第四系土層對鉆探的影響及其解決方法

曹江濤

（華北地質(zhì)勘查局五一九大隊，河北保定071051）

第四系土層對鉆探的影響及其解決方法

曹江濤*

（華北地質(zhì)勘查局五一九大隊，河北保定071051）

第四系土層具有結(jié)構(gòu)性差、土質(zhì)較松散、力學性質(zhì)不穩(wěn)定等工程特性，在鉆探前期工作中，由于許多施工單位未能對第四系土層引起重視，導致在鉆探施工過程中，鉆孔內(nèi)經(jīng)常發(fā)生掉塊、坍塌、縮徑、超徑等孔壁不穩(wěn)定現(xiàn)象，影響鉆探的進度及質(zhì)量；通過在第四系土層中易產(chǎn)生施工漏水、成孔困難及第四系土層易對鉆探施工安全問題產(chǎn)生影響等幾個方面的論述，對第四系土層在鉆探施工中造成的不利影響進行了歸納、總結(jié)，并對其產(chǎn)生原因進行了分析，介紹了解決該問題的一些經(jīng)驗和做法。

第四系土層；鉆探；影響；解決方法

第四系土層是指在新生代（距今一百萬年左右）中由原巖風化產(chǎn)物—碎屑物質(zhì)，經(jīng)各種外力地質(zhì)作用（風化、剝蝕、搬運、沉積）形成的尚未膠結(jié)硬化的沉積物（層）。按其地質(zhì)成因不同，可分為殘積土、坡積土、沖積土、洪積土、流砂等；按工程分類包括粘性土、粉土、砂土、卵（碎）石土、特殊土等。因其結(jié)構(gòu)性差、土質(zhì)較松散、力學性質(zhì)不穩(wěn)定等因素，導致在第四系土層中進行鉆探施工，鉆孔內(nèi)經(jīng)常發(fā)生掉塊、坍塌、縮徑、超徑等孔壁不穩(wěn)定現(xiàn)象，影響鉆探的進度及質(zhì)量。

在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查鉆探中，許多人往往只注重對巖石的鉆進，而忽略了第四系土層對鉆探造成的影響；即使是在地質(zhì)礦產(chǎn)勘查及鉆探設(shè)計過程中，亦是如此，對第四系土層也只是簡單地以Q標出而已。正是由于在鉆探前期工作中就未能對第四系土層引起重視，最終導致對其第一手資料的缺乏，由此產(chǎn)生的問題也隨之而來，對鉆探施工產(chǎn)生許多不利的影響。

筆者近年來一直從事巖土工程及地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作，對第四系土層在鉆探中產(chǎn)生的影響及解決方法積累了一定的工作經(jīng)驗，現(xiàn)結(jié)合工程實際就第四系土層對鉆探產(chǎn)生的不利影響及其解決方法談點粗淺看法，希望引起同行的重視。

1 第四系土層對鉆孔施工的影響

1.1 第四系土層易造成鉆孔施工漏水

該問題主要表現(xiàn)在：第四系土層中，粉土、粘性土由于孔隙比相對較小，密實度相對較高，在鉆進過程中，一般采用泥漿護壁即可；而對于卵（碎）石土等孔隙度大的土層而言，采用泥漿護壁很難取得理想效果，常常導致鉆孔漏水嚴重，隨鉆隨漏，給繼續(xù)鉆進造成困難。

原因分析：

（1）卵（碎）石土孔隙度大，采用泥漿護壁時，泥漿的相對密度偏低，起不到護壁作用。

（2）泥漿漏漿時補漿不及時，造成泥漿面過低，孔壓不夠。

（3）卵（碎）石土中卵（碎）石的塊體大小不一，形狀不規(guī)則，密實程度差，導致孔內(nèi)經(jīng)常發(fā)生掉塊、坍塌等現(xiàn)象，亦導致采用泥漿護壁失敗。

解決方法：采用泥漿護壁堵漏與下套管相結(jié)合的方法。

（1）調(diào)整泥漿的粘度和相對密度，塌孔地層變化時要隨時調(diào)整泥漿相對密度，漏漿時應及時補充泥漿，保持泥漿面在鉆孔孔口標高范圍以內(nèi)。

（2）在采用粘土泥漿護壁堵漏失敗后，可采用普通硅酸鹽水泥泥漿護壁堵漏，而普通硅酸鹽水泥標號應為32.5#、42.5#以上，可用于護壁堵漏的水灰比為0.4～0.5，并適量加入速凝早強劑，其優(yōu)點是可泵性好、護壁堵漏效果好，缺點是凝固時間較長，一般候凝24h以上；亦可采用801隨鉆堵漏劑、PHP、鋸末聯(lián)合堵漏，又可防止?jié)B水。

（3）采用調(diào)整后泥漿或硅酸鹽水泥泥漿護壁堵漏后，應及時下入套管，此時下套管的作用是隔離漏水或涌水層對泥漿的不利影響，防止孔壁坍塌。

1.2 在第四系土層中施工成孔困難

該問題主要表現(xiàn)在：在鉆探施工中，開孔經(jīng)常會遇到砂土層或卵（碎）石土，而其厚度、松散程度，往往對鉆進產(chǎn)生一定的影響。在遇到較厚的松散狀態(tài)的砂層時，采用泥漿護壁達不到預期效果，經(jīng)常出現(xiàn)鉆具不到底，無法下套管，鉆孔超徑嚴重，甚至導致已下好的套管被埋，有時不得不移動孔位重新鉆探。

在遇到較厚的松散狀態(tài)的卵（碎）石土，在提鉆后孔壁易坍塌，引起埋鉆或嚴重超徑引起斷鉆桿事故頻繁發(fā)生，給繼續(xù)鉆進造成困難。

原因分析：

（1）缺乏第一手的第四系土層的資料，未了解鉆孔處及其四周土層的巖性、厚度、松散狀態(tài)等，對第四系土層施工較盲目。

（2）由于砂層或卵（碎）石土處于松散狀態(tài)，鉆孔內(nèi)砂層或卵（碎）石土隨著鉆進提鉆而不斷坍塌，孔徑越來越大，無法下套管，最終導致在淺部的第四系土層成孔失敗。

解決方法：

（1）盡量掌握礦區(qū)第一手的第四系土層的資料，了解鉆孔處及其四周土層的巖性、厚度、松散狀態(tài)等，做到對淺部第四系土層施工時具有一定的針對性。

（2）對于松散狀態(tài)且厚度較大的砂層或卵（碎）石土，可采用泥漿護壁、套管跟進的方法，必要時可采用設(shè)計四級鉆進，三層套管護壁的方法，以避免在鉆進過程中無法預見的情況，又可為事故處理留有更多的空間和余地。

筆者曾在某礦區(qū)進行鉆探施工，開孔1.20m后即為松散狀態(tài)的砂層，由于設(shè)計中未能準確提供該砂層的厚度、松散狀態(tài)等參數(shù)，在鉆進過程中，孔內(nèi)砂層不斷坍塌，始終無法下套管，最后經(jīng)設(shè)計人員同意后，向后平移3.00m后重新開孔，采用四級鉆進，三層套管護壁的方法才解決該問題，具體步驟如下：一開，直徑?146mm開孔，下入?127mm套管；二開，直徑?110mm鉆進，下入?108mm套管；三開，直徑?91mm鉆進，下入?89mm套管；四開，?75mm鉆進至終孔。

本孔由于前期工作的不到位，影響了施工進度，對工程造成了不必要的損失。

2 第四系土層對施工鉆機的影響

該問題主要表現(xiàn)在：松散狀態(tài)的第四系土層對鉆機基礎(chǔ)產(chǎn)生影響，可導致鉆機發(fā)生傾斜，對鉆探產(chǎn)生一定的影響。

原因分析：在山區(qū)，由于第四系土層大多為殘坡積或風積而成，密實程度不高，多呈松散狀態(tài)，許多施工人員只是對鉆機平臺只是進行簡單的挖填后即進行鉆探施工，在施工過程中，由于鉆機不斷地震動，導致局部土體下沉不均勻，鉆機產(chǎn)生傾斜較大時，可導致設(shè)計鉆孔的方位角及傾角偏離原有設(shè)計，進而對礦體的控制產(chǎn)生一定的影響，嚴重時可導致整個鉆孔報廢。

解決方法：

（1）平整、夯實、加固鉆機平臺處的第四系土層某礦區(qū)鉆探施工，設(shè)計鉆孔為一斜孔，設(shè)計傾角為76°，位于一半山坡上，山坡上第四系土層相對覆蓋較厚，鉆機平臺為半挖半填而成，由于工期緊張，對于填土也未進行夯實就急于施工；在50.0m處進行測斜測量，測量結(jié)果偏差不大，滿足設(shè)計要求，而在100.0m處進行測斜測量時，發(fā)現(xiàn)孔位已偏離設(shè)計勘探線20°，超出了規(guī)范及設(shè)計要求范圍，查其原因，發(fā)現(xiàn)位于填土一側(cè)，由于鉆機不斷震動，邊坡處松散狀態(tài)的填土不斷被壓實并向坡下擴散，填土已下沉較明顯，導致鉆機發(fā)生傾斜，致使孔位偏離設(shè)計勘探線較多。查明原因后，對鉆機平臺進行了夯實加固，并及時采取了糾偏措施，才使工程繼續(xù)施工。

（2）對調(diào)平后的鉆機在四角處下入地錨，固牢鉆機，以避免鉆機在鉆進過程中因反向力而產(chǎn)生位移。

3 第四系土層對鉆探施工安全造成的影響

該問題主要表現(xiàn)在：由于第四系土層的大部分為松散狀態(tài)，導致土體在重力及鉆機不斷震動作用下，常可發(fā)生滑坡或崩塌等自然或人為災害，尤其是在雨季施工時，更易對施工人員的人身安全造成傷害，對設(shè)備造成破壞。

原因分析：產(chǎn)生滑坡與崩塌的因素（或條件）是十分復雜，主要分為內(nèi)部條件和外部條件2個方面，不良的地質(zhì)條件是產(chǎn)生滑坡或崩塌的內(nèi)因條件，而人類的工程活動和水的作用則是觸發(fā)并產(chǎn)生滑坡或崩塌的主要外因條件。產(chǎn)生滑坡或崩塌的原因主要有：

（1）斜坡上土體本身存在傾向相近、層理發(fā)達、破碎嚴重的裂隙，或內(nèi)部夾有易滑動的軟弱帶，如軟泥、粘土質(zhì)巖層，受水浸后滑動或塌落。

（2）土層下有傾斜度較大的巖層，或軟弱土夾層；或土層下的巖層雖近于水平，但距邊坡過近，邊坡傾度過大，在地表水作用下，增加了土體的負擔，降低了土與土、土體與巖面之間的抗剪強度，而引起滑坡或崩塌。

（3）邊坡坡度不夠，傾角過大，土體因雨水或地下水浸入，剪切應力增大，粘聚力減弱，使土體失穩(wěn)而滑動或崩塌。

（4）挖填鉆機平臺，不合理的切割坡腳；或坡腳被地表、地下水已掏空；或斜坡地段下部被沖溝所切，地表、地下水浸入坡體；使坡體坡度加大，破壞了土（巖）體的內(nèi)力平衡，使上部土（巖）體失去穩(wěn)定而滑動或崩塌。

總之，當鉆孔都設(shè)計在山腳下或半山坡處的第四系土層上時，受鉆探場地地形條件的限制，需對斜坡進行人工開挖整平鉆機場地；當人工開挖坡腳，過度切坡，當坡度破壞了土體的極限平衡狀態(tài)，或超過它的休止角時，使上部土體失去支撐而產(chǎn)生滑坡或崩塌，尤其是雨季，對土體的影響更大，當邊坡遭受大雨、暴雨時，使土體的容重驟增，加大滑動力，導致產(chǎn)生滑坡或崩塌。所以人工開挖坡角是引起滑坡、崩塌的觸發(fā)因素之一。

解決方法：

（1）在鉆探前期，應對第四系土層進行詳細調(diào)查，對于擬施工鉆孔位置及四周更應如此（尤其是在雨季施工），應把鉆孔施工與周圍的地質(zhì)環(huán)境有機地結(jié)合在一起進行綜合考慮，充分認識到四周環(huán)境對施工安全的影響。

（2）對設(shè)計鉆孔周圍各種潛存的滑坡或易崩塌的土體面應進行詳細的調(diào)查，采取預防措施，對已存在的大型滑坡或易崩塌的土體面處，在可能的情況下，盡可能避繞或躲開。

（3）保持邊坡有足夠的坡度，避免隨意切割坡腳。整平場地必須切割坡腳，且不設(shè)擋土墻時，應按切割深度，將坡腳隨原自然坡度由上而下削坡，逐漸挖至要求的坡腳深度。

對于滑坡或崩塌而言，對有松散土體組成的坡地，在施工時應盡量減小鉆機平臺處的坡角，一般坡角不宜大于30°，如次生黃土結(jié)構(gòu)疏松，一般在30°左右即可產(chǎn)生崩塌。對因切坡而易產(chǎn)生的滑坡，則應以減小坡角，并輔以攔擋為主。嚴禁鉆機周圍出現(xiàn)直立的土體面，避免上部土體失去支撐，而產(chǎn)生土體滑坡或崩塌造成施工人員傷害及設(shè)備損失。

（4）做好泄洪系統(tǒng)，尤其是雨季施工時，當某一鉆孔的深度大，施工時間較長，更應及時地做好泄洪措施，如：在滑坡范圍外設(shè)置多道環(huán)形截水溝，以攔截附近的地表水，在滑坡區(qū)域內(nèi)，修設(shè)或疏通排水系統(tǒng)，疏導地表水或地下水，阻止其滲入滑坡體內(nèi)。主排水溝宜與滑坡滑動方向一致，支排水溝與滑坡方向成30°～45°斜交，防止沖刷坡腳。

由此可見，淺部第四系土層是整個鉆探工程的基礎(chǔ)工程。在鉆探施工中，能否在第四系土層中順利成孔，成孔質(zhì)量的好壞，直接影響著對后續(xù)基巖的鉆進。

4 結(jié)語

（1）第四系土層對鉆探施工有著直接的影響，是整個鉆探工程的基礎(chǔ)。

（2）在鉆探施工中，必須對第四系土層引起足夠的重視，且在設(shè)計及施工過程中，應把鉆孔施工與周圍的地質(zhì)環(huán)境有機地結(jié)合在一起進行綜合考慮，充分認識到第四系土層及四周環(huán)境對鉆探施工的影響。

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1004-5716(2015)05-0045-03

2014-05-14

曹江濤（1972-），男（漢族），河北保定人，高級工程師，現(xiàn)從事巖土工程與地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作。