钙质结核对定向钻穿越的影响

钙质结核对定向钻穿越的影响

田乐海

中航勘察设计研究院有限公司北京100098

摘要：钙质结核由于形成的年龄和环境条件不同而具有不同的大小和形态，其结构和工程性质不同于黏性土又有别于碎石土，具有特殊的工程性质。因其形成机理不同，决定其分布规律不同。本文结合工程实例，对施工过程中产生的问题进行分析与总结，从而减少或避免因钙质结核对定向钻穿越施工所造成的不利影响。

关键词：钙质结核；定向钻；管道工程

引言

钙质结核又称石灰结核或砂姜，它是分散的碳酸盐在硅酸、二氧化物、三氧化物、铁和锰等吸附性物质的表面与土胶结而成的。钙质结核一般呈黄白色、灰色，形状呈姜状、核状或浑圆状，粒径一般3cm～8cm，大的可达30cm以上，最小的不及1cm。土层中钙质结核零星散布，或呈层状聚集于土层中，有的仅见一层，有的数层间隔分布，甚或数层连续分布[1]。

1钙质结核的形成机理

钙质结核主要是碳酸钙组成的结核状自生沉积物，在中国和世界很多地方都有分布。前人的研究表明：钙质结核是在沉积物稳定之后在土壤发育过程中的产物，具有与搬运沉积物完全不同的特征[2]。钙质结核的形成有其特殊的条件：

a、富含HCO3--Ca2+的浅层地下水的垂直运动；

b、厚层富含CaCO3黏性土的河湖相沉积物；

c、蒸发量大于降水量形成的干湿交替的自然环境条件；

d、成土母质处于地下水的变动范围内，且地下水径流缓慢。

钙质结核的形成过程大致为：水分下渗（包括地下水的向下径流，地表水及雨水的下渗）→土壤淋溶（难溶性CaCO3变成水溶性的Ca（HCO3）2→成土母质（黄土性物质，微团聚体，水分以毛管运动为主，使水分渗流变缓）→碳酸盐聚积（包括Ca（HCO3）2和CaCO3，及其它不溶和难溶于水的细小颗粒）→水分向地表运动（地表变干，水分以气态形式向地表运动）→CO2析出→CaCO3沉积→钙质结核。

综上所述，钙质结核的形成与地质时期海平面的升降、古气候、古河道的变化、地下水的作用以及土壤的淋溶淀积等因素有关，而钙质结核的大小和形态与地下水保持在这一层位的时间长短以及蒸发率有关[3]。

钙质结核一般分为原生钙质结核和次生钙质结核。原生钙质结核都有明显的棱角，在土层中的排列比较杂乱，形如生姜；次生钙质结核经过搬运，一般无明显棱角。钙质结核层的上、下限一般无明显水平界线，呈舌状伸展。钙质结核排列的无规则性使得土体呈现不均匀性和各向异性，土体的物理力学性质变化大，取样、原位试验困难，室内试验误差较大，工程性质的优劣很大程度上取决于钙质结核的形状、大小、数量、分布、结构及发育程度等，因而需要根据钙质结核土的上述特点，并结合工程结构物的要求，才能提供准确、可靠的工程地质参数。

2定向钻工作原理

定向钻不仅应用于河流、沟渠、水库等水域的穿越，同时还广泛应用于高速公路、铁路、机场、海岸、岛屿以及密布建筑物、管道密集区等的穿越。由于定向钻适用性广、资金使用较少，成为发展较快的一种非开挖施工技术。定向钻通常用于小到中等直径的管线施工，钻孔长度一次性可达500m以上，误差在125mm内，管径200mm～1500mm。定向钻已经能够在粗砂、卵石、冰碛和岩石地区等复杂地质条件下进行穿越施工[4]。定向钻工作原理如图1所示。

图1定向钻工作原理

2.1工作步骤

定向钻的工作步骤可分为定向孔钻进、扩孔、铺设管道三个阶段。

（1）定向孔钻进

在不开挖或少开挖地表的情况下，利用定向钻技术，按预定轨迹先钻一个先导小孔，钻杆的数量根据工程实际情况来确定。在钻头内放置一个控向传感器，定向孔钻进过程中，地面接收仪随时显示斜面钻头的深度、倾角及导向板的面向角，操作者据此进行造斜钻进或直线钻进。在地面导航仪的引导下，钻一个与设计轨迹吻合的定向孔，一般平面误差为10cm，深度误差为5%。

（2）扩孔

扩孔是利用与钻杆相连的扩孔器来完成的，扩孔时钻杆带动扩孔器转动，泥浆从扩孔器喷出，同时活动卡盘向后移动，拉动扩孔器前进，并牵引穿越管前进，直至敷设完毕。

（3）铺设管道

管道回拖前，应将管道放在发送架上或放入发送沟内。采用发送沟方法回拖管道时，发送沟内不得有石块、树根和硬物等，沟内宜注水．确保将管线浮起，以避免管线底部与地层磨擦，划伤防腐层，并降低钻机拖拉力。

3工程实例

河南省区域内第四系及第三系地层中广泛分布着钙质结核，由于其形成环境、地质情况不同，分布具有离散性，多数地区含量较少，但局部区域内钙质结核富集或成层，且钙质结核粒径偏大，对拟建中原油田-开封-薛店调峰管道工程施工影响较大。该工程全线长度272.6km，穿越共54处，其中小清河穿越位于郑州市中牟县界马村南，姚家镇和韩寺镇以北。场地地貌如图2所示。

图2穿越场区地貌

小清河穿越长度为240m，勘察期间管线中线两侧40m分别布置一排钻孔，每排钻孔间距为40m。根据野外勘探及原位测试、室内土工试验成果，勘探深度范围内的地层构成自上而下为：

耕土①层（Q4ml）：褐黄色，稍湿，松散，土质不均匀，成分以粉土为主，含植物根系。该层厚度为0.3m～0.5m。

粉土②层（Q4al+pl）：褐黄色，稍湿，稍密。该层厚度为2.9m～3.4m。

粉砂②1层（Q4al+pl）：褐黄色，稍密，稍湿，颗粒均匀，矿物成分以石英、长石及云母为主。

粉砂③层（Q4al+pl）：褐黄色，湿～饱和，稍密～中密，颗粒均匀，矿物成分以石英、长石及云母为主。该层厚度为5.3～6.3m。

粉土④层（Q4al+pl）：褐黄色，饱和，稍密～中密。该层厚度为1.1m～4.4m。

粉砂⑤层（Q4al+pl）：褐黄色，饱和，中密，颗粒均匀，矿物成分以石英、长石及云母为主。该层厚度为4.5m～8.1m。

粉砂⑥层（Q4al+pl）：褐黄色，饱和，中密，颗粒均匀，矿物成分以石英、长石及云母为主。本次勘察未钻穿该层，最大揭露厚度为8.6m。

在勘察过程中，未发现有钙质结核，但是在实际施工过程中我们发现：在8.0m～10.0m之间分布着钙质结核，粒径为1.0cm～3.0cm。在定向钻施工过程中，增加了钻杆的扭矩、管道与孔道内壁的摩擦阻力等，这样就增大了施工难度。

4结果分析

（1）钙质结核的形成受多方面原因的影响，分布没有规律，具有很强的区域性，所以要充分了解钙质结核的形成机理。

（2）在有钙质结核可能分布的地区，按规范只是在管线位置中线两侧布置了两排钻孔，而在管线中线位置不布置钻孔，这样就潜在的增加定向钻施工的难度，对后续工作造成影响。所以勘察期间应该适当的增加钻孔的数量，更加准确的查清地层。

（3）在勘察作业过程中要考虑到钙质结核的形成原因、特殊的力学性质，采用合适的钻进工艺，尽量采取到不受扰动的岩芯，必要时利用人工挖探的方式来判断钙质结核是否存在，为设计和施工单位提供更加准确的地质资料。

（4）定向钻在钙质结核分布地层中施工，应提前做好施工控制预案，尽量减少钙质结核对定向钻施工精度的影响。

参考文献：

[1]刘良梧，茅昂江．钙质结核放射性碳断代的研究[J]．土壤学报，1986，23（2）：106-112．

[2]张民，龚子同．用稳定同位素探讨土壤及钙质结核的碳酸盐来源[J]．土壤，1994，26（2）：65-70．

[3]吴道祥，曹亚娟，钟轩民等．安徽淮北平原钙质结核土分布及成因年代研究[J]．岩土力学，2009，12（3）：434-439．

[4]周从明．非开挖水平定向钻进轨迹最优化研究及软件设计[D]．成都：成都理工大学，2004．