盧劍星

（中國煤炭地質(zhì)總局廣西煤炭地質(zhì)局，廣西 柳州 545005）

在巖土工程勘察工作中，鉆探工藝的合理選擇及準(zhǔn)確應(yīng)用對于巖土工程勘察的質(zhì)量和效率都具有十分重要的影響。因此勘察人員應(yīng)全面了解鉆探施工的各項(xiàng)工藝要點(diǎn)，積極總結(jié)鉆探實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同的巖土體特征選擇相應(yīng)的鉆探設(shè)備和工藝方法。

1 巖土勘察鉆探的鉆進(jìn)方法和鉆探設(shè)備分析

在進(jìn)行鉆探巖土鉆探時(shí)，需要通過鉆機(jī)設(shè)備鉆進(jìn)地下，然后利用所形成的圓柱形鉆孔來取得各地層深度的巖土體以及地下水等樣本，再經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的檢測分析后就可以比較準(zhǔn)確地掌握測區(qū)的地質(zhì)特征。鉆探是一項(xiàng)工藝比較復(fù)雜的綜合性工作，不僅要準(zhǔn)確劃分地層以及測定界限，同時(shí)還要嚴(yán)格按照工藝要求采集原狀土并開展原位測試工作，而鉆探工藝方法的選擇以及操作技術(shù)水平將直接關(guān)系到巖土工程勘察的整體質(zhì)量和效率。

1.1 巖土工程勘察中的主要鉆探設(shè)備分析

在進(jìn)行巖土鉆探時(shí)，鉆探設(shè)備是進(jìn)行鉆孔施工的基礎(chǔ)，目前在鉆探工作中比較長遠(yuǎn)的鉆探設(shè)備主要有空氣壓縮機(jī)、鉆機(jī)、鉆探泵以及相關(guān)的傳動、動力設(shè)備和輔助設(shè)備。在鉆探設(shè)備中，由于裝載方式的不同，可以將其劃分成組裝式以及整體式這兩大類。而根據(jù)移動性的不同，又可以進(jìn)一步將整體式鉆探設(shè)備分成三類，即自行式、固定式以及拖引式。此外，還可以根據(jù)鉆探設(shè)備的不同用途將其劃分成巖芯取樣、工程地質(zhì)和施工以及水文水井等不同的設(shè)備類型，而不同的鉆探設(shè)備在適用范圍上也各不相同。其中工程地質(zhì)設(shè)備主要適用于為道路工程、民用、工業(yè)建筑工程以及橋梁工程等進(jìn)行巖土工程勘察鉆探。而水文水井設(shè)備主要適用于對水井以及水文勘察進(jìn)行鉆機(jī)勘探。取樣以及巖芯設(shè)備則主要是對巖土體以及混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆探。

1.2 巖土勘察鉆探中的主要鉆進(jìn)方法分析

在進(jìn)行鉆探作業(yè)時(shí)，需要根據(jù)巖土層的不同巖性特點(diǎn)以及具體的鉆探要求而選擇不同的對地下巖體進(jìn)行破碎鉆進(jìn)的方法。目前在鉆探工作中比較常用的鉆進(jìn)方法主要包括振動鉆進(jìn)方法、沖擊或沖抓鉆進(jìn)方法、正反循環(huán)式的鉆進(jìn)方法以及螺旋鉆進(jìn)方法等。而鉆進(jìn)時(shí)還應(yīng)根據(jù)具體的鉆探要求選擇取芯或者不取芯的鉆進(jìn)方法。此外在進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工時(shí)，由于需要選擇不同的磨料來破碎巖石，因此又可以將鉆進(jìn)方法劃分成金剛石、硬質(zhì)合金以及鉆粒等不同的鉆進(jìn)方法。

2 巖土工程勘察中的主要鉆探工藝分析

2.1 鉆探可塑性偏軟等黏性土層的工藝方法

（1） 在鉆探作業(yè)時(shí)應(yīng)根據(jù)地層特性的不同而選擇相應(yīng)的鉆探工藝。例如在對黏性土地層進(jìn)行鉆探時(shí)，由于該地層具有較大的壓縮性、流變性和觸變性，同時(shí)其滲透性以及強(qiáng)度則相對較低，因此在進(jìn)行鉆探時(shí)應(yīng)選擇長短螺旋鉆進(jìn)與重錘沖擊鉆進(jìn)相配合的工藝方法來進(jìn)行鉆探作業(yè)。當(dāng)需要對地下水水位下方地層進(jìn)行鉆探時(shí)，則應(yīng)選擇沖擊回轉(zhuǎn)以及套管螺旋鉆進(jìn)等工藝，而重錘沖擊工藝不僅會對鉆孔孔底周邊地層產(chǎn)生較大的擾動，而且其鉆進(jìn)效率也無法滿足鉆探要求。

（2） 在應(yīng)用螺旋鉆進(jìn)工藝時(shí)，主要是使螺旋鉆桿在電動機(jī)的帶動下回轉(zhuǎn)鉆頭，并沿螺旋線方向逐步切削地層而形成鉆孔。同時(shí)螺旋葉片可以將切削下的碎屑雜質(zhì)等直接上返至孔口位置。在采用長螺旋鉆進(jìn)工藝時(shí)，其鉆進(jìn)深度應(yīng)控制在15～20 m左右，而鉆進(jìn)直徑則應(yīng)控制在1 m以內(nèi)，在選用短螺旋鉆進(jìn)工藝時(shí)，則鉆進(jìn)深度大多在30 m以內(nèi)，最大深度可以達(dá)到50 m左右，而鉆進(jìn)直徑一般在2～3 m之間。由于短螺旋鉆進(jìn)工藝所使用的鉆機(jī)設(shè)備為非連續(xù)型，因此其鉆機(jī)效率低于長螺旋鉆。這種鉆探工藝具有較高的效率，而且不需要對設(shè)備進(jìn)行清洗。

（3） 在應(yīng)用沖擊回轉(zhuǎn)工藝進(jìn)行鉆探施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制泥漿配比，并在施工中要防止鉆孔土層被水流沖散，造成泥漿中混入雜質(zhì)。為了提高鉆探質(zhì)量，也可以采取在回次終了階段停止送水的方法來進(jìn)行施工，從而適當(dāng)增加干鉆進(jìn)尺，以保證土層樣品采集的有效性。此外也可以選擇雙管雙動鉆具來進(jìn)行取芯作業(yè)。

在鉆探硬塑黏性土地層時(shí)，勘探人員應(yīng)采用沖擊回轉(zhuǎn)工藝，并選擇小肋骨鉆頭等設(shè)備來進(jìn)行施工，以減少對土層的擾動。在應(yīng)用沖擊回轉(zhuǎn)工藝時(shí)，其動力類型主要包括氣動、液動以及混合動力。這種工藝方法可以在低鉆速條件下實(shí)現(xiàn)較高的鉆進(jìn)效率，有效地減少了孔內(nèi)事故發(fā)生的概率，延長了鉆頭的使用壽命。

在應(yīng)用液動沖擊回轉(zhuǎn)工藝時(shí)，其鉆進(jìn)深度一般在800～1 000 m之間，而直徑應(yīng)控制在56～130 mm之間，動力主要為泥漿以及清水所形成的高壓。而氣動沖擊鉆進(jìn)工藝的鉆進(jìn)直徑則可以達(dá)到65～228 mm左右。在鉆探作業(yè)時(shí)應(yīng)先采用慢速鉆進(jìn)方式，當(dāng)土層為鉆頭切入后再適當(dāng)提高鉆進(jìn)速度。

2.2 鉆探砂層的工藝方法

在鉆探作業(yè)中，砂礫粒徑以及地下水等因素會對鉆探質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。在對含有大量黏粒的粉細(xì)砂砂土層進(jìn)行鉆探時(shí)，可以選擇螺旋鉆進(jìn)方法。而當(dāng)要求鉆進(jìn)深孔時(shí)，則應(yīng)選擇直徑較小的螺旋鉆來進(jìn)行后期的鉆進(jìn)施工。施工過程中應(yīng)將鉆速適當(dāng)降低，并合理調(diào)整泵量，以控制鉆進(jìn)壓力。在終了回次施工前，勘探人員應(yīng)利用泥漿對鉆孔進(jìn)行清洗，以防止出現(xiàn)卡鉆沉砂等故障。在停泵后應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行0.3～0.5 m左右的干鉆作業(yè)，以防止巖芯出現(xiàn)脫落的情況。

在對處于地下水位下方的礫砂或者中粗砂層進(jìn)行鉆探時(shí)，應(yīng)選擇反循環(huán)鉆進(jìn)工藝和硬質(zhì)合金鉆頭來進(jìn)行施工，且鉆頭應(yīng)選擇品字形。在施工過程中應(yīng)適當(dāng)將轉(zhuǎn)速降低，并利用灌漿泵吸設(shè)備進(jìn)行反循環(huán)鉆進(jìn)作業(yè)。施工人員應(yīng)對鉆具不斷進(jìn)行浮動操作，并嚴(yán)格遵守快放慢提的工藝要求，以促使孔底反循環(huán)的有效形成。在該鉆探工藝方法中由于巖芯管直徑小于鉆頭外徑，因此可以對巖芯管起到一定的約束作用，從而避免了原始巖芯結(jié)構(gòu)受到擾動。在完成末回次作業(yè)前，應(yīng)利用泥漿對鉆孔進(jìn)行清洗，從而將孔內(nèi)的礫砂徹底去除，以避免發(fā)生沉砂卡鉆故障。在停泵后仍需要進(jìn)行0.2～0.3 m左右的干鉆，然后才能停止鉆具的浮動操作并進(jìn)行精細(xì)干燒作業(yè)，以避免鉆孔孔壁出現(xiàn)坍塌等問題，之后就可以將完成巖芯樣品的采取施工了。

2.3 鉆探卵石層的工藝方法

地層的含水率、厚度以及密實(shí)度等因素也會影響鉆探工藝的應(yīng)用。當(dāng)對較薄地層進(jìn)行鉆探時(shí)，回轉(zhuǎn)鉆應(yīng)配合泥漿護(hù)壁工藝來進(jìn)行施工。當(dāng)對較高密實(shí)度的卵石層地層進(jìn)行鉆探時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制泥漿的配比，確保泥漿質(zhì)量能夠達(dá)到鉆探要求，同時(shí)應(yīng)選擇回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝。而當(dāng)對黏性土含量相對較低的大厚度地層進(jìn)行鉆探時(shí)則應(yīng)選擇跟管鉆進(jìn)的工藝方法。在施工時(shí)應(yīng)將鉆速控制在30～60 rad/min左右，且跟管長度應(yīng)控制在3～6 m左右，同時(shí)在施工過程中應(yīng)連續(xù)進(jìn)尺，以保證鉆探的順利進(jìn)行。另外還可以通過將黏土球投入鉆孔的工藝方法來保護(hù)孔壁，避免出現(xiàn)孔壁坍塌的情況。一旦有塌孔事故發(fā)生時(shí)，勘探人員應(yīng)在將鉆具拔出，并在放入跟管后再進(jìn)行鉆探施工，或者也可以采取增加泥漿濃度等處置措施。為了避免套管內(nèi)有卵石殘留而造成絲扣脫滑故障，勘探人員可以選擇利用反絲套管來進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。

3 巖土工程勘察中鉆探工藝的應(yīng)用實(shí)踐

3.1 某工程項(xiàng)目基本情況概述

某工程項(xiàng)目施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件比較復(fù)雜，經(jīng)勘察發(fā)現(xiàn)其主要為卵石層和粉砂質(zhì)泥巖層，其中卵石層厚度最大值為16.7 m左右，并含有較為豐富的地下水。受該工程所在地區(qū)客觀條件限制，其在鉆探施工中存在較大的難度。

3.2 該工程鉆探工藝的實(shí)踐應(yīng)用

在該工程項(xiàng)目的巖土勘察工作中選擇利用金剛石鉆頭進(jìn)行鉆孔，并配合使用套管進(jìn)行鉆探的工藝方法，其中鉆頭口徑選擇為Ф110 mm規(guī)格，而套管則采用的是Ф130 mm規(guī)格。在鉆探施工中，在現(xiàn)場利用磨損廢舊鉆探來進(jìn)行取芯鉆頭的制作，有效降低了鉆探成本。另外在鉆探施工時(shí)，根據(jù)金剛石鉆頭的相關(guān)參數(shù)來合理確定循環(huán)液的配比，提高了鉆探作業(yè)的效率。在本次鉆探作業(yè)中的循環(huán)液主要采用的是植物膠漿液，這樣在對較厚卵石層進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)時(shí)就可以利用植物膠漿液所形成的膠膜來為孔壁提供有效的防護(hù)作用，避免孔壁發(fā)生漏漿以及坍塌等問題，提高了孔壁的穩(wěn)定性。而且植物膠漿液還具有一定的潤滑功能，有效控制了鉆具振動對孔壁結(jié)構(gòu)的影響，從而促進(jìn)了采取巖芯作業(yè)效率的提高。而鉆探中所使用的泥漿成分主要包括0.5%～0.8%左右濃度的植物膠以及3%～5%左右濃度的膨潤土，同時(shí)將純堿的濃度控制在植物膠和膨潤土總量的4%～5%左右，此外還加入了濃度為0.2%的CMC約2 000×10-6。

在鉆探時(shí)應(yīng)根據(jù)巖土工程勘察要求合理選擇工藝參數(shù)，在本次鉆探作業(yè)中將鉆頭的鉆壓控制在4～7 KN左右，并將轉(zhuǎn)速設(shè)定為250～300 rad/min，盡量減小泵量，防止孔壁受循環(huán)液沖刷影響而出現(xiàn)坍塌或漏漿等問題。鉆探過程中如果有漏漿情況發(fā)生時(shí)，施工人員可以向孔內(nèi)直接倒入黏度為60 s左右的濃漿，同時(shí)應(yīng)停止鉆進(jìn)作業(yè)，并在孔內(nèi)通過鉆具的高速旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行甩漿，直至徹底封堵漏點(diǎn)。

通過鉆探工藝的合理應(yīng)用，有效提高該工程項(xiàng)目的巖土工程勘察采取巖芯的作業(yè)效率，減少了鉆孔孔壁坍塌等事故發(fā)生的概率，同時(shí)也降低了施工成本，減少了鉆探循環(huán)液等對環(huán)境的污染。

4 結(jié)語

由于我國地質(zhì)條件比較復(fù)雜，因此在工程建設(shè)中必須高度重視巖土工程勘察工作，而鉆探工藝對于巖土工程勘察的效果具有重要的影響?？辈靻挝辉阢@探施工前應(yīng)全面收集被測區(qū)域的地質(zhì)資料，并根據(jù)被測區(qū)域巖土體的不同特點(diǎn)以及工程的具體要求合理制定鉆探計(jì)劃，提高鉆探設(shè)備以及技術(shù)工藝選擇的合理性，為工程建設(shè)提供更加可靠準(zhǔn)確的地質(zhì)數(shù)據(jù)。此外，勘察部門還應(yīng)積極總結(jié)鉆探經(jīng)驗(yàn)，對現(xiàn)有的技術(shù)工藝進(jìn)行完善和創(chuàng)新。