淺談巖土工程勘察中鉆探工藝的選取

吳怒遙

（貴州地礦基礎(chǔ)工程有限公司，貴州 貴陽 550000）

巖土工程勘察的主要目的是對(duì)施工場(chǎng)地的土層、類型、深度等進(jìn)行全方位排查，結(jié)合工程地質(zhì)特征，找出影響工程施工的質(zhì)量因素。巖土工程勘察工作包括現(xiàn)場(chǎng)勘探取樣、實(shí)驗(yàn)室分析、原位測(cè)試等多項(xiàng)工作環(huán)節(jié)，所獲得的巖土物理力學(xué)指標(biāo)與巖土特性等指標(biāo)可作為工程建設(shè)的數(shù)據(jù)支持，數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性影響著工程建設(shè)的最終質(zhì)量與安全性。尤其是對(duì)于我國巖土勘察工作而言，巖土層物性變化較大，如果不合理選取鉆探工藝，無法保障數(shù)據(jù)信息的可靠性，導(dǎo)致巖土工程勘察意義不大，因此要針對(duì)土層條件合理選取鉆探工藝。

1 巖土工程勘探選取鉆探工藝的重要意義

我國國土地域面積廣闊，不同地區(qū)的地質(zhì)條件存在明顯差異，導(dǎo)致巖土工程勘察工作的開展存在諸多難處。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，巖土工程勘察技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化與創(chuàng)新，處于不斷發(fā)展與進(jìn)步的階段，在不同的地質(zhì)條件下，可結(jié)合具體巖土工程需求合理選擇鉆探工藝技術(shù)。在此種發(fā)展基礎(chǔ)上，巖土工程勘察工作需要工作人員在勘察時(shí)，結(jié)合不同的工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，保障數(shù)據(jù)獲取的可靠性與準(zhǔn)確性。但就巖土工程勘探工作的實(shí)際情況來看，現(xiàn)有的勘察鉆探工藝技術(shù)無法滿足不同地質(zhì)條件的具體要求，使得巖土勘察符合最終的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。因此，在開展巖土工程勘察工作時(shí)，相關(guān)工程要結(jié)合工程的實(shí)際情況以及不同地層的條件，合理選擇鉆探技術(shù)[1]。研究人員需要充分掌握巖土工程勘察中的各項(xiàng)影響因素，保障鉆探工藝的有序進(jìn)行，把握相關(guān)數(shù)據(jù)資料的完整性，從而提高巖土工程勘察的綜合效率與質(zhì)量，為工程建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)信息支持，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)的穩(wěn)步開展。

2 巖土工程勘察鉆探中存在的問題

2.1 鉆探效率低下

由于部分巖溶地區(qū)的巖體較為散碎，可能存在裂縫與溶洞，如果溶洞過大或者阻力過大，很容易導(dǎo)致鉆具在鉆探過程中出現(xiàn)中斷問題。如果出現(xiàn)的裂縫、溶洞較大，且操作方式不規(guī)范時(shí)，很容易導(dǎo)致鉆具受到碎石、溶洞泥的影響出現(xiàn)卡埋鉆具問題，無法拔出鉆具。

2.2 鉆孔漏水涌水

在巖溶地區(qū)，由于地下水的聯(lián)動(dòng)關(guān)系較為復(fù)雜，且富含地下水，如果在低洼地區(qū)開展巖土工程勘察工作，可能會(huì)導(dǎo)致涌水現(xiàn)象，而在鉆探過程中，如果存在裸露與半裸露的巖溶高地，可能會(huì)導(dǎo)致鉆孔發(fā)生漏水問題，導(dǎo)致地下承壓水水頭較高，在鉆孔中無法使用泥漿護(hù)孔，從而增加了止水難度，引發(fā)一系列問題。

2.3 場(chǎng)地地基不穩(wěn)

在工程勘探過程中，往往需要將設(shè)備安裝在一些地基不夠穩(wěn)定的嚴(yán)重區(qū)域，由于巖土地形較為復(fù)雜，存在裂縫、破碎、漏失等問題，如果在勘察過程中機(jī)械設(shè)備發(fā)生震動(dòng)，所產(chǎn)生的荷載與沖洗液，會(huì)在沖蝕作用的影響下，導(dǎo)致蓋層沖蝕問題，從而影響了地基的穩(wěn)定性，甚至設(shè)備在運(yùn)行中可能會(huì)沉入到井坑中，造成嚴(yán)重的成本損失[2]。

3 鉆探設(shè)備與鉆探方法的選取

在開展巖土工程勘察項(xiàng)目時(shí)，要想保障勘察工作的有序進(jìn)行，就需要結(jié)合成項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)際現(xiàn)狀，選擇相對(duì)應(yīng)的判斷方法，并按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)作業(yè)的有序進(jìn)行，保障最終的勘察質(zhì)量，獲取更為精準(zhǔn)的勘察數(shù)據(jù)信息。鉆探設(shè)備直接影響著勘察工藝質(zhì)量的好壞，而鉆探方法則影響著勘察工程的進(jìn)度，因此務(wù)必要合理選擇鉆探設(shè)備與鉆探方法，保障巖土工程勘探工作的有序進(jìn)行。

3.1 鉆桿的選取

鉆桿的選取首先需要對(duì)鉆桿的軸線進(jìn)行檢查，并減少鉆桿的垂直度誤差，誤差范圍應(yīng)控制在0.1%以內(nèi)。根據(jù)鉆機(jī)的型號(hào)，可分別配備42mm和50mm的鉆桿，42mm的鉆桿可應(yīng)用于原位測(cè)試與鉆進(jìn)軟土層與軟硬土層；50mm的鉆桿可應(yīng)用于鉆進(jìn)與勘察硬土層，鉆桿的合理選取，可有效控制鉆桿脫落與折斷問題的發(fā)生。

3.2 巖芯管與鉆頭的選取

就巖土工程勘察工作的開展情況來看，在選擇鉆探的鉆頭時(shí)主要包括硬質(zhì)合金取芯，還包括螺旋型鉆具。在具體鉆探勘察過程中要結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況，合理選擇鉆進(jìn)方法，并根據(jù)鉆進(jìn)方法選擇鉆具。硬質(zhì)合金取芯的應(yīng)用主要是使用硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)；而螺旋型鉆具主要是為了實(shí)現(xiàn)螺旋鉆進(jìn)。常見的螺旋鉆包括長螺旋鉆、短螺旋鉆、環(huán)狀螺旋鉆、麻花鉆、振動(dòng)螺旋鉆、套管螺旋鉆。在開展巖土工程勘察鉆探工作時(shí)，要結(jié)合不同地層科學(xué)選擇鉆探方案，并合理選取鉆具。

（1）軟弱粘性土層。如果土層處于地下水位之上，其強(qiáng)度也會(huì)受到影響，所以在鉆進(jìn)過程中可選擇螺旋鉆進(jìn)法或者重錘沖擊鉆進(jìn)法，其中長度旋轉(zhuǎn)是鉆進(jìn)工具的最佳選擇。如果土層處于地下水位之下，且孔深較淺的情況，可優(yōu)先使用套管螺旋鉆；如果孔深較深，則可使用重錘沖擊鉆。長螺旋鉆的使用不需要應(yīng)用循環(huán)液，所以在軟弱粘性土層鉆進(jìn)作業(yè)中，其鉆進(jìn)效率也就較高，在取出巖芯后也可觀察到天然的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，且不會(huì)對(duì)地質(zhì)狀態(tài)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響，同時(shí)對(duì)土層厚度與深度的判斷也不會(huì)受到影響而出現(xiàn)偏差。如果在鉆進(jìn)過程中選擇重錘沖擊鉆，需要提前配置好水泥比例，按照護(hù)壁的標(biāo)準(zhǔn)與要求，盡量減少水泵流量，從而避免水流量沖擊過大而出現(xiàn)沖散土層、摻雜泥漿的情況。

（2）偏硬粘性土層。針對(duì)此類土層的鉆探工程，可選擇重錘沖擊鉆進(jìn)行鉆進(jìn)，同時(shí)也需要借助小肋骨鉆頭。小肋骨鉆頭的選擇應(yīng)當(dāng)超過巖芯管11mm～14mm，使得鉆頭切削粘性土的功能得到充分強(qiáng)化，降低對(duì)周圍土層的影響，同時(shí)也不會(huì)對(duì)判斷土層深度與厚度是產(chǎn)生影響，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土體的原樣提取，也能夠保障分層的質(zhì)量[3]。為了提高鉆探工作效率，在巖土勘察工作中一般會(huì)選擇使用螺旋鉆，這主要是由于偏硬粘性土層的強(qiáng)度較高，但是螺旋鉆卻難以達(dá)到最終的鉆探效果，也不具備高效優(yōu)勢(shì)，因此在鉆進(jìn)偏硬粘性土層時(shí)，要控制好螺旋距，從而提高鉆進(jìn)效率。

（3）砂層。砂層地質(zhì)在勘探過程中，需要綜合考慮地下水對(duì)鉆探工作帶來的各項(xiàng)影響。如果巖石處于地下水位之上，則需要綜合考慮巖石的直徑與粘粒含量，如果粘粒含量過大，則可優(yōu)先選擇螺旋鉆；如果孔深較深，則可在鉆進(jìn)的后期選擇使用直徑較小的螺旋鉆，從而提高砂層的鉆探效率。

（4）卵石層。對(duì)于卵石層的勘察工作而言，首先需要考慮的是地下水與填充物。如果卵石層位于地下水位之上，且粘性土作為主要填充物，這時(shí)由于土層的粘結(jié)性較強(qiáng)，且粘土粒自身的表面張力也較大，在鉆進(jìn)過程中不容易出現(xiàn)孔壁坍塌等問題，可選擇在裸孔時(shí)直接鉆進(jìn)，而在選擇鉆具時(shí)，可優(yōu)先選擇單管巖芯管、加厚螺旋鉆。如果卵石層位于地下水位之下，土層則極易受到地下水位的影響，引發(fā)孔壁坍塌等問題，因此在鉆探過程中可適當(dāng)?shù)氖褂媚酀{開展護(hù)壁處理，而在鉆進(jìn)過程中可優(yōu)先選擇套管護(hù)壁跟管，如果出現(xiàn)直徑較大的碎石或卵石時(shí)，可使用一字鉆頭直接將其擊碎即可。

3.3 鉆探方法

在開展巖土工程勘察工作時(shí)，鉆探方法主要是指在鉆進(jìn)、破碎孔與井底巖石所選擇的一種方法，而鉆探的主要目的是獲得巖層孔和巖石破碎的樣品，完成取樣操作。在鉆進(jìn)過程中可結(jié)合各工藝、磨料、巖芯等展開，鉆探方法從工藝角度的出發(fā)，可將其劃分為正/反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、沖擊鉆進(jìn)、螺旋鉆進(jìn)潛水鉆進(jìn)等方法；從巖芯角度出發(fā)可將鉆探方法劃分為有取芯、不取芯鉆進(jìn)方法；從磨料角度出發(fā)可將鉆探方法劃分為硬質(zhì)合金鉆進(jìn)、鉆粒鉆進(jìn)、金剛石鉆進(jìn)法。在進(jìn)行巖土工程勘察工作是需要結(jié)合具體的鉆進(jìn)需求，合理選擇鉆進(jìn)方法。如果鉆進(jìn)屬于機(jī)械碎巖，在鉆進(jìn)過程中可選擇沖壓鉆進(jìn)、回轉(zhuǎn)沖壓鉆進(jìn)等鉆進(jìn)方法；如果需要獲取巖芯，可選擇提鉆取芯、反循環(huán)連續(xù)取芯等取芯方法；如果需要滿足磨料的要求，可選擇硬質(zhì)合金鉆進(jìn)、金剛石鉆進(jìn)法。

4 影響鉆孔質(zhì)量的主要技術(shù)因素

4.1 鉆壓

在巖土工程勘察鉆探環(huán)節(jié)，受到鉆孔質(zhì)量的影響，可能會(huì)對(duì)整個(gè)鉆探工程項(xiàng)目質(zhì)量造成負(fù)面影響，導(dǎo)致鉆孔質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)的主要原因?yàn)殂@壓，在巖土工程鉆進(jìn)過程中，如果鉆壓過大，可能會(huì)導(dǎo)致鉆孔不夠均勻，從而影響了整個(gè)鉆孔的實(shí)際質(zhì)量[4]。另外，由于低層土質(zhì)質(zhì)量較為松軟，在鉆進(jìn)過程中，鉆孔巖芯可能會(huì)出現(xiàn)堵塞問題，如果不解決鉆壓?jiǎn)栴}，則可能對(duì)鉆孔質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，引發(fā)磨損等問題。

4.2 轉(zhuǎn)速

在巖土工程勘察鉆進(jìn)過程中，需要控制好轉(zhuǎn)速，確保鉆孔的綜合質(zhì)量。在實(shí)際操作過程中，由于施工人員沒有意識(shí)到控制轉(zhuǎn)速的重要性，導(dǎo)致鉆探設(shè)備與孔壁之間的縫隙越來越大。如果在轉(zhuǎn)速過快則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)大幅度擺動(dòng)，最終鉆孔的質(zhì)量也會(huì)受到影響。

4.3 操作技術(shù)

在開展鉆孔工作中，需要對(duì)施工技術(shù)不斷進(jìn)行完善，并規(guī)范鉆孔的施工流程。但是在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，部分施工人員只是按照施工經(jīng)驗(yàn)開展鉆孔鉆進(jìn)工作，同時(shí)也缺乏必要的規(guī)范約束施工人員行為，導(dǎo)致操作流程科學(xué)，鉆孔質(zhì)量無法保障。另外，在鉆孔過程中，操作技術(shù)的應(yīng)用不夠科學(xué)合理，在鉆進(jìn)中可能會(huì)出現(xiàn)巖芯脫落的問題。

5 不同底層選用的鉆探工藝

5.1 軟弱粘性土層

由于軟弱粘性土層的強(qiáng)度較低，壓縮性能加大，導(dǎo)致其滲透系數(shù)較小，流變性較大，此時(shí)在鉆進(jìn)過程中，可選擇重錘沖擊鉆進(jìn)法，或者長、短螺旋鉆進(jìn)。如果軟弱粘性土層位置在地下水位以下，在鉆進(jìn)過程中可選擇套管螺旋鉆進(jìn)法，或者選擇沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法。選擇重錘沖擊鉆進(jìn)法可能會(huì)對(duì)孔底底層造成擾動(dòng)作用，而且實(shí)際鉆進(jìn)效率較低。螺旋增減閥需要在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，地層可逐步根據(jù)螺旋線進(jìn)行切削，在切削過程中會(huì)產(chǎn)生土質(zhì)碎屑，并在螺旋葉片的作用下返回孔口位置，此種鉆進(jìn)方法具有較高的鉆進(jìn)效率，同時(shí)也不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行清洗。在選擇鉆進(jìn)的長螺旋鉆時(shí)，其只直徑應(yīng)當(dāng)在1m以內(nèi)，鉆進(jìn)的深度應(yīng)當(dāng)控制在15m～20m之間。如果選擇的短螺旋鉆屬于非連續(xù)性鉆機(jī)，其鉆進(jìn)效率較低，且孔徑一般在2m～3m左右，能夠鉆進(jìn)的深度在30m以內(nèi)，最深也不會(huì)超過50m。選用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)行鉆進(jìn)，需要泥漿比例符合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)，從而防止在鉆進(jìn)過程中，土層沖散水流進(jìn)入形成泥漿。在完成鉆進(jìn)后（？），可在必要的情況下停止送水，并將干鉆進(jìn)尺距離適當(dāng)增加，從而獲得土層樣品，又或者可使用雙動(dòng)雙管取芯（芯）鉆具達(dá)到目標(biāo)。

5.2 偏硬粘性土層

偏硬粘性土層由于粘性較大，在選用螺旋鉆進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，容易引發(fā)鉆桿折斷或埋鉆等問題，同時(shí)也會(huì)對(duì)土層產(chǎn)生較大的擾動(dòng)作用，因此在鉆進(jìn)過程中可選擇小肋骨鉆頭或沖擊回轉(zhuǎn)鉆。液動(dòng)、氣動(dòng)以及氣液混合動(dòng)力是沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)主要的方法，鉆進(jìn)效率高，鉆頭的應(yīng)用壽命長，能夠減少孔內(nèi)事故的發(fā)生[5]。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，其動(dòng)力來源為清水或泥漿的高壓作用；氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，其動(dòng)力來源為高壓空氣；在實(shí)際鉆進(jìn)中，需要先慢速鉆進(jìn)，待鉆頭進(jìn)入土層后可選擇中速鉆進(jìn)，不斷加快鉆進(jìn)速度，減小鉆具的阻力。

5.3 砂層

砂層鉆探技術(shù)的應(yīng)用與砂粒粒徑之間存在密切關(guān)聯(lián)，同時(shí)也會(huì)受到地下水的影響。針對(duì)砂土粘粒含量較高，且粉細(xì)砂為主要砂粒的地質(zhì)環(huán)境可選擇螺旋鉆進(jìn)法，如果需要進(jìn)行深孔鉆進(jìn)，可在鉆進(jìn)后期將螺旋鉆換為小直徑螺旋鉆。如果土質(zhì)為粉細(xì)砂摻雜粘性土，則需要適當(dāng)降低鉆速，使得鉆進(jìn)壓力逐漸減小，并將泵量調(diào)整在合適位置。在完成鉆進(jìn)以后，可對(duì)鉆孔泥漿進(jìn)行清洗，將泥漿池內(nèi)的孔內(nèi)懸浮粉細(xì)砂帶出后即可停泵，控制沉砂卡鉆的問題的發(fā)生，在停泵后，需要繼續(xù)干鉆0.3m～0.5m，控制巖芯脫落問題。如果砂土位于地下水位以下，且砂土組成主要為中粗砂，鉆頭的選擇可使用硬質(zhì)合金鉆頭，保持低鉆速反復(fù)循環(huán)的鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)過程中需要不斷浮動(dòng)鉆具，形成空底反循環(huán)。由于在鉆進(jìn)過程中鉆頭外徑較大，所以能夠?qū)r芯管起到有效的約束作用，維護(hù)巖芯的結(jié)構(gòu)，在用泥漿對(duì)鉆孔進(jìn)行清洗時(shí)，能夠去除其中的礫沙，減少沉砂卡鉆問題。

5.4 卵石層

卵石層的鉆探工程會(huì)受到地層厚度、含水率以及粘性土層填充情況的影響，因此需要針對(duì)不同地層情況選擇恰當(dāng)?shù)你@探工藝。如果地層厚度不高，可選擇泥漿護(hù)壁回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法；如果地層厚度較高，可選擇跟管鉆進(jìn)法，跟管的長度為3m～6m，鉆速控制在30r/min～60r/min，保障鉆進(jìn)的連續(xù)性。如果地層密實(shí)度較高，則選擇回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法，為了有效避免孔壁坍塌問題，可適當(dāng)投入粘土球，起到有效的保護(hù)作用；如果出現(xiàn)塌孔問題，則要適當(dāng)?shù)脑黾幽酀{濃度。

6 鉆探工程工藝技術(shù)要點(diǎn)

6.1 鉆進(jìn)工藝控制

在進(jìn)行巖土工程勘探鉆探工藝時(shí)，已經(jīng)初步控制了鉆頭質(zhì)量與鉆管質(zhì)量，鉆頭的選擇為金剛石鉆頭，口徑為127mm，鉆孔的尺寸選擇分別為130mm、110mm，鉆頭的隔離設(shè)計(jì)能夠保護(hù)這種鉆探工藝的效果，而在鉆探過程中，也要合理設(shè)計(jì)鉆探鉆頭，比如可使用廢舊磨損鉆頭解決鉆探清空問題，提高鉆探工藝效果。在實(shí)施鉆探工藝中要合理選擇循環(huán)液，可使用sm植物膠漿液作為主要的循環(huán)液，從而保持孔壁的穩(wěn)定性，為后續(xù)鉆進(jìn)施工提供支持。

6.2 泥漿的合理控制

在開展鉆探工藝施工中，要有效的控制泥漿，使得鉆探工藝的進(jìn)行更為合理。比如在處理泥漿時(shí)，可選擇sm植物膠與膨潤土，通過混合配置完成泥漿的制作，而在配比過程中，sm植物膠的濃度為0.8%，膨潤土的濃度可控制在5%左右[6]。而在實(shí)際配比泥漿過程中，可適當(dāng)?shù)脑黾恿u甲基纖維素，并控制好實(shí)際增加量，保障泥漿配置的合理性。

6.3 漏漿問題處理

泥漿漏漿是鉆探工藝施工中常見的問題，也是影響綜合質(zhì)量的主要問題，在開展鉆探工藝時(shí)，為了保障鉆探工作的有序進(jìn)行，就應(yīng)當(dāng)有序處理漏漿問題。比如可將膨潤土與羥甲基纖維素相混合制成漿液，并將混合后的漿液注入到鉆孔中，使得孔壁問題得到有效控制，保障鉆探工程的高效進(jìn)行。

6.4 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

鉆探工藝工程的開展需要合理設(shè)置鉆探參數(shù)，參數(shù)設(shè)計(jì)包括轉(zhuǎn)速的控制與鉆壓的控制，轉(zhuǎn)速可控制在250r/min～300r/min之間，鉆壓可控制在4～7KN之間，通過合理設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，確保鉆探工程的有序進(jìn)行，使得鉆探工藝的效果得到充分展現(xiàn)。

7 結(jié)語

綜上所述，巖土工程勘察是保障工程建設(shè)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，但由于許多巖土工程的位置屬于較為復(fù)雜的巖溶地區(qū)，導(dǎo)致其地質(zhì)條件也就較為復(fù)雜，所以在勘察鉆探過程中，需要合理選擇鉆探工藝，保障巖土勘察工作的有序進(jìn)行?？辈旃こ炭山Y(jié)合不同地質(zhì)環(huán)境、勘察任務(wù)需求合理選擇鉆探方案，通過對(duì)周圍地質(zhì)材料的詳細(xì)收集以及鉆探方案的及時(shí)修正，實(shí)現(xiàn)勘探工作的有序進(jìn)行。