绳索取芯技术在活动性断裂带中的应用研究

李鹏伟

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 丰润 064000 )

活动断裂带具有特殊活动性，长期处于活动状态的断裂带在几百万年下将产生超过几十厘米甚至几十米位移[1-2]。活动断裂一般为区域控震构造，地震活动强烈，可能发生破坏性地震或位错等问题。由于多数工程竣工时间距今较短且获得的监测数据有限，如何科学地解决这一工程难题,国际上尚未取得共识[3-5]。

隧洞穿越活动断裂具有地质复杂、多重灾害叠加的特点。国内外针对隧洞跨越活动断裂构造的重点研究内容为工程结构抗断问题，归纳总结为“超挖、铰接、隔离消能”3种设计基本理念。在前期设计勘测阶段，对活动断裂特性与位置推测常存在一定偏差，因此需在开挖揭露之前进行补勘，掌握其规模、工程地质特征以及活动性质，为防震抗震设计和安全施工提供科学的依据。目前隧洞穿越不良地质的超前地质预报技术方法的研究和应用已经比较系统全面，超前钻探作为预报的一种常规方法，具有直观反映钻孔所经过部位的岩层岩性、岩体完整程度、裂隙发育程度与地下水情况等优点。普遍使用的冲击钻探具有占用作业时间少等优点，但在复杂地质条件下钻进工作参数所包含的地质信息易失真，难以从中有效提取。因此探究一种适用于软弱破碎区的复杂地层取芯技术显得极为重要。

本文以滇中引水狮子山隧洞F16活动断裂带为研究对象，对极软岩、断层泥等不良地质体的水平深孔钻芯取样探测方法及其赋存特征进行深入研究，为下一步施工措施制定提供技术资料和理论支撑。

1 工程概况

狮子山隧洞跨越F16程海—宾川活动性断裂带(见图1)。断裂为 Q3晚更新世活动性断裂，上盘残留较高的构造应力，岩体产生极严重挤压变形。岩体结构破碎(Rb<2MPa，Kv<0.15)，主要呈散体结构，断层带岩体呈泥包石状(Rb<2MPa)，泥化夹层发育普遍。地下水位高出底板67m，断层带中等透水。围岩强度应力比0.03，岩石强度应力比0.17。预测F16活动性断裂 100 年水平位错量为 1.7m(范围值为 1.3～1.7m)，垂直位错量 0.3m，隧洞存在抗剪断问题。

图1 F16活动断裂地质纵断面

2 绳索取芯法

超前钻探预报法适用于探测前方突泥、突水、断层等地质灾害[6]。隧道及地下工程洞内超前钻孔探测应用绳索取芯钻探技术，相对其他地质钻芯取样方法具有适用软弱破碎围岩、采取率高、减少钻进时间、机械化程度高的特点。

2.1 取芯钻具

绳索取芯钻具由外管总成和内管总成组成[7]。外管总成由外管、内管扶正器、钻头等组成,直接与钻杆相连，通过钻头进行钻进施工。内管总成由矛绞链式头机构、泵送机构、弹卡定位器、到位报讯器、岩芯堵塞报警器、内管保护结构和调节机构等组成。附属工具包括钻杆、取芯绞车、钻杆夹持器。

2.2 技术原理

绳索取芯钻进是采用大直径的钻杆,在钻具里面套装一根取芯管。在钻进过程中,岩芯缓慢地装在取芯管内。当发生岩芯装满内管堵塞报警机构时，提示操作者应停止钻进，采用带绳索的打捞器，从钻杆中把取芯管提出。提取岩芯后，从钻杆中把取芯管放到孔底，到位报信机构通过水泵泵压信号反馈钻具到位情况。取芯内管到位后，方可继续钻进。

3 现场应用实例

3.1 钻探要求及技术难点

3.1.1 钻探要求

隧洞跨越F16活动断裂带的取芯钻孔布置见图2。超前预报取芯钻探布置3个孔，长度50～80m，取芯钻孔孔径不小于91mm，以满足安全施工和断裂处理所需资料为原则，连续预报时前后两循环钻孔应重叠3～5m。

图2 F16活动断裂带取芯钻孔布置(单位：mm)

钻探工程质量目标如下：

a.岩芯采取率不得低于80%。保证岩芯箱质量，防止开裂漏失和破坏，岩芯及时入箱。

b.钻孔弯曲度。直孔每钻进100m，顶角100m小于2°方位角。使用JTL-40FW无缆陀螺防磁式测斜仪测量。

c.孔深校正。每钻进50m进行孔深校正；孔深校正偏差：最大允许误差1/1000。

d.水文观测。每钻进1个回次观测1次动水位；当回次进尺小于1.0m时，可2个回次观测1次。保证整个钻孔施工过程不漏测、误测。

e.岩芯保护。每个钻孔孔内取出的岩芯必须严格管理、保护，钻孔施工完毕岩心经地质复查后，移交施工单位保存。

3.1.2 钻探技术难点

a.保证能采取出岩芯。 隧洞钻探地层主要呈散体结构，为钙质页岩，岩体强度极低，取芯困难。局部夹层为泥包石状(Rb<2MPa)，极易造成采取率的不足。

b.孔壁失稳难题。F16活动断裂构造复杂，地应力高。水平深孔存在缩径夹钻、坍塌埋钻、掉块卡钻等孔壁失稳难题。

c.岩芯采取率应符合要求。钻取的岩芯所包含的地质信息应不失真，能有效提取分析与解译。

3.2 钻探技术

3.2.1 钻探设备配置

本项目钻探设备采用1台套XY-2T岩芯钻机，配置BW250型泥浆泵、JB500型泥浆搅拌机、SJ1000型绳索取芯绞车各1台和HQ/NQ型绳索取芯水平钻具2套。选择合适的钻头可以达到理想的钻进效率，提高泥浆反渣效果。在页岩地层钻头选择硬度为25°以上的金刚石，外径比钻具大1～2mm。

3.2.2 钻进方法与工艺

a.钻探方法选择。在如极软岩、断层破碎带等复杂地层应用绳索取芯钻进技术能顺利完成岩芯采取，且采取率及钻进效率较传统钻进技术大大提高[8-9]。依据F16活动断层地质设计、探钻要求，采用金刚石绳索取芯工艺进行水平钻进取芯，以确保满足地质设计要求的岩芯采取率。

b.钻孔结构。对破碎复杂地层采用两级套管护壁，松散、完整地层钻进采用优质钻井液(无固相泥浆)进行护壁，以确保钻孔施工的安全和高效。开孔孔径不小于95mm，终孔口径不小于75mm；满足设计和施工技术要求，开孔和终孔及换径皆须测量钻头内径，每次提升钻具应观察钻头是否变形，变形应换钻头，保证岩芯直径与钻头直径相吻合，以利于地质样品的采集。

c.钻进参数。钻进参数包括钻压、转速和泵量[10]，绳索取芯钻进效率取决于选择合理的钻进参数。应用绳索取芯钻进技术在隧洞洞内极软岩、断层等不良地质进行水平深孔钻芯补勘的工况研究案例极少。因此，在实施阶段钻进参数应通过现场试钻确定，其原则为：ⓐ在软弱围岩地层适当控制钻压和转速：钻压6～10kN，转速300～500r/min；当钻进钻破碎岩层钻具跳动大时，应采用低钻压、低转速、较大泵量钻进；ⓑ每回次控制在1.0～1.5m；ⓒ泥浆泵量的选择：较小的泵量和较高的泵压是绳索取芯钻进的要求，泵量控制在30～60L/min, 泵压小于3MPa。

d.泥浆性能。泥浆性能是制约复杂地层应用绳索取芯钻探施工成败的关键因素，也是安全钻探中的必要措施。根据地质条件、钻进速度等确定应用高黏无固相泥浆，其主要功能是：起到护壁作用，保证孔壁稳定；起到保护岩芯作用；清洗孔底，携带岩屑；冷却、润滑钻头和钻具；控制和平衡地层压力等。

泥浆要达到这些功能的表观指标主要有泥浆比重、黏度、失水量、pH值等[11]。

根据F16活动断裂主要地层岩性为钙质页岩，具有围岩强度极低、松散破碎，夹有断层泥且对水敏感，遇水崩解泥质化等工程特点，选配水敏抑制性泥浆[12]，采用特级植物胶、聚丙烯酰胺等配置。经过现场试验选择最佳配比浆液性能：密度1.02～1.06kg/cm3,黏度22～24s，失水量6.6～8mL/30min，pH值8.0。该泥浆护壁效果好，能对孔壁和岩芯起到很好的保护作用，流动性好、携粉能力强、润滑性好，充分发挥了聚丙烯酰胺的絮凝作用和植物胶的黏弹性和润滑减振作用[13]。

3.3 钻探成果分析

3.3.1 掌子面地质

现场进行水平深孔钻芯工作面桩号为DLII47+028.5，揭示地质见图3。该段处于FⅢ-102与F16构造夹持破碎带，围岩岩性为钙质页岩、炭质页岩，属极软岩，局部经构造动力作用变质，出现糜棱岩化特征；受构造挤压影响，软弱挤压泥化夹层发育，主要有4组结构面,岩体破碎，呈散体结构，顶拱及掌子面发育线状流水。该段隧洞埋深约233m，先期应力荷载强，开挖后受应力释放影响，围岩承受的变形松弛荷载较强，岩体遇水软化严重，围岩极不稳定。

图3 DLII47+028.5开挖揭示的围岩地质情况

3.3.2 钻孔取芯情况

a.钻孔布置见表1。

表1 钻孔布置参数一览

b.钻孔结构。开孔采用130mm口径钻进3.50m，下入3.86mφ127井口套管护壁。第二级口径采用95mm金刚石绳索取芯钻进取芯至终孔。上部复杂坍塌孔段采用110mm口径扩孔后下入φ108套管护壁。为保证岩芯采取率及钻孔安全，全孔钻进冲洗液采用高黏无固相泥浆。

c.钻孔描述。钻孔孔深：ZK1、ZK2、ZK3号钻孔终孔深度分别为60m、62.54m、81.45m。岩芯采取率：钻孔采取全孔取芯，平均岩芯采取率大于80%(代表性岩芯见图4)。

图4 现场钻芯取样情况

孔深校正：孔深校正误差小于1‰。

岩芯描述：主要描述内容为颜色、岩石单层厚度、结构构造、矿物成分、填隙物、圆度及分选性、胶结类型与胶结物、结核及包裹体、层面构造与层理特征、裂隙节理及断口、对盐酸的反应、条痕光泽、坚硬程度等。例如样品箱标号3：18.93-20.16(总进尺1.23m/芯样长度1.06m)-20.66(总进尺0.5m/芯样长度0.4m)-21.06(总进尺0.4m/芯样长度0.3m)。灰黑色、细—中颗粒，夹少量泥质物，次圆状颗粒；岩石取样滴盐酸试验，气泡丰富，判定为白云质灰岩。

d.钻探成果。DLII47+028.5向下游方向(掌子面左侧81.45m，掌子面右侧63.15m)钻孔取芯及芯样分析:

根据钻孔揭露情况，隧洞掌子面前方0～80m主要为炭质页岩，软弱破碎；夹断层泥(灰黑色或杂色黏土)、压碎岩(泥包石状)、碎裂岩(白云质灰岩)。

钻孔深度1.8m时有裂隙水流出，钻孔终孔总出水量约0.05L/s，水无色无味。

根据取芯钻孔揭露，从桩号DLⅡ47+056开始进入F16活动断裂带。构造挤压破碎带发育，岩体破碎，呈碎裂—碎屑散体状结构，岩屑夹泥充填，局部发育软弱泥化夹层，隧洞掘进过程中，掌子面及顶拱易发生掉块、塌方失稳破坏，存在滴水—渗水现象，围岩极不稳定，断层破碎带存在涌水突泥风险。

4 结 语

本文依托滇中引水工程狮子山隧洞，对断层破碎带的钻芯技术进行研究。得到如下主要结论：

a.钻探取芯直接揭露隧洞前方地质条件是最直观的超前地质预报方法。现场钻芯结果表明绳索取芯钻进工艺是解决在极软岩、破碎散体结构、泥质等地层难以钻取合格岩芯问题的关键技术手段。

b.现场应用研究表明科学的钻进参数和优质的泥浆性能是复杂地层绳索取芯钻探施工成败的控制要素，也是安全钻探中的必要措施。

c.绳索取芯钻进工艺和高黏无固相泥浆技术在狮子山隧洞F16活动断裂带中的试验的应用，证明了该工艺和技术在隧洞超前钻探地质预报的适用性，为类似工程提供了方法支撑。