CN115075770A - 一种高寒复杂地层钻探施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高寒复杂地层钻探施工工艺，涉及隧道辅助施工领域。包括如下步骤：使用冲击钻头对钻探孔设计区域冲砸出加固孔基，向加固孔基中倒入基于第四系全新统冰水冲积层配制的泥浆；冲击钻头对加固孔基进行反复冲砸，冲砸过程中在泥浆中加入黏土，冲击钻头钻透第四系全新统冰水冲积层形成加固孔；使用三翼牙轮钻头对泥盆系花岗岩层进行正循环回转钻进得到钻探孔；向钻探孔中下入割缝滤水管和地质探测装置进行地层岩性探测和抽水试验。能够减小回转钻进工艺进行时的震动，并且能够控制钻探孔的直径，在满足水文地质钻探要求的情况下，减小钻探孔径，从而降低融塌现象的发生。
Description
技术领域
本发明涉及隧道辅助施工领域，具体涉及一种高寒复杂地层钻探施工工艺。
背景技术
为了发展西部和西北部建设，促进西部和西北部交流，我国正大力建设通往西部和西北部的高速公路，高速公路的建设中，隧道的建设必不可少；隧道的建设通常采用TBM工法，采用TBM工法对隧道进行建设特别是长隧道的建设中，为了缩短工期，要设置竖井或斜井以增加工作面。在竖井建设前需要通过水文地质钻探、抽水试验等综合手段，查明竖井的地层岩性、水文地质条件，为竖井TBM施工提供水文地质依据。
西北部地区地质层较为复杂，包括第四系全新统冲积层和泥盆系花岗岩层，现有技术对第四系全新统冲积层和泥盆系花岗岩层进行钻探时通常采用正循环回转钻进工艺；现有技术在对泥盆系花岗岩层进行回转钻进时，通常采用金刚石钻头、PDC钻头、高能射流式液动锤或气动潜孔锤；但是在高海拔的高寒地区，常年冰雪覆盖，平均气温低于零度，从而使得地质层形成永冻层，第四系全新统冲积层转变为含有冰、以及冰水混合物的第四系全新统冰水冲积层，在使用正循环回转钻进工艺对高寒复杂地层进行钻探时，流动的泥浆温度导致钻探孔周围的永冻层的冰水融化，再加上回转钻转动时的震动，钻探孔出现孔内融塌现象，融塌现象主要发生在第四系全新统冰水冲积层，并且随着钻进时间增加，融塌面积进一步增加，威胁到施工人员的生命安全。融塌现象导致套管不能与钻头同步，跟管钻进步骤难以正常进行；并且融塌现象导致抽水试验设备无法入孔，孔内结冰无法取出，难以完成对竖井设计处的地层岩性和水文地质条件进行探查，后续竖井TBM施工缺少水文地质依据容易造成事故发生。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种避免竖井建设前期水文地质探测的钻探孔融塌的高寒复杂地层钻探施工工艺。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种高寒复杂地层钻探施工工艺，高寒复杂地层包括第四系全新统冰水冲积层和泥盆系花岗岩层；包括如下步骤：
S1：使用冲击钻头对钻探孔设计区域冲砸出加固孔基，向加固孔基中倒入基于第四系全新统冰水冲积层配制的泥浆；
S2：冲击钻头对加固孔基进行反复冲砸，冲砸过程中在泥浆中加入黏土，冲击钻头钻透第四系全新统冰水冲积层形成加固孔；
S3：使用三翼牙轮钻头对泥盆系花岗岩层进行正循环回转钻进得到钻探孔；
S4：向钻探孔中下入割缝滤水管和地质探测装置进行地层岩性探测和抽水试验。
进一步的，步骤S1中的泥浆配制方法包括如下步骤：
A1：对钻探孔设计区域的第四系全新统冰水冲积层进行地质取样，得到钻探孔处第四系全新统冰水冲积层的卵石含量ρ1和深度h1；
A2：将卵石含量ρ1、深度h1以及泥浆温度ω代入泥浆配制模型，得到预配制的泥浆运动粘度η1和泥浆黏土含量ρ2；泥浆配制模型包括如下：
ρ2＝β1f(ω)+β2f(h1)+β3ρ1；
其中，β1为泥浆温度对泥浆黏土含量的影响系数、β2为深度对泥浆黏土含量的影响系数、β3为卵石含量对泥浆黏土含量的影响系数；β1、β2和β3均通过对泥浆配制模型使用最小二乘法得到；f(ω)为泥浆温度的取值函数；f(h1)为深度的取值函数；η0为泥浆的动力粘度；
A3：根据泥浆运动粘度η1和泥浆黏土含量ρ2配置泥浆。
进一步的，步骤S2中加固孔的冲砸方法包括如下步骤：
S21：冲击钻头对填有泥浆的加固孔基以冲程k进行冲砸；
S22：冲砸过程中投入黏土，投入的黏土与泥浆的比例为1∶0.8～1∶1.2；
S23：黏土和泥浆被冲击钻头挤压至加固孔基的侧壁缝隙中形成加固层；
S24：根据第四系全新统冰水冲积层的卵石含量更改冲击钻头的冲程，对加固孔基冲砸直至穿透第四系全新统冰水冲积层形成加固孔。
进一步的，步骤S21中冲程k在加固孔基的孔深为0～0.5m时，k＝0.5m；步骤S24中，加固孔基的孔深大于0.5m后，当第四系全新统冰水冲积层的卵石含量大于0.35时，k＝1.0m；当第四系全新统冰水冲积层的卵石含量小于等于0.35时，k＝0.75m。
进一步的，还包括步骤S25：当加固层的壁厚L小于加固层阈值壁厚Lmin时，返回步骤S21，反之，进入步骤S3；加固层阈值壁厚Lmin模型包括如下：
其中，ρ3为加固层的黏土含量；ρ1为钻探孔处第四系全新统冰水冲积层的卵石含量；ρ'2为投入黏土后的泥浆黏土含量；f(ρ3)为加固层的黏土含量的取值函数；h1为第四系全新统冰水冲积层的深度。
进一步的，步骤S24中对加固孔基冲砸时，每进尺0.5m-1.0m进行掏渣，掏渣将泥浆中的含渣率降至10％以下后继续冲砸。
进一步的，步骤S3中，当钻探孔的深度为0～230m时，三翼牙轮钻头采用直径为Φ311.15mm的钻头；当钻探孔的深度大于230mm时，三翼牙轮钻头采用直径为Φ215.9mm的钻头。
本发明的有益效果为：
本发明通过采用冲击钻头冲砸出加固孔基后，倒入根据钻探孔处的地质条件调配出泥浆，通过冲击钻头的多次冲砸将泥浆以及投入泥浆的黏土挤压向加固孔基的周边，使得钻探孔周围的第四系全新统冰水冲积层的黏土密度增加，与周围的第四系全新统冰水冲积层地质进行隔离，形成加固孔，能够有效使回转钻进时减小融塌现象发生。采用三翼牙轮钻头对泥盆系花岗岩层进行钻进，能够减小回转钻进工艺进行时的震动，并且能够控制钻探孔的直径，在满足水文地质钻探要求的情况下，减小钻探孔径，从而降低融塌现象的发生。本发明提供的方法能够顺利完成对竖井设计处的地层岩性和水文地质条件的勘探，为后续竖井TBM施工打下基础。
附图说明
图1为钻探孔的结构示意图。
其中，1、加固孔；2、加固层；3、钻探孔；4、第四系全新统冰水冲积层；5、泥盆系花岗岩层。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
一种高寒复杂地层钻探施工工艺，高寒复杂地层包括第四系全新统冰水冲积层和泥盆系花岗岩层；本实施例以天山胜利隧道2号竖井的水文地质钻探孔的施工为例，包括如下步骤：
S1：使用冲击钻头对钻探孔设计区域冲砸出加固孔基，向加固孔基中倒入基于第四系全新统冰水冲积层配制的泥浆；
泥浆配制方法包括如下步骤：
A1：对钻探孔设计区域的第四系全新统冰水冲积层进行地质取样，得到钻探孔处第四系全新统冰水冲积层的卵石含量为70％-80％；深度为5.9-7.8m；
A2：取第四系全新统冰水冲积层的卵石含量的平均值ρ1＝75％、取第四系全新统冰水冲积层的最大深度h1＝7.8m以及配置的常温下的泥浆温度ω(0～5℃)代入泥浆配制模型，得到根据地质情况配制的泥浆运动粘度η1和泥浆黏土含量ρ2；泥浆配制模型包括如下：
ρ2＝β1f(ω)+β2f(h1)+β3ρ1；
其中，β1为泥浆温度对泥浆黏土含量的影响系数、β2为深度对泥浆黏土含量的影响系数、β3为卵石含量对泥浆黏土含量的影响系数；f(ω)为泥浆温度的取值函数；f(h1)为深度的取值函数；η0为泥浆的动力粘度；β1、β2和β3均通过对泥浆配制模型使用最小二乘法得到；取值函数具体为对变量进行取值，即：h1＝7.8m，则f(h1)＝7.8；
A3：根据泥浆运动粘度η1和泥浆黏土含量ρ2配置泥浆。
得到泥浆的性能指标为：黏土相对含量1.2-1.4；黏土相对含量＝泥浆黏土含量ρ2/泥浆水含量；泥浆运动粘度22-30，含砂率小于4％，胶体率大于95％，失水量小于40mL/h。
S2：冲击钻头对加固孔基进行反复冲砸，冲砸过程中在泥浆中加入黏土，冲击钻头钻透第四系全新统冰水冲积层形成加固孔；
加固孔的冲砸方法包括如下步骤：
S21：冲击钻头对填有泥浆的加固孔基以冲程k进行冲砸；
冲程k在加固孔基的孔深为0～0.5m时，k＝0.5m；步骤S24中，加固孔基的孔深大于0.5m后，当第四系全新统冰水冲积层的卵石含量大于0.35时，k＝1.0m；当第四系全新统冰水冲积层的卵石含量小于等于0.35时，k＝0.75m。
S22：冲砸过程中投入黏土，投入的黏土与泥浆的比例为1∶1，黏土与泥浆的比例还可以为1∶0.8、1∶0.9、1∶1.1或1∶1.2；
S23：黏土和泥浆被冲击钻头挤压至加固孔基的侧壁缝隙中形成加固层；
S24：根据第四系全新统冰水冲积层的卵石含量更改冲击钻头的冲程，对加固孔基冲砸直至穿透第四系全新统冰水冲积层形成加固孔。对加固孔基冲砸时，每进尺0.5m-1.0m进行掏渣，掏渣将泥浆中的含渣率降至10％以下后继续冲砸。
S25：当加固层的壁厚L小于加固层阈值壁厚Lmin时，返回步骤S21，反之，进入步骤S3；加固层阈值壁厚Lmin模型包括如下：
其中，ρ3为加固层的黏土含量；ρ1为钻探孔处第四系全新统冰水冲积层的卵石含量；ρ'2为投入黏土后的泥浆黏土含量；f(ρ3)为加固层的黏土含量的取值函数；h1为第四系全新统冰水冲积层的深度。
S3：使用三翼牙轮钻头对泥盆系花岗岩层进行正循环回转钻进得到如图1所示的钻探孔；当钻探孔的深度为0～230m时，三翼牙轮钻头采用直径为Φ311.15mm，类型为637的钻头，钻压采用110-120Kn，转速为63rpm，平均进尺1.05m/h；成孔后下入直径为Φ244.5mm的套管；当钻探孔的深度大于230mm时，三翼牙轮钻头采用直径为Φ215.9mm，类型为637的钻头，钻压采用110-120Kn，转速为63rpm，平均进尺1.05m/h；成孔后下入直径为Φ177.8mm的套管。
S4：向钻探孔中下入割缝滤水管和地质探测装置进行地层岩性探测和抽水试验。
Claims (7)
1.一种高寒复杂地层钻探施工工艺，高寒复杂地层包括第四系全新统冰水冲积层和泥盆系花岗岩层，其特征在于，包括如下步骤：
S1：使用冲击钻头对钻探孔设计区域冲砸出加固孔基，向加固孔基中倒入基于第四系全新统冰水冲积层配制的泥浆；
S2：冲击钻头对加固孔基进行反复冲砸，冲砸过程中在泥浆中加入黏土，冲击钻头钻透第四系全新统冰水冲积层形成加固孔；
S3：使用三翼牙轮钻头对泥盆系花岗岩层进行正循环回转钻进得到钻探孔；
S4：向钻探孔中下入割缝滤水管和地质探测装置进行地层岩性探测和抽水试验。
2.根据权利要求1所述的高寒复杂地层钻探施工工艺，其特征在于，所述步骤S1中的泥浆配制方法包括如下步骤：
A1：对钻探孔设计区域的第四系全新统冰水冲积层进行地质取样，得到钻探孔处第四系全新统冰水冲积层的卵石含量ρ1和深度h1；
A2：将卵石含量ρ1、深度h1以及泥浆温度ω代入泥浆配制模型，得到预配制的泥浆运动粘度η1和泥浆黏土含量ρ2；所述泥浆配制模型包括如下：
ρ2＝β1f(ω)+β2f(h1)+β3ρ1；
其中，β1为泥浆温度对泥浆黏土含量的影响系数、β2为深度对泥浆黏土含量的影响系数、β3为卵石含量对泥浆黏土含量的影响系数；β1、β2和β3均通过对泥浆配制模型使用最小二乘法得到；f(ω)为泥浆温度的取值函数；f(h1)为深度的取值函数；η0为泥浆的动力粘度；
A3：根据泥浆运动粘度η1和泥浆黏土含量ρ2配置泥浆。
3.根据权利要求1所述的高寒复杂地层钻探施工工艺，其特征在于，所述步骤S2中加固孔的冲砸方法包括如下步骤：
S21：冲击钻头对填有泥浆的加固孔基以冲程k进行冲砸；
S22：冲砸过程中投入黏土，投入的黏土与泥浆的比例为1∶0.8～1∶1.2；
S23：黏土和泥浆被冲击钻头挤压至加固孔基的侧壁缝隙中形成加固层；
S24：根据第四系全新统冰水冲积层的卵石含量更改冲击钻头的冲程，对加固孔基冲砸直至穿透第四系全新统冰水冲积层形成加固孔。
4.根据权利要求3所述的高寒复杂地层钻探施工工艺，其特征在于，所述步骤S21中冲程k在加固孔基的孔深为0～0.5m时，k＝0.5m；所述步骤S24中，加固孔基的孔深大于0.5m后，当第四系全新统冰水冲积层的卵石含量大于0.35时，k＝1.0m；当第四系全新统冰水冲积层的卵石含量小于等于0.35时，k＝0.75m。
5.根据权利要求3所述的高寒复杂地层钻探施工工艺，其特征在于，还包括步骤S25：当加固层的壁厚L小于加固层阈值壁厚Lmin时，返回步骤S21，反之，进入步骤S3；所述加固层阈值壁厚Lmin模型包括如下：
其中，ρ3为加固层的黏土含量；ρ1为钻探孔处第四系全新统冰水冲积层的卵石含量；ρ'2为投入黏土后的泥浆黏土含量；f(ρ3)为加固层的黏土含量的取值函数；h1为第四系全新统冰水冲积层的深度。
6.根据权利要求3所述的高寒复杂地层钻探施工工艺，其特征在于，所述步骤S24中对加固孔基冲砸时，每进尺0.5m-1.0m进行掏渣，掏渣将泥浆中的含渣率降至10％以下后继续冲砸。
7.根据权利要求4所述的高寒复杂地层钻探施工工艺，其特征在于，所述步骤S3中，当钻探孔的深度为0～230m时，三翼牙轮钻头采用直径为Φ311.15mm的钻头；当钻探孔的深度大于230mm时，三翼牙轮钻头采用直径为Φ215.9mm的钻头。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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