砂卵石层泥浆护壁与旋挖钻进工艺

刘睦峰^{1, 2}，彭振斌¹，王建军^{1, 2}，彭文祥¹

(1. 中南大学 地学与环境工程学院，湖南 长沙，410083；

2. 湖南省煤田地质局，湖南 长沙，410014)

摘  要：采用经典土力学滑动理论，分析砂性土地层的孔壁稳定性与泥浆护壁机理；应用岩石破碎学理论，探讨旋挖钻头的碎岩过程，在此基础上研究旋挖钻进的工艺方法、技术参数和泥浆性能指标。研究结果表明：对孔壁起稳定作用的关键因素是泥浆的密度，随着泥浆密度的增大，孔壁稳定性增加；采用高分子聚合物泥浆，增加凝胶作用，能较好地解决旋挖成孔速度与孔壁稳定性之间的矛盾；孔内压力降低值随钻具提升速度的变化而变化，提升速度越大，压力降低越大，越容易造成孔壁不稳定。

关键词：砂卵石层；泥浆护壁机理；旋挖钻探工艺

中图分类号：U443.15          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)01-0265-07

Mechanism of mud job and rotary drilling technology in sand and gravel

LIU Mu-feng^{1, 2}, PENG Zhen-bin¹, WANG Jian-jun^{1, 2}, PENG Wen-xiang¹

(1. School of Geoscience and Environmental Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;

2. Coal Geology Bureau of Hunan Province, Changsha 410014, China)

Abstract: Using the classical theory of soil mechanics, the land of sand layer hole wall and mechanism of slurry wall were analyzed, and the rotary drilling bit of broken rock process was discussed using the theory of broken rock. The process of rotary drilling method, technical parameters and mud performance were discussed. The results show that the hole wall has a stabilizing effect, and the key is the heavy mud. With the increase of the mud density, the stability of hole wall increases. The use of high polymer slurry can increase the gel effect, and the contradiction between the land of sand layer hole wall and its drilling speed can be solved. Fall value of hole-pressure increases with the increase of drilling bit speed.

Key words: sand and gravel; mechanism of mud job; rotary drilling technology

旋挖钻机是我国近年来才引进发展起来的一种施工设备，该钻机具有机、电、液一体化高度集中、工作系统优化设计、在转场和现场移位灵活等优点，使旋挖钻进工艺具有成孔速度快、功效高和操作简单等特点。郭峰等^[1-4]着重从钻头的削土和碎岩机理对旋挖钻进工艺进行了研究；孔伟等^[5-8]探讨了提钻过程中产生的负压对孔壁稳定性的影响以及一些常见的工艺控制问题。在工程实践中，经常遇到因成孔速度过快而很难确保砂卵石地层的孔壁稳定等问题，从而制约了旋挖工艺的推广应用。为此，本文作者借鉴徐奋强   等^[9-13]有关大直径灌注桩所取得的研究成果，结合石(家庄)武(昌)客运专线某桥址的工程地质特征，就砂卵石地层的泥浆护壁机理、旋挖钻头的碎岩机理、钻进工艺参数及泥浆性能指标进行分析和探讨。

1  工程地质特征

根据工勘资料，石(家庄)武(昌)客运专线邯郸某特大桥整个桥址的地层自上而下可分为4层：第1层主要为粉土、粉砂层(约18 m)；第2层主要为黏土(约15 m，局部含砂及坚硬夹层，其天然压强为3.7~18.7 MPa)；第3层为细砂层(约10 m)；第4层主要为黏土。坚硬夹层为板砂岩，分别出现在孔深22~27 m之间(厚0.8 m)、孔深35 m(厚2.0 m)、孔深47 m(厚5.0 m)处。

在这种粉砂层与板岩互叠地层进行旋挖钻进施工，应从如下3个方面考虑施工工艺：

(1) 施工中所遇粉、细砂地层松散，易坍塌，水敏性强，对泥浆的性能指标要求很高，若泥浆中无用固相含量较高，造成附在孔壁的泥皮比较厚，而且泥皮松疏，韧性较低，不但会使钻孔孔径缩小，而且会引起孔壁水化崩塌，泥皮脱落，致使孔内得不到净化，清孔困难。

(2) 上提钻斗时水流由钻斗外侧和钻孔之间的空隙中流过冲刷孔壁，在其下方产生负压而导致孔壁  坍塌。

(3) 夹层的硬度较高，应从旋挖钻头的碎岩机理入手，选用合适的钻具和工艺技术参数。

2  泥浆护壁与孔壁稳定性分析

2.1  泥浆护壁作用分析

泥浆的护壁作用主要表现在2个方面：隔水膜的形成及泥浆液态静压力。隔水膜的形成要求土层具有一定的渗透性，否则，很难在孔壁形成隔水膜。泥浆在液压作用下浸入土层，在一定范围内泥浆凝胶体黏附在土颗粒上，固定了土颗粒的相对位置，在孔壁周围(0~2 m)形成较稳定的土层，使土层抗剪强度增加，从而维持了孔壁的稳定。泥浆的继续渗透使泥浆中的土颗粒逐渐填补了孔壁土层的空隙，从而堵塞了水道，在孔壁形成泥皮即隔水膜。

泥浆的液态静压力可以减小作用在孔壁上的土压力和水压力，并防止地下水渗入。因为钻孔破坏了原状土的受力平衡，孔壁面土体静土压力减少，孔壁的空隙水压成为负值，对土体产生了抗拉作用。同时，泥浆中的细小土颗粒向土层渗入也增强了土层的强度，从而可保持孔壁稳定。但泥皮对桩的强度、压缩性变形等产生不利影响。因为泥皮改变了桩、土接触面的性质，使桩侧摩阻力下降，从而使桩体承载力下降。泥皮越厚，承载力下降越明显。

由此可见，泥浆的稳定护壁作用首先表现为泥浆静水压力作用，对地下水产生超压力，起稳定平衡作用；其次表现为泥皮作用，泥浆在孔壁上形成不透水泥皮薄膜，阻止泥浆渗透至周围土中或者地下水侵入孔内与泥浆混合，促进孔壁稳定。

2.2  泥浆静水压力作用

对于砂性土层，如在卵(砾)石层垂直成孔时，由于土层黏聚力c =0，在无泥浆时进行成孔施工，孔壁总是处于不稳定状态。因此，在砂性土层中成孔时，必须采用泥浆护壁。按经典土力学滑动理论，取滑动楔形土体OAB进行分析(图1)，根据力的平衡，有：

图1  砂土孔壁稳定受力示意图

Fig.1  Force diagram of drilling hole stability in sandy soil

             (1)

式中：(钻具静止时孔底泥浆液柱压力)；为泥浆密度；；为土体的密度；H为孔深；为土体支承反力R的作用方向与滑动面OB法向方向的夹角。当楔形土体处于极限滑动状态时，

从而可得：

孔壁稳定安全系数为：

         (2)

可见：对于砂性土，F_s为常数，与孔壁深度无关。但孔壁的稳定性同样取决于泥浆的密度。随着泥浆密度增大，F_s增大，孔壁稳定性增强。

2.3  泥浆抑制地层的作用

泥浆抑制地层主要表现为泥浆的凝胶作用。由于凝胶作用和颗粒的沉淀，在泥浆和孔壁界面处形成一层泥皮或“泥饼”，减小地下水的侵入而可能造成孔壁坍塌。另一方面，凝胶泥浆具有微小的抗剪强度，当孔壁上土颗粒脱落进入孔内时，泥浆对此有微小的抵抗作用，从而增大孔壁的稳定性。Gill^[11]认为：当泥浆压力为主动土压力的65%~80%时，孔壁有时是不稳定的。因此，孔壁稳定性主要由泥浆的凝胶作用来保障。取凝胶泥浆微分单元体加以研究分析，由图2所示的凝胶泥浆单元受力情况可得平衡方程：

          (3)

图2  凝胶泥浆单元受力示意图

Fig.2  Force diagram of gel slurry

当单元体应力状态满足屈服条件 时，泥浆发生塑性流动。式中：为凝胶的抗剪强度。在适当的边界条件下，利用式(3)可以求得凝胶泥浆静态应力。

    对于宽度为2b的孔壁，根据式(3)，水平应力为：

          (4)

则水平抗力为：

  (5)

在凝胶泥浆护壁稳定时，由条件可得孔壁稳定的临界深度H_er­和安全系数F_s，即

             (6)

          (7)

其中：F_s为孔壁稳定的安全系数；为孔壁岩土剪切强度。由此可见：随着凝胶泥浆的抗剪强度的提高，F_s增大，孔壁的稳定性增强；同时，钻孔直径(2b)越小，孔壁稳定性也越强。因此，在成孔施工过程中，应采用优质的膨润土泥浆或高分子聚合物泥浆，增大膨润土稠度，使泥浆具备一定的抗剪强度，增加凝胶作用，从而增强孔壁的稳定性。

2.4  起钻时孔壁稳定性分析

在起钻过程中保持井壁稳定的基本原则为：起钻时，钻具底面下钻孔中任一点的泥浆压力大于或等于相应点的孔隙水压力，即

p_m-p_n≥p_p                 (8)

式中： p_n为提钻时的抽吸压力或泥浆流经钻具时的压力损失，kPa；p_p为孔底孔隙水压力，kPa。

提钻时，孔内压力变化情况见图3。根据式(8)可以推断出：必须保证泥浆柱压力p_mA(即A点处的泥浆柱压力)减去抽吸压力p_n的值大于等于相应点地层原始孔隙水压力p_p，此时，孔壁才有可能保持稳定，不发生事故。旋挖钻施工起钻时，井内某一点处的实际波动压力为：

(a) 提钻时孔内情况；(b) 压力变化规律

图3  孔内压力示意图

Fig.3  Pressure diagram in drilling hole

            (9)

式中：p_t为泥浆静切力引起的波动压力，MPa；p_bt为泥浆粘滞力引起的波动压力，MPa；p_bo为钻头引起的

波动压力，MPa。

由此可见：提钻时，一方面，泥浆的黏滞性使泥浆随钻柱向上运动；另一方面，随着钻头体以下钻孔体积的增大，泥浆不断向下流动，以填补钻具移出后孔内余出的空间。泥浆在流动过程中由于克服了流动阻力，从而使压力降低。波动压力降低值随钻具提升速度的变化而变化，提升速度越大，压力降低幅度越大，越容易造成孔壁不稳定。因此，起钻速度的确定主要是考虑起钻时不至于引起井漏、井塌，同时，在钻进过程中，可能存在不只1个薄弱的层位，下钻时应保证这些层位上所受的压力不能低于该处的地层孔隙压力，同时，不能大于该处的地层破裂压力。

3  旋挖钻头碎岩过程

旋挖钻机钻头(泥斗)的工作程序是：在钻进时，松开钻机主卷扬，反转解锁钻杆，钻杆下行至孔底钻进部位，然后，正转钻杆带动钻头正转，此时，通过底部带有活门的桶式钻头回转破碎岩土，并直接将岩土装入钻斗内；翻转钻杆解锁，开动主卷扬和动力头，将钻头和伸缩钻杆提升至孔口，旋转机身至卸渣处。钻头回转破碎岩土过程分析如下。

(1) 截齿侵入岩石时(如图4(a)所示)，在它的前方出现1个袋状或球状核，这是物体在承受巨大压力作用下发生局部粉碎或显著塑性变形而形成的，称为“密实核”。

(a) 碎岩过程；(b) 荷载与深度的关系

1—压头；2—漏斗状破碎区；3—密实核

图4  碎岩过程示意图

Fig.4  Schematic diagrams of broken rock

(2) 由于岩石的抗压强度远大于抗拉、抗剪强度，随着载荷p增大，当岩石内部最大剪应力超过岩石的抗剪强度时，将错开岩石颗粒产生裂纹源，在截齿与岩石接触面下方首先形成一个以裂纹源为中心的损伤区。同样，在截齿与岩石的接触边缘处，当最大拉应力超过岩石的抗拉强度时，将拉开岩石颗粒形成赫芝裂纹。当载荷进一步增大时，损伤区内裂纹源扩张破坏岩石，在截齿下端形成压碎区。

(3) 压头侵入岩石的特点是：在载荷p增加之初，侵深按一定比例增加，当达到某一载荷临界值时，侵深会发生突然跃进现象；当压头继续侵入到某深度后，载荷p再次上升，侵深h和载荷p又恢复到某种比例关系。如此不断循环，越是脆性岩石，这种跃进破碎现象越明显。而对于塑性岩石，这种突变关系则比较缓和(见图4(b))；在曲线上升段，增加单位载荷所增加的侵深近于常数，曲线下降部分与加载机构即钻杆刚性有关，不完全取决于被侵入的岩石^[8]。

4  旋挖钻进工艺

对于泥岩、页岩、泥页岩、粉砂岩、泥质砂岩以及全风化和部分强风化的砂岩、灰岩等软岩，对钻具的选用要求高；对于砂黏土、细砂及粗砂地层，则对泥浆的性能指标要求高。

4.1  钻具的选择

对于施工中所揭示的这类软岩偏硬夹层钻进，钻具的结构及切削齿的选择非常关键。先用锥型双头螺旋钻头钻进破碎岩石，然后，用单底盘或双底盘旋挖钻斗捞取岩屑，将孔底基本捞取干净后，再换用螺旋钻头钻进，如此循环，直至设计标高为止。

选用锥型螺旋钻头比平底螺旋钻头的钻进速度快，这是因为锥型螺旋钻进稳定性强。根据岩石破碎理论^[7-8]，锥型螺旋在钻进过程中可以形成多个自由面，能够形成体积破碎。如果单独使用单底盘或双底盘旋挖钻斗，孔底在钻进过程中形成的自由面少，岩石破碎效率低。而单独使用螺旋钻头时，破碎效率高，但由于岩屑不能够及时全部排出，对螺旋钻头本身的磨损量也会增加。

钻斗的切削齿可以选择具有直径大、体形长、硬质合金硬度中等但耐磨性高的截齿，这样，可以尽量发挥旋挖钻机钻进压力大、回转扭矩高的特点，使截齿在钻进中尽量产生体积破碎，既可以提高钻进效率，又能提高旋挖钻具的工作寿命。

4.1.1  螺旋钻头螺旋角的确定

根据螺旋形成的原理，螺旋面上不同半径处的螺旋线的倾角不同。螺旋与中心管的交线称为内螺旋线，其倾角为，螺旋叶片的外缘称外螺旋线，倾角为。螺旋叶片面上的任意螺旋线的倾角，必定满足以下条件：≤≤。为了保证螺旋面上被输送的钻屑不因其自重而滑落，应使其螺旋角小于钻屑与螺旋面之间的摩擦角。钻屑受力示意图见图5。

图5  钻屑受力示意图

Fig.5  Force diagram of drilled cuttings

土与螺旋叶片的摩擦因数f一般为0.3~0.6。若取f=0.5，则要求≤0.5，即≤26?34″。这一点在靠近叶片外径处可以实现，而靠近中心管处难以达到。所以，钻进时螺旋钻头必须达到一定的回转速度，以保证钻屑不向下滑。

4.1.2  单底盘或双底盘旋挖钻斗斗齿的选择

单底盘或双底盘旋挖钻斗主要用于各种硬土或强风化岩层。底盘采用单层或双层结构。单层底盘内设计有活门，关闭时可以封住开口，钻屑只能进入而不能漏出。双层底盘没有活门，当钻斗装满后反转，底盘上、下层错开将开口处关闭。底盘开口一般为双开口，呈对称分布。底盘开口面积根据钻斗直径来确定，在一般情况下，开口面积为钻斗底面积的1/3。若开口面积太大，则会使底盘的刚度和强度降低。

截齿在钻斗底盘上的分布主要考虑切削角和回转半径。通过大量研究分析和施工实践对比，截齿的安装角度一般为45?。根据理论计算，位于回转半径较大部位的截齿回转速度也较大，所承受的冲击力和切削的弧长也较大，所以，外侧截齿数量和重合度应较大，以保证每个截齿的工作量基本相同。

4.2  轴向压力和回转速度的计算

(1) 螺旋钻进的轴向压力根据地层性质、钻孔直径和钻头结构等进行选择。经分析，得出的经验公   式为^[14]：

式中：P为轴向压力(N)；P₁为钻头直径上单位长度的轴向压力(N/cm)；为岩土单轴抗压强度；D为钻头直径(cm)。

(2) 螺旋钻头的临界转速为n₀，其计算式为：

n₀≥

式中：n₀为临界转速(r/min)；为螺旋角；f₁为钻屑与螺旋叶片之间的摩擦因数；f₂为钻屑与孔壁之间的摩擦因数，在一般情况下，f₂=0.3~0.6；R为螺旋钻头的半径(m)；g为重力加速度，9.8 m/s²。

在实际钻进中，螺旋钻头的转速一般受钻机能力的限制，不可能很高，即使转速达不到临界转速，钻屑也会聚集在螺旋叶片之间，提钻后只须反向回转钻头，即可将钻屑甩出。

(3) 在软岩中进行钻进，以体积破碎为主，必须有较高的钻进压力，但转速不能太高。当转速太高时，既增加了钻具的磨损，也不利于体积破碎的形成。一般地，钻进压力为50~100 kN，回转速度为20~      30 r/min。

4.3  泥浆性能指标

钻孔泥浆由水、黏土(或膨润土)和添加剂组成。泥浆原料宜尽可能使用膨润土。膨润土具有密度低、黏度高、含砂量和失水量少、泥浆厚度小、稳定性和固壁能力强、钻具回旋阻力小、钻进率高、造浆能力强等优点，为改善泥浆的性能，通常在制备泥浆时掺入少量的外加剂，常用的外加剂有轻基纤维素(CMC)、聚丙烯酰胺(PHP)和Na₂CO₃(纯碱)^[15-16]。

从工程地质条件可以看出：钻进平均所穿透的粉土及粉砂层厚度约18 m，细砂层厚度约10 m。可见，易出现孔壁坍塌的层位主要集中在砂土层。由式(2)可以看出：孔壁的稳定性主要取决于泥浆密度；随着泥浆密度的增加，孔壁的稳定性增强；孔壁的稳定性对钻机的起钻的速度要求较低。由式(7)可以看出：在配置泥浆性能指标时，加入适量的絮凝剂有利于提高泥浆的抗剪强度，从而增大孔壁的稳定性。为此，施工中采用的基浆的膨润土、水、纯碱、PHP质量比为1?9?0.03.2?0.005，性能指标见表1。掺入适量Na₂CO₃，使pH值保持在8~10，有利于黏土颗粒分散和黏粒表面负电荷增加，为黏土吸收外界的正离子颗粒提供条件，这样可增加水化膜厚度，提高泥浆的胶体率和稳定性，降低失水量；聚丙烯酰胺(PHP，阴离子型、相对分子质量为(300~500)万、水解度为30%~50%)作为絮凝剂，在泥浆中利用其浆液形成的凝胶体浸水后有一定的膨胀性，以提高泥浆的抗渗性能，使形成的泥皮薄而硬。

表1  泥浆性能指标值

Table 1  slurry properties guideline

5  工程应用分析

5.1  泥浆性能指标的调整

在本标段首根桩施工中，缺乏对泥浆性能指标的综合考虑，在造浆过程中只强调了对黏度指标的控制，而且黏度偏低(17~19 s)，从成孔结果中发现普遍在10~17 m处钻孔缩径，探笼放不下。加大钻头尺寸扫孔后，进行第2次清孔时，沉渣厚度达4 m，给清孔带来很大困难。通过上述理论分析，编制了详实的泥浆作业指导书并成立了专门泥浆调配班组，以确保泥浆指标达到表1中的要求，并保障泥浆的供应量以满足旋挖成孔速度的需求。通过采取这些措施，取得了很好的应用效果。

5.2  钻具、钻压和转速的应用

在施工过程中发现：部分承台出现坚硬夹层，坚硬夹层为板砂岩，分别出现在孔深22~27 m之间(厚0.8 m)、孔深35 m(厚2.0 m)、孔深47 m(厚5.0 m)处。为此，采用的施工工艺为：遇到坚硬夹层则改用锥型双头螺旋钻头钻进破碎岩石，然后，用单底盘或双底盘旋挖钻斗捞取岩屑。结合碎岩机理，对螺旋角和截齿的安装角度进行分析，螺旋角控制在26?34″，截齿的安装角度一般控制在45?，并规定钻进压力为50~100 kN，回转速度为20~30 r/min，取得了较好的破岩(土)效果。

6  结论

(1) 泥浆的稳定护壁作用首先表现为泥浆静水压力作用，其次表现为泥皮作用。对于砂性土层，对孔壁起稳定作用的关键因素是泥浆密度。随着泥浆密度增大，孔壁稳定性增强。

(2) 在砂性土施工中，应采用优质的膨润土泥浆或高分子聚合物泥浆，使泥浆具有一定的抗剪强度，增强凝胶作用，从而增大孔壁的稳定性，而不要总是通过加深钢护筒来护壁。

(3) 旋挖钻头在提升过程中，孔内波动压力降低值随钻具提升速度的变化而变化，提升速度越大，压力降低值越大，越容易造成孔壁不稳定。

(4) 对于泥岩、页岩、泥页岩、粉砂岩、泥质砂岩以及全风化和部分强风化的砂岩、灰岩等软岩，对钻具的选用要求高；对于砂黏土、细砂及粗砂地层，则对泥浆的性能指标要求高。

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收稿日期：2009-05-12；修回日期：2009-08-10

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878212)

通信作者：刘睦峰(1962-)，男，湖南桃源人，博士研究生，高级工程师，从事地质工程施工管理、大口径超深孔桩基础施工的应用研究；电话：0731-85648601；E-mail: lmf7201@yeah.net

(编辑 陈灿华)