九顶山隧道工程勘察设计

九顶山隧道工程勘察设计

九顶山隧道工程是云南至大理铁路广泛改造工程中很难进行的一项工程。隧道穿越九顶山山脉,全长10.05km。设计钻孔布置位置均在该段线路中桩左8m。共设计钻孔13个,钻孔最高海拔2803.3m,最低海拔2212.4m。所有钻孔均属工程勘察类取芯,兼综合试验的勘察深孔。1施工条件分析1下伏地层地质特征(1)属于工程勘察类深孔钻探,设计孔深在190m～649m之间,是一般工程勘察类孔的3～20倍。(2)勘察技术要求高,钻探既要保证岩芯采取率,又要满足孔内各项测试试验要求。(3)地层地质结构复杂,地层岩石种类较多,岩石工程地质性能较差。地表覆盖层为粉质粘土、角砾土、碎石土、岩性松散,胶结性差。下伏地层岩性为灰岩﹑白云质灰岩﹑砂岩﹑石英砂岩夹页岩﹑花岗斑岩﹑花岗岩﹑辉绿岩﹑闪长岩﹑泥岩﹑砾岩﹑板岩等。岩层节理裂隙极发育～发育,地层较破碎～极破碎,层间存在软弱夹层,多处有断层破碎带。完整与破碎的比例大致为0.5∶1,钻进中钻孔存在冲洗液轻度,中度漏失,甚至严重到全泵量冲洗液漏失。地层裂隙发育极不均匀,钻孔以裂隙漏失为主,岩石硬度4～9级左右。各岩土层的可钻性﹑研磨性﹑完整性差异很大,地层破碎﹑漏水﹑垮塌﹑软弱夹层等不良地质情况较多,钻探施工难度大。其中以03#孔﹑05#孔﹑07#孔﹑08#孔﹑09#孔﹑10#孔变化较为复杂,也较有代表性,本文即以上述各孔为例,谈谈在施工中的一些做法。23复杂层的原因分析(1)强风化地层风化作用破坏坚固岩石的全部或部份的颗粒之间的联结,使岩石变得疏松,易形成较大的裂隙,因而易发生坍塌、掉块和漏失等复杂情况。如07#孔第四系坡积土,强风化地层厚达220.00m;09#孔强风化辉绿岩、灰岩互层,厚78.60m,节理裂隙极发育,岩性极破碎,岩芯呈块状。(2)坍缩径程流砂层﹑沉积的泥质地层,因为岩土胶结不牢固,钻进过程中就易出现较为严重的坍塌﹑缩径。如03#孔上覆松散地层(粉质粘土﹑角砾土﹑碎石土)厚72.80m,钻进中多次遇上下钻阻卡险情,有时下钻离孔底差十多米。(3)巨厚断层带如03#孔开孔穿过72.80m的上覆松散地层后,又遇到一个巨厚断层带,至终孔273.56m断层仍未穿过,该断层主要由角砾、断层泥等组成。在断层中钻进时,由于钻具的频繁碰撞和冲洗液的冲刷,易形成不同程度的坍塌和漏失。(4)风化花岗斑岩08#孔从70.13m～103.75m见弱风化灰岩夹强风化花岗斑岩,灰岩局部有溶蚀现象,孔口不返水,生产用水抽取较困难,停待等水时间较多。2钻头回转钻进根据岩石的可钻性,主要采用大小口径金刚石钻头回转钻进(普提或绳索取芯)。在孔浅且岩性较软时,采用聚晶复合片钻头钻进为主的分层钻进方法,实现快速钻穿复杂地层的目的。1现场实际应用对于地表松散覆盖层如采用泥浆护壁,水泥浆护壁堵漏均达不到应有效果时,利用清水作冲洗液快速钻穿松散层,然后下套管护壁的方法。用套管护壁时,需要考虑终孔后套管的起拔问题,采取将套管外壁涂抹上油脂的办法,既防锈防阻,又利于起拔套管,提高套管回收率。此法较常用,但要根据现场具体情况采取有针对性的措施。在07#,08#,09#孔,由于地层岩体节理裂隙极发育,岩芯破碎,且存在软弱夹层,个别孔局部见溶蚀现象,钻进时冲洗液漏失中等至全漏,采用清水钻进至地层较完整时即下套管封隔。在10#孔全风化,强风化岩层厚达116.80m,钻进时泥浆漏失较严重,孔内时常出现垮塌现象,先后多次采用了水泥浆灌注法堵漏护壁,但因为水泥胶结性差,岩层极破碎,护壁堵漏效果差,最后改用了套管护壁,取得了较好的护壁堵漏效果。在5#孔,由于地层完整性较好,开孔使用Φ110mm复合片钻头钻进,穿过全风化,强风化岩层后,在19.10m处下好Φ108mm套管,后即改为Φ77mm金刚石绳索取芯钻具钻进,使用优质泥浆护壁,虽然在53.80m～63.59m处遇到构造破碎带地层破碎严重,但还是安全通过,快速顺利钻进到设计孔深,取得了较好的效果。2低荧光低效防塌护壁剂的微胶囊在复杂地层钻进必须使用优质泥浆护孔,我们在施工中,选用了下述配方的泥浆:粘土量3%～4%(与水重量比)、碱4%(土重比)、植物胶1%、钠羧钾基纤维素(CMC)0.5%、腐殖酸钾(KHM)5%、低荧光特效防塌护壁剂1%、聚丙烯酰胺(PHP)0.01%。该类泥浆的性能如下:比重1.03～1.05;粘度18S～25S;泥饼厚<0.5mm～1.0mm,含砂量<4%,PH值7～10。泥浆性能的维护,根据性能变化及时添加各种泥浆处理剂,并控制泥浆固相含量。通过几个钻孔的使用,证明这种泥浆性能良好,较好地解决了在复杂地层中的护孔问题,特别在03#孔使用,顺利钻进了厚达200m的断层带(至终孔此断层带仍未钻穿),保证了钻孔的顺利施工。31钻孔堵塞技术措施(1)聚丙烯酰胺等解液对于地层破碎,节理裂隙发育﹑掉块﹑坍塌的中轻度漏失地层以及泥页岩等水敏型地层,我们采取了聚丙烯酰胺、803堵漏剂﹑植物胶,再添加各种惰性材料堵漏的方法:将聚丙烯酰胺等水解配制成2%～3%浓度的溶液,然后向溶液中加入锯末、碎坚果壳、剪碎的野草与植被的叶子等各种惰性材料。惰性材料加量多少根据漏失量的大小来确定,漏失量大时就多加,反之,则少加。堵漏材料在泥浆池中经过充分搅拌后,从孔口倒入孔内,然后下钻具入孔内,开泵压送,经过反复多次憋压后,直至冲洗液从孔口返出,说明堵漏获得成功,这时即可恢复钻进。如果是全孔漏失的裂隙性漏失钻孔,可向孔内倒入适量的浓度较高的803堵漏液进行封堵。(2)水泥透孔工艺对于深孔段裂隙大、漏失严重的钻孔,用各种堵漏剂封堵均无法凑效时,可采用灌注水泥浆的方法进行护壁堵漏,效果较好。尽量使用快干水泥堵漏,可以减少机台的停待时间。具体做法:使用425#新鲜水泥,采用0.6的水灰比,氯化钠掺量0.5%～1%(占水泥质量的比例),三乙醇胺掺量0.05%～0.08%(占水泥质量的比例)。灌注方法:孔稍浅时从孔口倒入即可,孔较深时用泵压送。保留观察样本,待留样凝固再组织下钻透孔,一般候凝时间24h～30h透孔较为适宜,过早水泥不凝固,达不到堵漏的目的;过晚则在地层较软时,透孔时易偏移原孔而打出新孔。下钻具后孔口返水,先轻压慢转扫孔直至超过原孔深后,再按正常钻进参数恢复钻进。3经验和教训1隧道精钻护壁技术(1)地层完整性较好时,下好套管后,采用泥浆进行护孔,尽量用金刚石绳索取芯钻进,可以取得较好的钻进效率。(2)地层软硬多变,节理裂隙极发育、地层极破碎时,应采用较大口径金刚石普提钻进,且不宜过早转换小口径金刚石钻进。(3)由于该隧道地层变化极为频繁,地层多极破碎,所用的泥浆性能容易变化,要在泥浆使用时采取措施,维护好泥浆性能,达到护壁的目的。(4)使用好泥浆(并在泥浆中添加一些钻探助剂),在掉块﹑破碎及漏失不很严重地层中施工可基本正常,并能做到随钻随堵,克服以往灌水泥停待时间长,纯钻时间利用率低的问题,提高钻探效益(钻探成本大大降低)。(5)在严重掉块与水敏性地段,在浅孔段使用套管护壁,在深孔段采用水泥浆封孔护壁。(6)钻孔施工时,要求钻具级配合理。2管道自流输送堵漏(1)以往遇到破碎﹑坍塌地层和漏失地层时,往往是灌水泥,这样辅助﹑停待时间长,纯钻时间利用率低,钻探效率下降。(2)水泥浆候凝时间不能过少。如在08#孔76m时,全孔漏失采取注水泥浆堵漏,因候凝时间太少(12h),水泥浆胶结时间不够长,即仓促下钻具透孔,造成堵漏失败。(3)水泥质量影响堵漏效果。如10#孔在215.37m时,由于地层极破碎,造成漏