“金蝉脱壳”工法在巨厚砂层钻探中提、下超长护壁管的应用

张敏

(山东省地质矿产勘查开发局第三水文地质工程地质大队(山东省鲁南地质工程勘察院)，山东 济宁 272100)

1 引言

工程地质钻探是探测地球表层岩土工程性质的关键性支撑技术，是获取地层岩性第一手资料的主要手段，具有不可替代的作用和地位。与其他地质勘探工程相比，工程地质钻探具有投资规模小，周期短，风险低等优点。钻探工程隐蔽于地下作业，复杂地层和孔内复杂情况的存在，导致一些不确定性、随机性和不可预见性因素出现，产生孔内、孔底情况识别不准、判断和决策失误等情况，致使孔内事故发生，将会导致钻进作业中断，延长施工工期，同时影响钻探质量，延误成果提交。处理不当，还可能报废钻探工作量和钻具，钻探成本大幅度提高，严重时还可能导致钻探设备事故和其他伤害，因此必须充分重视钻探孔内事故的预防处理工作。

近两年全国高铁、城际高铁、地铁、公路等基础设施建设如火如荼，特别是高速铁路，时速达到350 km，甚至450 km，这种速度特别是瞬间冲击力量是巨大的，对轨道、路基都是不小的考验。铁路路基的设计离不开第一手资料—路基勘探，在勘探过程中，钻探成果质量受到诸多因素影响，比如技术人员素质、设备、钻机操作人员业务素质以及地层条件等。有时地层条件能影响钻机操作和钻机性能正常发挥，对此需要针对特殊地质、地层条件采取专门措施克服钻探困难。本文将就新建鲁南高速铁路地质勘探中，受区域地层不利影响钻探质量和进度的案例，以“金蝉脱壳”的思路，创新的解决了在巨厚砂层(厚40～50 m)中提、下护壁管(长50～60 m)的工艺问题进行阐述。该工法成功降低了成本，助推了项目质量和进度。该案例为我院实际操作的工程，希望该案例为今后遇到类似工程问题的同仁提供参考。

2 工程概况

新建鲁南高速铁路临沂至曲阜段位于山东省南部临沂市、济宁市境内，线路东端起自临沂市，向西经费县、平邑县、泗水县，终至曲阜市，正线长度138.284 km。线路西端通过联络线在曲阜东站与既有京沪高铁衔接，并与规划的鲁南高速铁路曲阜至菏泽段贯通，向西通过曲阜至菏泽段在菏泽地区连接规划的京九客运专线；线路东端与规划的鲁南高速铁路日照至临沂段连接，在日照与在建青连铁路相连。本次工况发生在临沂至曲阜段，地处曲阜市尼山镇境内，所属“西余村特大桥”工点，根据技术要求，钻探需要穿透上部土砂层，进入完整岩石5～8 m即可终孔，根据钻探揭露情况看，上部砂层厚度达40 m左右，水位5 m左右，下伏寒武系中统张夏组(∈2jz)石灰岩、泥灰岩和页岩，节理裂隙较发育。当钻至岩石界面，就出现漏水、漏泥浆，进而造成塌孔、埋钻等孔内事故，上部巨厚砂层给钻探施工造成了不少的困难。本文就是针对上部巨厚层砂层的不利影响，按照“金蝉脱壳”的思路，通过现场试验，最大程度消除或基本消除因特殊地层造成的钻探困难。

3 工程和水文地质条件

3.1 工程地质条件

测区所处构造单元属华北板块的鲁西隆起区。上覆第四系砂土层厚度最大为56.8 m，下伏岩层存在岩溶不良地质作用。可溶岩分布特征为寒武系中统张夏组泥灰岩，测区内碳酸盐岩地层经过长期的溶蚀和侵蚀作用，局部形成了丰富的地下岩溶形态，如溶孔、溶隙、溶洞等。由于不良地质作用的存在，在钻探过程中发现，当钻至基岩面或入岩一定深度，就会发生漏水、漏浆，导致上部砂层塌孔，一度造成施工不前。上部0～40 m，主要制约工程顺利钻进的地层岩性如下：

粉质黏土(Q4al+pl)：黄褐色，硬塑，见铁锰氧化物及其结核，土质不匀，见少量砂粒，Ⅱ级普通土。

中砂(Q4al+pl)：褐黄色，稍实，稍湿，主要颗粒成分为石英、长石，属Ⅰ级松土。

中砂(Q4al+pl)：黄褐色，中密，稍湿，砂质不纯，级配一般，黏性土含量约为20%，Ⅰ级松土。

中砂(Q4al+pl)：黄褐色，密实，潮湿～饱和，砂质不纯，级配中等，偶见砾石，黏粒含量15%，Ⅰ级松土。

粗砂(Q4al+pl)：褐黄色，中密，潮湿～饱和，以长石、石英为主，颗粒级配较好，黏粒含量约5%，Ⅰ级松土。

粗砂(Q4al+pl)：褐黄色，密实，饱和，以长石、石英为主，颗粒级配较好，黏粒含量约5%，Ⅰ级松土。

粉质黏土(Q3)：黄褐色～棕红色，硬塑，见铁锰氧化物及其结核，土质不匀，零星砂岩风化碎屑，属Ⅱ级普通土。

中砂(Q3)：黄褐色，中密，稍湿，砂质不纯，级配一般，黏性土含量约为20%，Ⅰ级松土。

粗砂(Q3)：褐黄色，密实，饱和，以长石、石英为主，颗粒级配较好，黏粒含量约5%，Ⅰ级松土。

灰岩(∈2jz)：桥址区内广泛分布，青灰～灰白色，隐晶质结构，中厚层构造，岩质坚硬。强风化带(W3)原岩结构部分被破坏，节理裂隙较发育，岩心主呈短柱状、块状，层厚0～5.45 m，属Ⅳ级软石，B组填料；弱风化带(W2)原岩结构基本未破坏，节理裂隙较发育，岩心较完整，主呈柱状，属Ⅴ级次坚石。

页岩(∈2jz)：紫红色，泥质结构，层状构造，强风化带(W3)原岩结构部分被破坏，节理裂隙较发育，岩心主呈块状，属Ⅳ级软石，C组填料；弱风化带(W2)原岩结构基本未破坏，节理裂隙较发育，主呈短柱状，属Ⅴ级次坚石。

泥灰岩(∈2jz)：灰黄间黄褐色，隐晶质结构，中厚层构造，泥质胶结，强风化带(W3)原岩结构部分被破坏，节理裂隙较发育，岩心主呈块状，层厚0.78～8.2 m。属Ⅳ级软石，C组填料；弱风化带(W2)原岩结构基本未破坏，节理裂隙较发育，主呈短柱状，属Ⅴ级次坚石。

泥岩(∈2jz)：灰绿～褐红色，泥质结构，层状构造，以黏土矿物为主要矿物成分，全风化带(W4)层原岩结构完全被破坏，呈土状，夹少量碎块，属Ⅲ级硬土，D组填料。强风化带(W3)层原岩结构部分被破坏，呈碎块，夹土状，属Ⅳ级软石，C组填料；弱风化带(W2)层原岩结构基本未破坏，岩心呈柱状，夹少量碎块状，属V级次坚石。

花岗岩(aSηγ21)：灰绿色，粒状结构，块状构造，主要矿物成分为长石、石英，强风化带(W3)层原岩结构部分被破坏，呈碎块，夹土状，属Ⅳ级软石，B组填料；弱风化带(W2)层原岩结构基本未破坏，岩心呈柱状，夹少量碎块状，属V级次坚石。

3.2 水文地质特征

勘察期间地下水水位埋深4.7～52.3 m，水位变化幅度1～2 m。桥址区未见明显地表水，仅在雨季时沟渠、河道内形成季节性水流。

地下水主要赋存于冲洪积层和坡洪积层的粉质黏土和砂类土等含水层中，接受大气降水补给，在松散岩类的孔隙中形成孔隙潜水。结构疏松，渗透性好，含水类型为潜水、上层滞水，水量贫乏，径、排条件较好。

岩溶水主要赋存于寒武系中统张夏组(∈2jz)石灰岩、泥灰岩等地层中。岩层中的裂隙、孔隙是地下水的主要赋存、运移空间，加之所处构造部位的不同，从而含水层的透水性、富水性不均一，且含水透水性都较弱。主要由大气降水及地表水补给为主，邻近含水层径流补给为辅，沿层面和裂隙向低处径流，流量随季节而变化，流量不一。大气降水是该区地下水的主要补给来源，测区内位于地下水补给区，未见明显地下水排泄点。

4 钻探困难

由于孔内情况复杂给钻探造成一定困难，孔内复杂情况归纳起来主要有：钻孔漏失(或漏水)、钻孔弯曲、孔内温度异常、钻孔缩径(或扩径)、钻孔坍塌(或阻滞)、孔内沉渣、孔内异物和其他孔内异常情况。本次场区钻探复杂情况是，土砂层分布厚大，最厚达56.8 m，中密到密实，地下水水位埋深4.7 m左右，在如此浅水位、粘聚力为零、深度范围内又广泛分布砂层中,同时下伏基岩又存在不良地质岩溶、裂隙发育造成漏浆漏水严重的地质环境中钻探，在刚钻至触基岩面或深入部分深度就漏失严重，造成孔内压力失衡，造成塌孔、埋钻时有发生，在这种情况下，如果不能有效稳固如此巨厚砂质孔壁，就无从谈起下部基岩钻探(下部会遇到岩溶钻探，同样需要克服钻探困难，本文不再专述)。埋钻、卡钻，钻具被埋而遗弃和废孔，一度成了机长们难以克服的伤心之痛，导致大量钻机“撂挑子”、“跑路”，也给我们项目部造成了工期压力。

5 解决办法

通过仔细剖析造成钻探困难的各个环节，查阅资料和分析类似案例，最终弄清原因，简而言之就是砂层分布过厚、浅水位、下部岩溶裂隙发育漏失严重造成孔内压力失衡而导致塌孔。解决问题的方向必须是稳固砂质孔壁，对此，采用了加大泥浆黏度，但由于下伏裂隙、岩溶发育，再黏的泥浆也无法抵御漏失。因此考虑下护壁管，跟管钻进，可是钢质的护壁管下入孔底后，当终孔的时候，却怎么也提不上来。孔深40多米，侧壁是砂层，砂层握裹护壁管，钻机提升能力根本无法克服砂层的侧摩阻力，强力提拔可能会造成钻机变形，设备损坏，安全生产不能保证，其结果造成护壁管废弃，不能周转使用，据测算护壁管每米直接成本就高达70元，况且，钻孔一般都布置在桩位上，废弃的钢质的护壁管还会影响后续的桩基施工，所以必须加以解决，以减少损失降低成本，并且还不能给后续工程形成新的障碍。尝试多种办法，最后想到“金蝉脱壳”，目的就是能够把护壁管提拔出来，达到周转使用降低成本，且不给后续基础施工造成麻烦，具体做法确定在护壁管外表面涂抹润滑油(该型润滑油水环境下专用)，然后再套上PVC管，使钢质护壁管与PVC管形成互不粘连、且润滑良好的“两张皮”，可使护壁管不直接接触“制造摩擦”的巨厚砂层，在护壁管外壁涂抹润滑油，目的是大大降低护壁管与PVC管的摩擦，确保护壁管顺利提拔，PVC管就是“壳”。简易流程见图1。

图1 钻探流程图

具体操作注意需要事项：①按照技术要求钻至基岩面以上一定深度，就要停止钻进，着手下入护壁管，从前期钻探情况看，一般在将至基岩时，砂层往往渐变成一层硬塑黏土，或薄或厚一点，将护壁管搁置本层即可，如果钻透本层，可能就会达到基岩面，将无法确保漏失泥浆造成塌孔，这样将会失去下入护壁管的有利时机。钻探的同时，做好护壁管外壁均匀涂抹润滑油等准备工作；②向孔内迅速下入PVC管，管之间干插接(选择定尺的、单根两端直径差异化的，便于插接，适于现场方便操作)，材质不能太差，要有一定抗冲切强度；③向PVC管内缓缓导入护壁管，用力不要过大，要轻放轻提，拿捏有度，否则有挤压伤害PVC管的可能，严重的话可能前功尽弃。护壁管采用螺纹连接，一定要拧紧牢固，严防中途脱扣；④孔口双管采用夹板固定，密封双管间上部端口缝隙，防止含有砂粒的循环液流入双管间的缝隙，导致双管间缝隙堵塞，给提拔护壁管工作带来不畅；⑤继续下部钻探，下部要缩径钻探，确保护壁管底端搁置稳定，在钻探过程中，起、下钻具要平稳，避免强力撞击护壁管而意外的伤及外包的PVC管，造成PVC管部分或全部破坏，导致“肠梗阻”，那将给提拔护壁管形成一定的困难，很可能造成半途而废、前功尽弃；⑥终孔后，根据事先准备的方案，要迅速提拔护壁管，由于护壁管底端植入岩土时间过长，在起拔护壁管初始阶段，阻力会比较大，为了保证安全可以配置小吨位千斤顶配合作业。

6 效果评价

万事开头难，在经历了漏失泥浆、塌孔、埋钻、强力提拔损坏设备、无奈遗弃钻具、废孔、一度停工等一系列困难情况下，通过现场多次尝试，事实证明思路决定出路，最终以“金蝉脱壳”的思路，设计成双管护壁，人为设置双管“两张皮”，巧妙的最大程度的使护壁管与砂层“零接触”，使护壁管顺利起拔，最大程度降低了钻探成本，通过核算，如果钢质的护壁管无法多次周转使用，直接成本将每米增加70多元；采用“金蝉脱壳”工法，铁质护壁管顺利起拔，管材得到周转、重复使用，增加的就是PVC管、润滑油的成本，每米增加7到10元，并且护壁管起拔后，不会给后续的基础施工形成新的障碍。同时安全生产有了很大保证，同时在经济、工期等方面效果明显。

6 结论

(1)我单位长期在鲁南、鲁西南地区做工程地质

勘察工作，但类似本区分布如此厚的砂层地质条件的情况实数不多见，又恰逢下伏岩溶、裂隙等不良地质作用，漏失十分严重，多方不利因素共同作用，给钻探工作造成了很大的困难，国家高速铁路工程，责任意义重大，不能一蹴而就，必须认真克服困难，不留遗憾。

(2)在遇到施工困难时，要认真分析各个环节，不留空白，针对性的加以解决。思路决定出路，“金蝉脱壳”工法，巧妙的隔离了砂层对护壁管的直接接触造成的强力握裹，双管间的润滑油作用又大大降低了护壁管的侧摩阻力，多方作用有效降低了护壁管的起拔阻力。达到了护壁管能够周转、重复使用、大大降低了施工成本、消除了后续基础施工障碍、降低了安全生产隐患、工期得到保障的诸多目的，得到了业主的赞同。

(3)由于护壁深度较大，选用管材强度不能太低，特别是PVC管起的作用很大，可以说措施成败起到的是关键作用，要承受起、拔钻具和钻进时的旋转撞击破坏，其材质必须要有一定的抗冲切强度。护壁管外壁涂抹的润滑油所起的润滑作用也不可小觑，由于是水下使用，不能使用普通的油质，不能使用遇水就脱落的材质。同时，对设备的负荷能力以及机台的操作工人要有处理问题的经验和能力，特别是操作钻机的机长，不仅技术要高，更要有胆略，不能优柔寡断。解决问题需要各个环节、因素都要质量过关。

(4)“金蝉脱壳”工法，适用于本工程、本区地层条件，如果遇到复杂于本区条件的类似项目，需要从安全角度深入研究和尝试。

主要参考文献：

[1] 孙建华, 刘秀美, 王志刚,等. 地质钻探孔内复杂情况和孔内事故种类梳理分析[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程), 2017, 44(1):4-9.

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[3] 蒋希文. 钻井事故与复杂问题(第二版)[M]. 北京：石油工业出版社, 2006.

[4] SY/T 5247-2008, 井下故障处理推荐做法[S].