工程地質(zhì)勘探中的鉆探技術(shù)應(yīng)用

程全

摘 要：建筑行業(yè)的飛速發(fā)展使其在施工過程中面臨著更多的安全問題及質(zhì)量問題，特別是在實際施工之前要充分做好工程地質(zhì)的全面勘探，這其中的鉆探技術(shù)就是地質(zhì)勘測中的主要施工途徑，不僅能夠保證施工隊伍及時了解施工地點的地質(zhì)特征，而且能夠提升建筑工程的完成效率以及整個工程的質(zhì)量。該文主要介紹了工程地質(zhì)鉆探的主要特點及適用條件，同時對工程地質(zhì)鉆探的特殊要求、鉆探方法、鉆探設(shè)備、鉆孔設(shè)備進行了深入的討論，從而為鉆探技術(shù)的應(yīng)用提供專業(yè)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：工程地質(zhì)勘探 鉆探技術(shù) 技術(shù)應(yīng)用

中圖分類號：P624 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0087-02

1 工程地質(zhì)鉆探的主要特點及適用條件

進行建筑工程地質(zhì)勘探時普遍應(yīng)用的途徑就是鉆探施工技術(shù)。鉆探技術(shù)應(yīng)用的范圍較廣，適用性較強，不論是何種地質(zhì)條件、何種工程建筑類型，只要滿足工程地質(zhì)勘探的要求，就可以應(yīng)用鉆探施工技術(shù)。

在進行工程地質(zhì)勘探過程中應(yīng)用鉆探技術(shù)需要注意以下四點：第一，應(yīng)用鉆探技術(shù)前，要考慮建筑工程施工地點的地質(zhì)地貌特點，根據(jù)建筑工程的類型及施工特點，確定鉆孔的分布。例如，在工民建工程施工過程中，確定鉆孔的分布的依據(jù)是建筑物的輪廓線；但是在水利工程施工過程中，應(yīng)該根據(jù)水壩的壩軸線確定鉆孔分布。第二，一般的建筑工程，在開展鉆探工作時，鉆孔的深度比較淺，平均深度在9m-10m，因此采用簡單的鉆探方法，使用簡單易操作的鉆探設(shè)備即可。但是像大型水利工程、具體地區(qū)的地質(zhì)勘探工程等，應(yīng)用鉆探技術(shù)時就需要深度較大的鉆孔。第三，鉆探技術(shù)的基礎(chǔ)操作是鉆孔，鉆孔的目的是勘測建筑工程施工地點的地質(zhì)地貌、水文、巖石等特征，除此之外，鉆孔可以方便施工單位技術(shù)人員在施工地點取樣進行試驗，因為試驗與鉆孔大都是同時進行的，所以會影響建筑工程的鉆探進程。第四，工程地質(zhì)勘探中應(yīng)用鉆探技術(shù)需要注意鉆孔的結(jié)構(gòu)、方法以及觀測鉆孔進程并進行記錄等。

在工程地質(zhì)勘探中應(yīng)用鉆探技術(shù)，可以保證鉆探的精確度，方便技術(shù)人員提取樣本。應(yīng)用鉆探技術(shù)可以加深勘探深度，加快鉆進速度。

2 工程地質(zhì)鉆探的特殊要求

工程地質(zhì)鉆探的目的是為建筑工程設(shè)計提供參考依據(jù)，保證建筑工程的施工質(zhì)量，因此在應(yīng)用鉆探技術(shù)時，要嚴格控制鉆進方法、鉆孔結(jié)構(gòu)以及鉆進過程中的觀測編錄等。建筑工程地質(zhì)勘探中應(yīng)用鉆探技術(shù)要求巖心采取率高于80%，工程建筑的軟弱夾層與斷層破碎帶高于60%，在鉆探過程中，巖心采取率一般很難達到80%。為提高鉆探的巖心采取率，需要依據(jù)工程施工地面的巖層性質(zhì)選擇合適的鉆進方法。例如，在軟弱夾層與斷層破碎帶鉆孔時，應(yīng)該選擇干鉆，進行低速鉆孔。

應(yīng)用鉆探技術(shù)的同時要確保施工現(xiàn)場的水文、地下水位測試工作的正常開展，所以要根據(jù)工程施工地點的含水層位置及有關(guān)試驗要求選擇合適的鉆進方法，合理確定鉆孔分布。對不同的含水層要換徑并分層止水，加以隔離，換徑、分層止水的次數(shù)與含水層的數(shù)量呈正比。鉆孔的直徑一般為91毫米，孔身結(jié)構(gòu)確定依據(jù)是換徑的位置及次數(shù)。若在基巖而以上的砂卵石層中作抽水試驗千鉆，不允許使用泥漿加固孔壁的辦法。一般鉆孔要直，不能發(fā)生彎曲；孔壁要求光滑規(guī)則，同一孔徑段應(yīng)大小一致。這些要求在鉆探操作工藝上給予滿足。

鉆孔水文地質(zhì)觀測，是工程地質(zhì)鉆探的一項重要工作，藉以了解巖層透水性的變化，發(fā)現(xiàn)含水層之間的聯(lián)系，找到含水層水位的規(guī)律。若在巖層較堅硬地區(qū)可借助巖心開展取樣工作，但是要注意巖石軟弱夾層與斷層破碎帶的保護。取樣過程中，為保證樣品的質(zhì)量，需借助先進的取樣設(shè)備，采用科學的取樣方法，鉆探技術(shù)施工人員需要嚴格遵守取樣操作工序要求。

3 工程地質(zhì)鉆探常用的鉆探方法和設(shè)備

工程地質(zhì)鉆探的鉆探方法和設(shè)備的選擇依據(jù)是施工地點的地質(zhì)特征。鉆探方法有四種，分別是沖擊鉆探、回轉(zhuǎn)鉆探、沖擊回轉(zhuǎn)鉆探和振動鉆探，其中沖擊鉆探和回轉(zhuǎn)鉆探是工程地質(zhì)勘探中經(jīng)常使用的兩種鉆探方法。鉆探方法若依據(jù)動力來源劃分，可分為人力鉆探和機械鉆探，其中最廣泛使用的鉆探方法是機械回轉(zhuǎn)鉆探方法，因其具有高效率、鉆孔深、巖心采取容易等特點。目前，國內(nèi)外正在人力革新鉆探技術(shù)，逐步朝著全液壓驅(qū)動、儀表控制、勘探與測試相結(jié)合的方向發(fā)展。

為了研究工程土體的物理力學性質(zhì)，在工程地質(zhì)勘察中，應(yīng)結(jié)合勘探工作采取原狀土樣。但是在鉆孔中采取原狀土樣時受到很多因素影響，其中主要的是取土器的結(jié)構(gòu)和取土實用。取土器主要有限制球閥式取土器、上提橡皮墊活閥式取土器、回轉(zhuǎn)壓入式取土器和水壓活塞式取土器4種，這4種取土器適用于采取粘性土的原狀土樣。采取砂類土和飽水軟粘土就比較困難了，需要使用特制的取土器。如采用厚壁管靴長筒上提活閥式取土器，反旋活閥分節(jié)取土器和真空活塞取砂器等，采取地下水位以下的原狀砂類土和軟粘土樣，效果較好。原狀土樣的采取方法主要有3種：第一種，擊入法。適用于較硬的土層中取樣，又可分為孔外及孔內(nèi)的輕錘多擊法和重錘少擊法。實踐證明，孔內(nèi)的重錘少擊法取樣效果好，效率高而且土樣擾動小。第二種，壓入法。適用于較軟的土層中取樣，又可分為連續(xù)壓入和斷續(xù)壓入法。連續(xù)壓入法是借助活塞油壓筒或鋼繩滑輪組合裝置，將取土器一次快速均勻地壓入土中，土樣的擾動較小，當采用連續(xù)壓入法無法將取土器壓入土層時，則可采用斷續(xù)壓入法。第三種，振動法。當振動鉆進時，可利用振動器的振動作用將取土器壓入土中。這種方法對土樣的邊緣部分擾動較大。易受振動液化的土層不適用。

為了保證土樣的質(zhì)量，除了對取土器和取土方法進行選擇外，還應(yīng)注意鉆探方法、鉆孔結(jié)構(gòu)、清除孔內(nèi)殘土、操作方法和土樣封存及運輸?shù)雀黜攩栴}。

4 工程地質(zhì)勘探鉆孔類型及其適用條件

鉆孔的類型指的是鉆孔的角度及其方向。鉆孔的角度即是鉆機的立軸鉆桿與地平線的夾角，也叫做鉆孔傾角。按照鉆孔傾角及其變化情況，可將鉆孔分為鉛直孔、斜孔、水平孔和定向孔4種。在進行工程地質(zhì)勘探時，為了能取得盡可能多的地質(zhì)資料，又節(jié)省鉆探工作量，鉆進方向最好與不同巖性接觸而或與斷層而垂直。

4.1 直孔

直孔傾角為90度。在工程地質(zhì)鉆探中此類孔最常用適于查明巖漿巖的巖性巖相、巖石風化殼、基巖石以及第四紀覆蓋層的厚度及性質(zhì)、緩傾角的沉積及斷裂等。作壓水試驗的鉆孔一般都采用鉛直孔。

4.2 斜孔

斜孔傾角小于90度。當鉆孔傾角小于90度時，需要表明鉆孔的方向。例如，在沉積巖巖層應(yīng)用鉆探技術(shù)，鉆孔角度多數(shù)大于65度，在鉆進時應(yīng)該選擇和巖層斷層帶相反的方向。斜孔勘探一般用在水電、水利工程的地質(zhì)勘探，目的是了解水利工程的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。若勘探峽谷工程或河床較窄的工程，最好選用斜孔鉆進方法，既可以避免在河中央布孔的困難，也可以有效控制河床結(jié)構(gòu)。

4.3 水平孔

水平孔的傾角多數(shù)為0度。水平孔一般在坑探工程中布置可作為平銅、石門的延續(xù)，用以查明河底地質(zhì)結(jié)構(gòu)、進行巖體應(yīng)力量測、超前探水和排水。在河谷斜坡地段用以探查岸坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)等效果比較好。

4.4 定向孔

在工程地質(zhì)勘探過程中，根據(jù)工程地質(zhì)的具體情況，采用某些先進技術(shù)，使鉆孔方向隨著深度的變化而改變，實現(xiàn)鉆孔定向鉆進，定向鉆孔的角度大于60度。例如，對上緩下陡的巖層進行鉆孔，鉆孔需要保持一定的深度間隔，可以在一個鉆孔中控制多個定向孔，鉆進同一巖石層，定向鉆孔方向要求與巖石層垂直。定向鉆孔工藝在操作時比較復雜，目前國內(nèi)采用的是在一個鉆孔中控制多個定向分支孔的方法開展定向鉆孔工作。

5 鉆探技術(shù)的具體分析

地質(zhì)鉆探技術(shù)簡單的來說，就是通過對地下進行鉆孔從而打碎巖石的一種施工方法，同時，地質(zhì)鉆探技術(shù)是一種對地下巖層材料信息和實物資料，以及礦石品位的評價和計算儲量進行驗證的一種重要的技術(shù)手段。由于地質(zhì)鉆探的目的不一樣，所以使用的鉆探工藝與鉆探裝備也不相同。目前，我國對鉆探技術(shù)投入了許多人力資源、物力資源和財力資源，使我國的鉆探技術(shù)逐漸形成一個技術(shù)體系，在地質(zhì)勘測中，常用的一些鉆探技術(shù)包括繩索取心技術(shù)、新型的節(jié)水鉆探技術(shù)、液動潛孔錘鉆探技術(shù)、以及反循環(huán)鉆探技術(shù)等。

5.1 繩索取心技術(shù)

繩索取心技術(shù)不依賴鉆孔直接用鋼絲繩打撈器提取出巖心，只有在鉆頭損壞或更換鉆頭時才會使用鉆機。采用繩索取心技術(shù)進行地質(zhì)鉆探的技術(shù)要點分別是：第一，繩索取心技術(shù)設(shè)備包括具有良好性能的鉆桿、雙層或三層的巖心桿、鋼絲繩索打撈器等。第二，鉆機的鉆頭需選用金剛石材料，因其具有高強的適應(yīng)性。第三，需使用高性能的鉆機和泥漿泵。第四，繩索取心技術(shù)操作人員需要進行專業(yè)的技術(shù)培訓，掌握相應(yīng)的技術(shù)要領(lǐng)。

繩索取心技術(shù)因其效率高、節(jié)省鉆進時間，廣泛應(yīng)用在工程地質(zhì)勘探中。例如在天然氣鉆探、石油鉆探、冰層鉆探、礦產(chǎn)鉆探中等多領(lǐng)域中。同時，繩索取心技術(shù)的鉆孔深度不大，可有效減少鉆桿與鉆進的摩擦，延長鉆孔設(shè)備使用時間。

5.2 反循環(huán)鉆探技術(shù)

依據(jù)循環(huán)介質(zhì)不同可以將反循環(huán)鉆探技術(shù)分為空氣反循環(huán)技術(shù)和水利反循環(huán)技術(shù)。水利反循環(huán)鉆探技術(shù)將泥漿或水運送到孔的底部，提取鉆頭后得到巖心。空氣反循環(huán)鉆探技術(shù)以空氣作為循環(huán)的媒介，使用雙壁鉆桿運送空氣至孔底，潛孔錘會在孔底空氣膨脹產(chǎn)生的壓力的作用下，不斷撞擊巖石，提取鉆桿可以帶出部分巖屑，我們可以通過巖屑對巖層進行研究。水利反循環(huán)勘探技術(shù)能提取較完整的巖石，提高巖石研究的精準度，其缺點是在應(yīng)用時，鉆進速度緩慢且耗費大量水資源?？諝夥囱h(huán)鉆探技術(shù)有效節(jié)約成本，實現(xiàn)節(jié)水鉆進，適合在干旱、缺水地區(qū)應(yīng)用，其缺點是通過巖屑無法研究巖層的特性，但其應(yīng)用范圍較廣，多用于固體礦產(chǎn)資源的勘探中，尤其是稀有礦產(chǎn)或破碎地層中。例如，第三、四系礫巖型金礦或賦存在構(gòu)造破碎帶、蝕變帶的金礦床的勘探中，用普通鉆進方法很難獲取巖心，若使用水利反循環(huán)鉆進技術(shù)會污染巖心，只能采用空氣反循環(huán)鉆探取樣，保證地質(zhì)研究結(jié)果的準確性，提高鉆去效率。

5.3 液動潛孔錘鉆探技術(shù)

我國在應(yīng)用和研究液動潛孔錘這類鉆探技術(shù)時，所取得的研究成果在世界上都是處于領(lǐng)先地位的。其工作原理為用沖洗液來帶動液動潛孔錘工作，當外界的力量沖打液動潛孔錘時，液動潛孔錘同樣也會將這部分能量傳遞給鉆頭，這時鉆頭就可以擊破巖石了，施工現(xiàn)場的泥漿泵就是輸送沖洗液的最佳工具，鉆頭的反復運動就可以產(chǎn)生有節(jié)奏的沖擊負荷。作為回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)的一種改進技術(shù)，在沖擊力和回轉(zhuǎn)力的驅(qū)使下，液動潛孔錘鉆探技術(shù)大大的提升了設(shè)備的鉆進效率，并且也減少了打孔的成本。另外，液動潛孔錘鉆探技術(shù)還能夠很好的利用堅硬巖石脆性大并且抗剪強度低的特點，有效的解決鉆探復雜狀況以及無法保證鉆孔質(zhì)量的問題。

因為在采用液動潛孔錘鉆探技術(shù)時，其一直都是在高頻作業(yè)的，所以這種技術(shù)對于巖質(zhì)堅硬以及脆性較大的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中是較為適用的，但是在施工作業(yè)時一定要重視設(shè)備的緊固問題，并且液壓的泥漿質(zhì)量將直接決定液動錘的實際磨損狀態(tài)，所以我們在選擇液壓泥漿時，也盡量選擇潤滑性能好、含沙量低并且粘稠度也較低的原料。當處于較高強度的工作環(huán)境中，液動潛孔錘鉆探技術(shù)的使用壽命以及工作狀態(tài)是無法得到有效的保證的，所以此技術(shù)的發(fā)展趨勢應(yīng)為延長潛孔錘的使用壽命并且提升潛孔錘的工作效率，現(xiàn)階段，液動潛孔錘鉆探技術(shù)主要應(yīng)用在水電建材、石油化工以及金屬礦山等領(lǐng)域中。

5.4 組合鉆探技術(shù)

組合鉆探技術(shù)是將“繩索取心技術(shù)”、“液動潛孔錘鉆探技術(shù)”、“反循環(huán)鉆探技術(shù)”三種鉆探技術(shù)進行組合，可以充分發(fā)揮三種鉆探技術(shù)的優(yōu)勢。在工程地質(zhì)勘探中，應(yīng)用組合勘探技術(shù)可以避免地質(zhì)條件限制，根據(jù)實際情況進行鉆探施工，降低施工勞動強度、節(jié)省成本，提高鉆探的工作效率。

6 結(jié)語

綜上所述，工程建筑施工地點的選擇直接影響地質(zhì)勘探的質(zhì)量與工程施工質(zhì)量。工程地質(zhì)勘測可以檢測施工地點的地質(zhì)特征、水文特征以及巖石特征等，為工程設(shè)計提供參考依據(jù)。鉆探技術(shù)在工程地質(zhì)勘測中具有重要意義，在實際應(yīng)用中，根據(jù)地質(zhì)的具體情況選擇合適的鉆探方法、設(shè)備，保證工程地質(zhì)勘探結(jié)構(gòu)的準確性，提高工程施工的質(zhì)量安全。目前，我們應(yīng)該加大鉆探技術(shù)的研究投入，深入了解鉆探技術(shù)相關(guān)知識，促進我國鉆探技術(shù)水平的提高。

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