黔张常铁路石板铺隧道岩溶区深孔钻探技术

(陕西铁道工程勘察有限公司，陕西宝鸡　721001)

1　工程概况

新建黔张常铁路位于渝东南、鄂西南和湘西北三省交界地带，西起重庆市黔江区，东至湖南省常德市，途径湖北省咸丰县、来凤县，湖南省龙山县、永顺县、桑植县、张家界市、桃源县等七市县，正线(双线)全长约334.3 km。

区内地层多变，地质构造复杂，沿线区内元古界至第四系地层均有出露。其中寒武系，奥陶系，二叠系，三叠系中的灰岩、白云岩、泥灰岩等碳酸盐类可溶岩大面积分布，岩溶强烈发育。

黔江至桃源县牛车河段，可溶岩分布较广泛，沿线三叠系嘉陵江组、大冶组，二迭系下统和奥陶系下统可溶岩为岩溶强烈发育区，其形态主要表现为大型漏斗、落水洞、岩溶洼地、井泉暗河密布，在断裂带及褶皱轴部等地下水交替循环强烈部位表现尤为强烈，部分地段表现为暗河管网。寒武系，奥陶系中下统薄层灰岩及厚层白云岩、白云质灰岩地段为岩溶中等发育区，局部发育有溶洞、溶槽、小型漏斗、岩溶井泉等；二迭系上统为薄层灰岩，中厚层白云岩、泥灰岩等，三叠系中统部分地段岩溶弱发育区，主要表现为溶蚀裂隙、溶孔及小型溶洞现象。

岩溶发育较为集中有九段：阿蓬江右岸、咸丰至与来凤交界处、龙山县东部茨岩塘及猛必乡一带、永顺县四十八牛头包、桑植县上洞街乡、桑植县卧云界—利福塔—桑植县、张家界市教子垭镇、张家界西站澧水河两岸、桃源县牛车河乡真龙桥村。地表岩溶现象明显，一般表现为岩溶峰丛地貌，发育溶洞、溶芽、溶槽、岩溶洼地、岩溶漏斗等，岩溶峰丛基座底部泉水、暗河均有发育。

石板铺隧道位于咸丰县境内，该隧道的CSZ-1号深孔的里程为CK030+923左476 m，设计孔深140 m。

2　钻探在岩溶地区勘察工作中的重要性

岩溶对铁路工程的影响和危害包括三个方面：一是隐伏岩溶洞穴对建筑物基础稳定性的影响；二是岩溶涌水对地下工程造成危害，或因排泄不畅，形成地面积水、冒水，对路基和其他地面工程造成危害；三是岩溶地面塌陷，它是岩溶地区路基地段普遍而又具灾难性的威胁。因此，岩溶区的隧道工程需防止涌水、突水、突泥，隧道基底岩溶严重地段需注浆整治。勘察阶段需要借助各种勘探手段进行岩溶分布的普查工作，钻探是其中最为直观、也最为有效的勘探手段，工程钻探的要求不同金属矿产勘查和煤田勘查。铁路工程钻探对钻孔要求非常高，孔径要求必须满足综合测试要求，最小孔径不能小于100 mm，否则水文抽水测试、物探测井无法完成，钻探必须采取全孔取芯，才能揭示岩溶地质情况。

石板铺隧道CSZ-1号深孔钻探的目的就是查明石板铺隧道区灰岩的岩溶发育程度、工程地质与水位地质特征。同时在孔内进行综合地质测试，获取大量工程地质和水文地质各种参数，为隧道工程设计提供依据。

3　钻孔地层及岩溶发育情况

CSZ-1号深孔于2010年3月21日开钻，2010年4月28日终孔，实际孔深140.50 m。钻探过程中揭示的地层情况及岩溶发育情况如表1所示。

表1　CSZ-1号孔地层及岩溶发育情况

4　岩溶区钻探工艺比选

根据钻孔揭示的地层反映，该钻孔在钻探过程中遇到的是串珠式溶洞，也就是钻穿一个溶洞后再次遇到一个溶洞，溶洞与溶洞之间有一定厚度的岩层隔板，这种类型的溶洞是钻探作业中最难通过的。为能顺利通过岩溶区，并一定程度地提高钻探效率，根据设备现状对几种常用的岩溶区钻探方法进行了分析对比。

岩溶地区钻探工艺方法分为三种：

①采用套管对溶洞进行封堵隔离。

②用堵漏材料对溶洞进行封堵。

③用清水进行顶漏钻进。

套管隔离法是被广泛应用的一种溶洞隔离方法，该方法操作简便，堵漏效果好，但劳动强度较大。

用堵漏材料封堵溶洞往往是一种永久性堵漏方法。所用的堵漏材料包括黏土、水泥-水玻璃等。当使用黏土堵漏时，通常情况下用的是钻探现场的膨润土，如果当地有含砂量小的红黏土，也可以采用。具体的操作方法：在黏土中加入适量的水(如果是红黏土，则在加入水之前应先将土块粉碎)，然后手工搓成黏土球，从孔口投入。用测钟测量孔内黏土球的堆放高度，当其高出溶洞顶板深度约1.0 m(如果溶洞较大，则此堆放高度也应该加大)时，则可以在孔内下入粗径钻具进行旋转挤压。在挤压过程中，粗径钻具底端的钻头应该换成与上端相同的异径接头，且该异径接头的中心孔应用短木棒堵塞。操作中采取低压满转的方式，待钻具穿透溶洞到达孔底后就可提钻。

水泥-水玻璃堵漏：如果使用普通水泥，其凝结时间长，为了缩短凝结时间，同时也为了减少水泥的耗损量，一般都在水泥浆的搅拌过程中引入速凝剂。速凝剂的品种繁多，水玻璃是一种常用的、较好的速凝剂。在水泥中加入2%～3%的水玻璃，凝结时间可缩短30%～40%。由于较高波美度的水玻璃加入水泥浆中后稠化会加快，易造成泵送堵塞事故，所以选择30～45波美度的水玻璃比较合适。在溶洞堵漏时要求注浆液具有结石强度高、可灌性好、抗渗透的特点，且要快速凝结，所以通常选择水泥-水玻璃注浆液。浆液通过现场泥浆泵和钻具被送人溶洞部位，浆液量无法人为控制，但可通过测量孔内浆液面来决定是否结束注浆工作(岩溶区钻孔一般因漏失严重而在注浆作业开始前为“干孔”)。

清水顶漏钻进：当钻进过程中遇到溶洞时，孔内出现不返水现象，此时，不对溶洞采取任何隔离堵漏措施，不断往孔内送入清水，持续进行钻探工作。该方法节省了隔离堵漏造成的大量辅助时间，但对钻探现场的供水提出了很高的要求，即要求现场存在水源或通过一段供水管路可以将附近水源的水引到现场。该方法采用的是清水钻进，与泥浆相比其携带岩粉的能力下降，特别是当携带岩粉的清水从孔底上升到岩芯管上端时，由于钻具的外环状空间增大，液体流速下降，粗颗粒岩屑在自重作用下开始下降，一部分落入孔底造成重复破碎，一部分粘贴在岩芯管外侧，增加了钻具旋转的摩擦力，严重时可导致卡钻事故。正是基于该方面原因，清水顶漏钻进一般需要在岩芯管上部加装一个取粉管。考虑到同心度的要求，岩芯管的异径接头需要带有可连接取粉管的丝扣(可从钻探管材生产厂商获得)。

CSZ-1号钻孔是石板铺隧道初测阶段的唯一钻孔，该孔的钻探目的不仅是要揭示隧道洞身部位的岩性和岩溶发育情况，还要在孔内完成一系列的水文和物探综合测井工作。为不影响测试成果的准确性，不能对溶洞进行永久性堵漏。为了顺利完成该孔且保证勘探质量，需采取套管封堵和清水顶进两种方法配合方可完成勘探工作。

5　工艺方案实施

从孔深18.40 m开始，灰岩已存在溶蚀现象，孔内开始出现严重漏浆现象，当钻至19.50 m时，孔内下入φ146 mm套管，之后换径φ130 mm钻头及配套粗径钻具钻进。在钻遇26.7～28.7 m的溶洞充填物时，孔口已经不返浆，也就是从泥浆泵送入孔内的泥浆已经全部漏失。在穿透该溶洞后，由于其下部的溶洞未能预测，而钻探现场水资源缺乏，于是在孔深29 m下入φ127 mm套管，之后换径φ110 mm钻头及配套粗径钻具钻进，并进行泥浆正循环。当钻至29.4 m时再次遇到溶洞，孔内泥浆全部漏失，这时如果继续采取套管隔离，就要下入φ108 mm套管，并换径φ91 mm。按此方法，若其下再出现几个溶洞，那么经过变径后就无法继续钻探作业，于是干钻穿透29.4～32 m的溶洞充填物后，底板采取清水顶漏钻进。在孔深34.5 m又遇溶洞，干钻穿透溶洞后，清水清水顶漏钻进至孔深37.4 m，因现场水量不足，将φ127 mm套管拔出，用φ130 mm钻头及配套粗径钻具从29 m扩孔至37.4 m，再次将φ127套管下入到37.4 m，之后采用清水正循环钻进。

钻孔所在区域浅层岩溶大面积发育，造成地表水漏失，现场缺少水源，钻探用水需用车辆从4 km以外地方运回，每运回一趟水需花费数小时的时间，不仅用水成本高，而且每天储存的水量无法满足生产需求。基于该方面原因，该孔采取了清水顶漏钻进与套管封堵隔离交差钻进工艺方法。当现场储水量不足时，孔内扩孔下入相应直径的套管进行钻进，当储水量充分时则进行清水顶漏钻进。

通过这两种岩溶区钻探方法的结合，顺利地完成了该钻孔，而且保证了后续的水文及物探综合测井工作。相比单独采用一种方法，减少了停钻等水以及多次起拔和下放套管所造成的辅助时间，提高了钻探效率。

6　结论

(1)黔张常石板铺隧道典型岩溶区CSZ-1号钻孔的钻探工艺实施，对以后实施类似钻孔有很好的借鉴意义，其主要是不破坏原有地质结构，能够真实揭示地下岩溶地质概况，为设计提供可靠完整的原始数据，同时避免了采用一种方法而存在的局限性。

(2)虽然通过采用两种常用的岩溶区钻探方法完成了CSZ-1号钻孔，但却耗费了大量的人力和物力，经济效益差。近年矿产勘探部门在干旱缺水地区常采用空气钻进和泡沫钻进，而且已经发展成为成熟的工艺，如果将其中一种钻探工艺引进到铁路岩溶区的工程地质钻探(特别是深孔钻探)中，可避免因永久堵漏造成的综合测井偏差，且可极大地提高工作效率。

[1]王凤华.岩溶地区桥基勘察钻探事故的处理方法[J].资源环境与工程，2006(3)

[2]《铁路钻探技术手册》编委会.铁路钻探技术手册[M].北京:人民铁道出版社，1978