖性特征如表6所示。

表6 ZK2+200-1斷層巖性特征

孔深190～299.90 m泵送水泥漿后提鉆，水泥漿隨涌水升至孔口，無法護壁，擴孔至299.9 m下入φ89套管。

在595～612 m孔段多次灌注水泥漿，由于此孔段位于含水層，旋噴水泥漿凝結效果差，607.90～615.35 m孔段巖心如圖5所示，于605～610 m孔段始終未能形成良好護壁，ZK2+200-1中600～620 m處水泥心如圖6所示。

圖5 ZK2+200-1中607.90～615.35 m巖心Fig.5 The drill cores of ZK2+200-1 607.90-615.35 m

圖6 ZK2+200-1中600～620 m處水泥心Fig.6 The drill cores of ZK2+200-1 600-620 m

采用水泥漿護壁鉆進至703 m，孔內坍塌，就地將φ72鉆桿當作套管使用，換φ56鉆具鉆至終孔。由于595～612 m孔段為含水層，水泥漿液初凝前無法留存時，難以形成有效的固結體，無法達到護壁的目的。因此，當可以確認部分孔段為含水層，并且具有一定的流動性時，應采取其他有效的方式鉆進。

4.3 試驗總結分析

(1)通過2個礦區(qū)多個鉆孔的生產試驗，發(fā)現(xiàn)旋噴水泥漿護壁的工藝方法、操作步驟與注意事項與灌注水泥漿護壁基本相同，但卻能取得比灌注水泥漿更好更可靠的護壁效果，并在灌注水泥漿無法解決的已嚴重超徑孔段、溶洞地層等獲得成功護壁[10]，主要是高壓漿液從慢轉、緩提的鉆具側向高速噴出，使?jié){液不僅具有很大的沖擊破土、滲入裂隙的能力，充分置換泥漿和充填超徑、溶洞空間，并與旋噴段孔內的巖土顆粒攪拌混合。

(2)旋噴水泥漿護壁技術原則上需要孔內有一定的顆粒做為骨架基礎，并且孔內的液體留存環(huán)境相對穩(wěn)定。該技術具有一定的局限性，操作相對復雜，對于漿液的固相顆粒的粒徑控制要求嚴苛。在較大的開放性溶洞巖隙(無填充物或填充物較少)，當水泥漿液初凝前無法留存時，難以形成有效的固結體，無法達到護壁的目的。

5 結語

(1)高壓旋噴水泥漿護壁技術是一項綜合性的工藝技術，適用于泥巖、頁巖、斷層破碎帶、有一定填充物一定空間約束的溶洞和花崗巖裂隙發(fā)育破碎地層等多種深孔復雜地層。這項技術提高了深孔復雜地層水泥漿灌注后孔壁的穩(wěn)定性，提供了新的護壁技術思路和方法，成功的將樁基礎施工的旋噴技術通過消化吸收轉化為在礦山小口徑鉆探施工得以應用的護壁技術方法，具有開創(chuàng)性。

(2)高壓旋噴水泥漿護壁技術每一個環(huán)節(jié)都要做好。旋噴鉆具要按照鉆孔尺寸加工，合理選擇噴嘴的數量；要對孔內情況進行預判，確保鉆具能到達預定孔段，若不能，則孔內的護壁堵漏應采取相應的措施；鉆桿柱和地面的設備要清洗干凈，擰緊接頭處；要對一定配比的水泥漿液充分攪拌，并按照噴嘴的大小選擇過濾網進行過濾；機臺作業(yè)要連貫，熟練掌握灌注水泥漿的替漿，注意埋管深度；復噴要關注水泵壓力表和負荷，確保不出孔內事故；灌注完水泥漿后要及時替漿，并清洗鉆桿，保持孔內壓力平衡。

本文承蒙兩位同行專家的悉心指導和審閱，并指出寶貴的修改意見，在此表示衷心的感謝！