工程勘察鉆探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀探討

溫繼偉 劉星宏 白坤曉 張營旭 項 天 胡 萍

（1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都 610059；3.北京市工程地質(zhì)研究所，北京 100048；4.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都 610031）

0 引言

工程勘察技術(shù)手段較多，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況合理選用，以期達到從點到面、由淺入深的勘察效果。鉆探技術(shù)能夠獲取地層巖土心（樣），在工程勘察領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。主要從取心（樣）作業(yè)要求、取土器及取心鉆具、原位測試及原位監(jiān)測、高效鉆探取心（樣）技術(shù)和聯(lián)合勘察技術(shù)5 個方面總結(jié)、分析了當(dāng)前工程勘察鉆探技術(shù)的研究及應(yīng)用進展，為相關(guān)從業(yè)技術(shù)人員提供參考。

1 取心（樣）作業(yè)要求

運用鉆探技術(shù)獲取的地層巖土心（樣）是工程勘察階段直觀獲取地下信息的第一手資料。評價所取巖心（樣）的標(biāo)準主要有以下因素[2]：①巖心（樣）的采集率。常用指標(biāo)有巖心采取率、巖心獲得率及巖石質(zhì)量指標(biāo)（Rock Quality Designation，RQD），基本原理均為鉆進獲取巖心長度與鉆進進尺之百分比；②巖心的完整性。鉆探獲取的巖心（樣）應(yīng)使其原生結(jié)構(gòu)未遭到影響或破壞，保證其完整性，避免人為擾動；③純潔性。鉆探獲取的巖心（樣）應(yīng)保證其未受到外物的浸濁，避免影響其物理力學(xué)指標(biāo)等特征；④代表性。鉆探獲取巖心（樣）的選擇性磨損，可能會導(dǎo)致其物質(zhì)成分發(fā)生改變而失去代表性，為了避免該問題，應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)措施，如針對不同土層的取樣需求合理選用取土器，避免取土樣被污染。為了保證所獲取的巖心（樣）能夠有效反映真實的工程地質(zhì)條件，應(yīng)嚴格遵守取心質(zhì)量要求。另外，地質(zhì)因素和鉆進技術(shù)因素同樣會對取心質(zhì)量產(chǎn)生影響，其中地質(zhì)因素是客觀存在的，需要采取不同的鉆進技術(shù)來克服其對取心質(zhì)量的影響，包括反循環(huán)連續(xù)取心鉆進、繩索取心鉆進、定向鉆進、直推鉆進技術(shù)等。然而，鉆進技術(shù)因素屬于人為因素，應(yīng)對其技術(shù)工藝、配套鉆具進行優(yōu)化升級，不斷推進鉆具的智能化進程，減小人為因素的不利影響，從而提升所獲取的巖心（樣）質(zhì)量。

2 取土器及取心鉆具

取得準確、未被擾動（原狀）的巖土試樣是直接影響土工試驗結(jié)果、準確評價巖土特性的基礎(chǔ)，對巖土力學(xué)參數(shù)的選取有較大的影響。

2.1 取土器

取土器是從地層采取試驗土樣的取土機具；根據(jù)其壁厚劃分，主要包括薄壁和厚壁取土器兩類。就取樣效果而言，薄壁取土器的取樣效果更佳，對土樣的擾動更小[3]。

2.1.1 厚壁取土器

厚壁取土器主要適用于黏性土及粉土、粉砂等土樣的取樣工作[4]。其主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)示意圖分別如表1 和圖1 所示。

圖1 厚壁取土器結(jié)構(gòu)示意圖[4]

表1 厚壁取土器基本參數(shù)[4]

2.1.2 薄壁取土器

①敞口薄壁取土器

敞口式薄壁取土器主要適用于部分黏土、粉砂、粉土等土試樣的獲取工作[5]。其主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)示意圖分別如表2 和圖2 所示。

圖2 敞口薄壁取土器結(jié)構(gòu)示意圖[5]

表2 敞口薄壁取土器基本參數(shù)[5]

②固定活塞薄壁取土器

固定活塞式取土器主要適用于黏性土、粉砂以及粉土試樣獲取[6]。其主要技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)示意圖分別如表3 和圖3 所示。

圖3 固定活塞薄壁取土器結(jié)構(gòu)示意圖[6]

表3 固定活塞薄壁取土器基本參數(shù)[6]

目前對于原狀土取樣，固定活塞薄壁取土器是公認的取樣質(zhì)量極高的取土器[7]。但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致操作繁瑣、成本提高等問題，在實際工程勘察中獲取原狀土樣的最常用工具是敞口薄壁取土器及厚壁取土器。厚壁取土器應(yīng)用較為廣泛，但其對土體的擾動較大，為取得理想的原狀土樣，應(yīng)盡快對薄壁取土器進行推廣普及。同時由于取樣時取土器筒壁處對土體的擾動程度明顯大于中心位置，采用直徑較大的取土器可以大幅降低土體擾動[8]。但取土器的直徑越大，所需的鉆探設(shè)備功耗越大，故在工程勘察中，應(yīng)在現(xiàn)場工況允許的合理范圍內(nèi)盡可能使用直徑較大的薄壁取土器，以期獲得更加準確的工程巖土性質(zhì)指標(biāo)。

2.2 取心鉆具

取心鉆具是用來容納和保護巖心的專用鉆具，以單動雙管式、雙動雙管式、反循環(huán)式及密閉式取心鉆具較為常用[2,9-15]。

2.2.1 單動雙管式取心鉆具

①半合式單動雙管取心鉆具圖4 為半合式單動雙管取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖。使用該鉆具鉆進取樣時，經(jīng)由進水孔將沖洗液送至內(nèi)管與外管之間的環(huán)狀間隙流向孔底，在對孔底完成沖洗后經(jīng)由外管與孔壁之間的間隙返回地表，不會直接對內(nèi)管的巖心造成沖蝕等不利影響，同時由于鉆具轉(zhuǎn)動過程中僅有外管轉(zhuǎn)動，而內(nèi)管相對不動（單動），不會對巖心產(chǎn)生機械破壞。使用該鉆具獲取的巖心能夠較好地保持樣品原本的結(jié)構(gòu)特征，且具有極高的完整性和準確性，該技術(shù)主要適用于破碎巖層且節(jié)理、裂隙極度發(fā)育、含親水性礦物成分較多、易受沖洗液影響的地層[9]。

圖4 半合式單動雙管取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖[9]

②活塞式單動雙管取心鉆具

圖5 為活塞式單動雙管取心鉆具結(jié)構(gòu)剖視示意圖。使用該鉆具鉆進取樣時，鉆桿帶動外管旋轉(zhuǎn)，鉆頭對土層進行切削，而內(nèi)管由于鉆探泥漿的液壓力及其自重的作用被壓入土層，隨著鉆進持續(xù)進行，土樣在壓力的作用下進入內(nèi)管下段的襯筒，再進入內(nèi)管上段（巖心管），并使進入內(nèi)管的泥漿從排泄孔回流到孔內(nèi)[10]。

圖5 活塞式單動雙管取心鉆具結(jié)構(gòu)剖視示意圖[10]

應(yīng)注意，該鉆具適用于可鉆性等級Ⅵ級以內(nèi)的節(jié)理發(fā)育較多、松散且怕污染的巖層，在施工過程中，應(yīng)該不斷關(guān)注地層的變化，防止對鉆具造成損害[2]。

③隔水式單動雙管取心鉆具

圖6 為隔水式單動雙管取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖。該鉆具可用于中硬、破碎、節(jié)理發(fā)育、易流失、怕震、怕磨的巖層中進行鉆探取樣工作，主要由外管接頭、單動裝置、內(nèi)外管、卡心裝置和特制隔水鉆頭等組成；心軸下部設(shè)有止水閥，能夠有效避免沖洗液對巖心造成的沖蝕等不利影響[11]。

圖6 隔水式單動雙管取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖[11]

2.2.2 雙動雙管式取心鉆具

圖7 為雙動雙管式取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖。內(nèi)外兩層巖心管在鉆進過程中會同時發(fā)生回轉(zhuǎn)的鉆具被稱為雙動雙管鉆具；該鉆具主要適用于可鉆性等級Ⅰ-Ⅶ級的松散、易破碎坍塌、不宜沖洗的地層，鉆進過程中可以有效避免沖洗液對巖樣的沖刷，同時緩解鉆桿內(nèi)部的壓力作用，提高巖樣采集率和質(zhì)量，操作簡便且經(jīng)濟[12]。

圖7 雙動雙管取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖[12]

2.2.3 反循環(huán)取心鉆具

①噴射式局部反循環(huán)取心鉆具

圖8 為噴射式局部反循環(huán)鉆具結(jié)構(gòu)原理圖。使用該鉆具鉆進時，在泵壓作用下沖洗液進入異徑接頭后從噴嘴處高速噴出，進入內(nèi)外管之間的環(huán)狀間隙，這一過程中會在承噴孔處產(chǎn)生低壓區(qū)，該低壓區(qū)通過承噴腔與巖心管產(chǎn)生水力聯(lián)系，并在巖心管內(nèi)部和內(nèi)外管間隙之間形成壓力差，使得沖洗液能夠從環(huán)狀間隙進入巖心管，形成局部反循環(huán)[13]。

圖8 噴射式局部反循環(huán)鉆具結(jié)構(gòu)原理圖[13]

該鉆具對于可鉆性等級Ⅳ-Ⅵ級的松散、破碎、易發(fā)生溶蝕的復(fù)雜地層，以及大于Ⅶ級的節(jié)理發(fā)育較好的硬巖、脆巖均能起到較好的取樣效果，并且能夠顯著提高在復(fù)雜地層的巖樣采集率[2]。

②泵吸式局部反循環(huán)取心鉆具

圖9 為泵吸式局部反循環(huán)取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖。使用該鉆具鉆進時，沖洗液從鉆桿進入流向孔底，被引導(dǎo)對葉輪產(chǎn)生沖擊，使葉輪開始旋轉(zhuǎn)后，再進入內(nèi)外管環(huán)狀間隙到達鉆頭處，旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動另一面的一對嚙合齒輪轉(zhuǎn)動，從而在內(nèi)管中形成負壓，產(chǎn)生負吸效應(yīng)，可將鉆頭處的鉆井液吸入內(nèi)管,形成局部反循環(huán)，以達到獲取巖樣的目的[14]。

圖9 泵吸式局部反循環(huán)取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖[14]

2.2.4 密閉式取心鉆具

圖10 為密閉式取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖。使用該鉆具鉆進時，在取心鉆具和密閉液的作用下，達到鉆井液與巖心隔離的效果，從而獲取未受到污染巖心的技術(shù)被稱為密閉取心，其使用的鉆具即為密閉取心鉆具[15]。

圖10 密閉取心鉆具結(jié)構(gòu)示意圖[15]

密閉取心可以高效地獲得未被污染的原始巖心，獲取地層原始含油飽和度、油水動態(tài)等數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于特殊地區(qū)的工程勘察工作之中。

3 原位測試技術(shù)

原位測試技術(shù)是一種在巖土體原本位置或者盡可能保持巖土體的應(yīng)力及其他條件基本處于原位狀態(tài)下對巖土體的工程性質(zhì)指標(biāo)進行測試的技術(shù)，具有接近工程實際、可實時測試施工場地圍巖力學(xué)參數(shù)、快速經(jīng)濟等優(yōu)點[16]。主要對當(dāng)前工程勘察中常用的靜力觸探、動力觸探及鉆孔過程監(jiān)測技術(shù)進行概述。

3.1 靜力觸探

圓錐靜力觸探（Cone Penetration Test，CPT）是將內(nèi)部裝有傳感器的觸探頭以機械式、液壓式或人力等方式壓入土中，通過傳感器測得不同土層對觸探頭的貫入阻力，從而確定土層的變形模量、容許承載力等基本物理力學(xué)特性，是一種高效、簡便、綜合成本低且高度可靠的原位測試方法[17,18]。

孔壓靜力觸探（CPTU）是于20 世紀80 年代國際上興起的廣泛應(yīng)用于軟土工程的新型原位測試技術(shù)，通過在CPT 技術(shù)的基礎(chǔ)上增加測試元件，可用于準確劃分土層、土類判別及估算土的不排水抗剪強度、超固結(jié)比、靈敏度、壓縮模量、不排水楊氏模量、初始剪切模量、固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)等力學(xué)和變形特性，具有理論系統(tǒng)、功能齊全、參數(shù)準確、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點[19-21]。圖11 為CPTU 原位測試設(shè)備實物照片。劉松玉等[19,22]在CPTU 探頭增加了可用于探測電阻率的通道，研制出了電阻率CPTU 探頭，同時研制了能夠集成電阻率傳感器、采集模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和處理終端、貫入系統(tǒng)等多個模塊的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，建立了基于CPTU 技術(shù)的工程設(shè)計應(yīng)用地方規(guī)范，形成了我國巖土工程CPTU 測試應(yīng)用成套成熟技術(shù)。圖12 是電阻率CPTU 探頭結(jié)構(gòu)示意圖，圖13 是CPTU 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11 CPTU 原位測試設(shè)備[21]

圖12 電阻率CPTU 探頭結(jié)構(gòu)示意圖[22]

Akrouch 等[23]、張文偉等[24]在CPTU 探頭的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)進行了改造和優(yōu)化，將測溫?zé)犭娮杓尤肫渲?，記錄并分析探頭與土體摩擦?xí)r產(chǎn)生的溫度消散曲線，便可估算出土體的熱傳導(dǎo)系數(shù)等性能參數(shù)。摩擦型熱傳導(dǎo)CPTU 探頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖14 所示。

圖14 摩擦型熱傳導(dǎo)CPTU[24]

T 型靜力觸探（全流動觸探）是一種新型海洋軟土工程勘察原位測試技術(shù)，其原理是將傳統(tǒng)靜力觸探用錐尖部分換為一個圓柱型探頭，水平壓入軟黏土中，測試探頭的貫入阻力，以不排水抗剪強度與貫入阻力間的解析關(guān)系為依據(jù)，進而求得軟黏土的原位不排水抗剪強度，具有精度和可靠性高、采集數(shù)據(jù)量大、測試便捷、成本低等優(yōu)點[25,26]。圖15 是T 型、球型與板型全流觸探貫入儀實物。

圖15 T 型、球型與板型全流觸探貫入儀實物[25,26]

3.2 動力觸探

動力觸探（Dynamic Penetration Test，DPT）簡稱動探，是應(yīng)用非常廣泛的一種原位測試方法，其利用10 kg、63.5 kg 和120 kg 的重錘擊打探頭，根據(jù)打入的難易程度（錘擊數(shù)）確定土的密度、承載力以及變形模量等工程特性，并對土體做出評價；近年來DPT技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地基承載力測算、變形參數(shù)及填土密實度等的工程勘察中[27-33]。圖16 是DPT 設(shè)備及作業(yè)場景。

圖16 DPT 設(shè)備及作業(yè)場景[28]

針對地基土相對密實度的判斷，目前對DPT 的研究主要集中于石英土，對鈣質(zhì)土的研究相對較少，針對這種情況，林 瀾等[29]進行了模型試驗研究，分析得到鈣質(zhì)土相對密實度和輕型動探貫入指標(biāo)之間的關(guān)系，并且在量綱分析的基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)了不同類型貫入指標(biāo)的相互轉(zhuǎn)化，使其更容易用于工程應(yīng)用；蘇 暢等[30]對不均勻系數(shù)、粒徑以及相對密實度等因素對貫入指標(biāo)的影響展開了研究，對建立貫入指標(biāo)和抗剪強度指標(biāo)的相互關(guān)系做出嘗試，拓展了動探在巖土工程勘察的應(yīng)用范圍。

在實際工程勘察應(yīng)用中，由于動探桿的長度很長，需要對桿長修正，而修正方法是動探應(yīng)用的主要制約[27]。對此，規(guī)范給出了兩種方法，分別基于牛頓彈性碰撞理論和彈性桿波動理論，可以適用于不同條件下的桿長修正。在運用該方法對土體的工程特性進行評估時，應(yīng)該嚴格按照規(guī)范所規(guī)定的修正范圍、方法、規(guī)定等[31,32]。但針對復(fù)雜條件下的動力觸探試驗，國家規(guī)范仍亟待完善，如超重型動探實驗項目的應(yīng)用，現(xiàn)行國家規(guī)范與研究相對較少[33]。應(yīng)考慮結(jié)合實際工程條件和需求的不斷發(fā)展，對現(xiàn)行規(guī)范進行適當(dāng)修訂和完善。

3.3 標(biāo)準貫入試驗

標(biāo)準貫入試驗（Standard Penetration Test，SPT）是動力觸探的一種，常被用于評估土體的密實性和強度特性的判斷；該方法適用范圍廣，可用于確定砂土密實度、巖石風(fēng)化程度、變形參數(shù)、地基承載力及對飽和砂土震動液化做出評價等，為巖土工程勘察工作提供可靠依據(jù)[31,32,34]。

3.4 旁壓試驗

旁壓試驗（Pressuremeter Test，PMT）也稱為橫壓試驗，是通過將圓柱形的旁壓器豎直放入土中，利用其擴張對周圍土體施加均勻壓力，測量徑向壓力與變形之間的關(guān)系，可得到原位土體在較大應(yīng)變范圍的應(yīng)力應(yīng)變特性曲線，可提供一個破壞參數(shù)（極限壓力pL）和一個變形參數(shù)（旁壓模量EM），并獲得土體在水平方向上的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，據(jù)此對土體的承載力（強度）和變形性質(zhì)等進行評價；根據(jù)旁壓器在土中設(shè)置方式不同，可分為預(yù)鉆式旁壓試驗（PBPMT）、自鉆式旁壓試驗（SBPMT）及壓入式旁壓試驗3 種類型[35,36]。圖17 是法國梅納G 型自鉆式旁壓儀示意圖及實物。

圖17 法國梅納G 型自鉆式旁壓儀實物及示意圖[35]

3.5 扁鏟側(cè)脹試驗

扁鏟側(cè)脹試驗（Flat Dilatometer Test，DMT）是利用貫入設(shè)備、鉆機或其它現(xiàn)場設(shè)備，將扁鏟貫入土層中，待達到預(yù)定深度后，再用小型氣瓶對扁鏟加壓，使得扁鏟上的鋼膜片側(cè)向膨脹，分別測得膜片中心側(cè)向膨脹0.05 mm、1.1 mm 時的氣壓值（可通過蜂鳴器精確判斷鋼膜片的側(cè)向膨脹量），再測出膜片回縮到0.05 mm 時的氣壓值，根據(jù)氣壓與變形間的關(guān)系，可進行原位測試軟土、黏土、粉土、黃土、松散-中密砂土等土體在微小變形情況下的變形和強度等特性參數(shù)[37,38]。圖18 是扁鏟實物照片及其結(jié)構(gòu)示意圖。

3.6 鉆孔過程監(jiān)測技術(shù)

鉆孔過程監(jiān)測技術(shù)（Drilling Process Monitoring，DPM）是一種原位測試技術(shù)，可以對鉆孔過程的參數(shù)數(shù)據(jù)進行實時連續(xù)的記錄，DPM 技術(shù)克服了穿透速率的隨機變化，獲得了沿鉆孔深度的土層到巖層鉆井速度的穩(wěn)定剖析結(jié)果[39]。岳中琦[40]開發(fā)了對數(shù)據(jù)進行記錄和分析的實時序列方法，旨在對目標(biāo)區(qū)巖土體的性質(zhì)、分布及巖石塊體界面的情況展開高效、迅速、定量量測，包括斷面結(jié)構(gòu)構(gòu)造和充填物的物理力學(xué)性質(zhì)等。圖19 是配備DPM 的液壓旋挖鉆機作業(yè)場景，圖20 是安裝在液壓回轉(zhuǎn)鉆機上的DPM 監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖20 安裝在液壓回轉(zhuǎn)鉆機上的DPM 監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)示意圖[40]

目前，DPM 技術(shù)及其實時序列數(shù)據(jù)分析方法已被應(yīng)用于各類鉆孔參數(shù)的分析中。Wang 等[41]介紹了一種利用鉆孔參數(shù)實時測試巖石單軸抗壓強度的方法；Feng 等[42]使用DPM 系統(tǒng)研究旋轉(zhuǎn)非沖擊鉆井中最佳鉆井效率和巖石強度的估算。

運用DPM 技術(shù)及實時序列分析法對巖土體的各項性質(zhì)展開量測，對地下地質(zhì)巖體的特性進行分析評價，避免工程事故，是一種十分高效、便捷、準確的技術(shù)手段，對鉆孔過程實時監(jiān)測的相關(guān)技術(shù)及配套設(shè)備應(yīng)加大研發(fā)力度，使DPM 技術(shù)推動工程勘察作業(yè)的快速發(fā)展。

4 高效鉆探取心（樣）技術(shù)

4.1 反循環(huán)取心（樣）鉆探技術(shù)

根據(jù)沖洗介質(zhì)的不同，反循環(huán)可分為空氣和水力兩種，下面分別闡述兩種反循環(huán)取心（樣）鉆探的取樣原理、配套鉆具及技術(shù)特點。

4.1.1 水力反循環(huán)取心（樣）原理

反循環(huán)取樣鉆探的鉆探取樣原理是通過壓送介質(zhì)從鉆桿環(huán)狀間隙進入鉆孔，參與鉆孔循環(huán)，從而將巖樣從鉆桿中心通道帶到地表[43,44]。圖21 是反循環(huán)取心（樣）原理示意圖。

圖21 反循環(huán)取心（樣）原理示意圖[44]

4.1.2 取心（樣）配套鉆具

水力反循環(huán)取心所采用的配套鉆具主要有鉆機、雙壁鉆桿、泥漿泵、取心鉆頭及密封設(shè)備等[45]。

①雙壁鉆桿

雙壁鉆桿是循環(huán)介質(zhì)進入鉆孔的通道，是實現(xiàn)反循環(huán)取心的核心鉆具之一。圖22 是雙壁鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖。

圖22 雙壁鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖[45]

②送水器

雙壁送水器在整個鉆探循環(huán)起關(guān)鍵作用，它將循環(huán)介質(zhì)引入鉆桿環(huán)狀間隙間，同時，將中心通道的巖樣和巖屑導(dǎo)出至孔外，是實現(xiàn)該技術(shù)的關(guān)鍵[44,45]。圖23 是送水器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖23 送水器結(jié)構(gòu)示意圖[44]

4.1.3 技術(shù)特點

反循環(huán)取心（樣）鉆探技術(shù)無需提鉆就能實現(xiàn)連續(xù)獲取實物巖樣，極大地提高了鉆探的效率，同時可以減少對于鉆孔孔壁的沖刷，有利于保持鉆孔孔壁的穩(wěn)定性，操作簡單、成本低，但是由于巖樣經(jīng)過鉆孔中心通道到達孔外巖土箱，可能會造成巖心卡堵的問題，這也是制約該技術(shù)發(fā)展的最大難題之一；巖心卡堵主要發(fā)生在鉆頭、水龍頭和鉆桿接頭處等[46]。為了改善這一問題，唐勝利等[47]對鉆頭循環(huán)液的流場進行了數(shù)值模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)鉆頭擁有6 個內(nèi)噴孔、2 個底噴孔的組合可以通過增強對巖心的沖擊，有效減少卡堵事故的發(fā)生，從而對取心及巖心運移情況有較大改善。

4.1.4 空氣反循環(huán)鉆探原理

空氣反循環(huán)取樣鉆探（Reverse Circulation，簡稱RC 工藝）的鉆進原理為被壓縮后的空氣從氣盒子進入鉆桿內(nèi)外管中間的間隙中，最終到達鉆頭，最后通過鉆桿內(nèi)管的通道攜帶巖石樣品（巖屑）回到地表（見圖24）。其主要特點包括地質(zhì)信息獲取速率快且結(jié)果準確、鉆進效率高、取得巖樣質(zhì)量較高、操作簡單、成本低、事故少[48,49]。該技術(shù)通常搭配潛孔錘鉆進，能大幅提高鉆進效率，對在松散覆蓋、基巖破碎節(jié)理裂隙發(fā)育、卵礫石等復(fù)雜地層及缺水地區(qū)的鉆進具有較強適應(yīng)性，可大幅推進勘探進度，用途廣泛，目前RC 工藝在我國的應(yīng)用范圍正不斷擴大[48-50]。圖25 是YSL-500RC型反循環(huán)鉆機實物照片。

圖25 YSL-500RC 型反循環(huán)鉆機[50]

4.2 繩索取心鉆探技術(shù)

4.2.1 繩索取心鉆探原理

在鉆探作業(yè)過程中，由于孔內(nèi)鉆具的往復(fù)提升或下放會耗費較多輔助時間，嚴重制約著鉆探的作業(yè)效率，而繩索取心鉆探（Wireline Core Drilling）在地表獲取孔底巖心樣品時無需整體提出孔內(nèi)鉆具（見圖26、圖27），僅需通過鉆桿中心通道用打撈器把存放巖樣的內(nèi)管提升至地面，具有鉆進效率高、取心效果好、鉆頭壽命長、減輕工人勞動強度、降低鉆探成本、有利于復(fù)雜地層鉆進、孔內(nèi)安全和便于測斜工作等優(yōu)勢[51-54]。

圖26 繩索取心鉆具實物圖

我國地質(zhì)系統(tǒng)主要使用“S 系列”、“JS 系列”和“YS60”三大系列的繩索取心鉆具，隨后又衍生發(fā)展出了液動沖擊回轉(zhuǎn)繩索取心鉆具、繩索側(cè)壁補心鉆具、不提鉆換鉆頭繩索取心鉆具、孔底冷凍繩索取心鉆具、水平孔繩索取心鉆具等多種類型；繩索取心鉆具主要由專用雙管（內(nèi)、外管總成）和打撈器兩部分組成，其中的雙管總成主要包括彈卡機構(gòu)、單動機構(gòu)、調(diào)節(jié)機構(gòu)、懸掛機構(gòu)、到位報信機構(gòu)、巖心堵塞報信機構(gòu)、打撈機構(gòu)和安全脫卡機構(gòu)[51,52]。

4.2.2 繩索取心鉆探技術(shù)的配套設(shè)備和機具

繩索取心鉆具的配套設(shè)備和機具主要有：①絞車（用于升降內(nèi)管，分為自帶動力驅(qū)動和由鉆機動力傳動兩類）；②鉆桿夾持器（分為腳踏夾持器和球卡夾持器兩類）；③提引器（分為手搓式螺紋提引器和球卡提引器兩類）；④自由鉗（常用φ55/φ52 硬質(zhì)合金自由鉗，用于擰卸鉆桿和鉆頭）、⑤鉆桿（要求壁薄、材質(zhì)好、采用的扣型合理、絲扣加工精度高，并進行調(diào)質(zhì)處理）等。相比于常規(guī)提鉆取心，繩索取心鉆探技術(shù)的作業(yè)效率高，但由于材料規(guī)格和質(zhì)量難以達到理想的要求、機具的加工精度和熱處理水平也有待進一步提升和完善，使得繩索取心鉆探技術(shù)仍存在較多待解決的問題[51,52,54]。

為了不斷拓展繩索取心鉆探技術(shù)的應(yīng)用，改善其應(yīng)用效果，進一步提高鉆進效率、巖心采取率和完整性，有必要對該技術(shù)配套機具展開進一步研制，并對其材料和加工工藝進行優(yōu)化，以更適應(yīng)松散破碎的易垮塌漏失、孔斜、難取心等復(fù)雜地層的長時間不停鉆鉆進取心要求。

4.3 水平定向鉆探技術(shù)

定向鉆進技術(shù)（Horizontal Directional Drilling，HDD）是為完成地質(zhì)勘察的需求，運用技術(shù)手段使鉆井井身根據(jù)預(yù)定好的方位和井斜到達目的地層的鉆進方法，已在固-液-氣三態(tài)礦產(chǎn)資源的勘探開發(fā)、隧道工程勘察等技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；HDD 技術(shù)的有效性很大程度上取決于合理的鉆孔軌跡設(shè)計，所以需要特殊鉆進設(shè)備及輔助儀器，并采用適宜的特殊工藝才能順利實施[55-63]。圖28 是水平定向鉆機設(shè)備構(gòu)成示意圖。

圖28 水平定向鉆機設(shè)備構(gòu)成示意圖[61]

目前為止，在鐵路工程勘察工作中，自地表向下垂直孔身勘探依舊是最為常見的方式，但是在地形陡峻、交通困難的地區(qū)，大型鉆探裝備很難到達指定鉆探現(xiàn)場，而小型設(shè)備又難以滿足勘探要求，從而使得查清工程區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)條件變得非常困難，或者取得的地質(zhì)資料與工程實際情況有較大的出入，導(dǎo)致后續(xù)的設(shè)計工作很難進行或不符合工程實際，且垂直孔鉆探進尺的有效部分并不多，不能十分有效地反映隧道穿越區(qū)圍巖的地質(zhì)情況[56-61]。水平定向鉆技術(shù)對此類問題的解決可起到較好的效果，馬保松等[60]針對傳統(tǒng)垂直鉆探不能達到天山勝利隧道的工程勘察要求，將HDD 技術(shù)應(yīng)用于隧道工程勘察，制作了詳細技術(shù)方案，并在水平孔中進行取心和孔內(nèi)電視等測試作業(yè)，對隧道圍巖地質(zhì)條件做出了準確判斷。HDD技術(shù)在隧道勘察中取得了較好成果，故在垂直孔難以布設(shè)的位置，可沿隧道軸線布置水平孔，從而查清隧道圍巖的實際情況，其主要優(yōu)勢為[60-63]：①在隧道施工期間，勘探時設(shè)置的垂直孔易引起鉆孔突涌水，水平孔則能較好地避免這一問題；②控制鉆探時的軌跡，可以使鉆進方向與隧道軸線保持在一定的偏差角度之間，將垂直孔的點變?yōu)樗娇椎木€，提高鉆探精度；③為了實現(xiàn)較長距離的水平鉆進，鉆進時把多種工藝結(jié)合使用，相較于垂直孔，水平鉆探的設(shè)備收到其他外部因素的影響較小，如地形、隧道埋深等，同時鉆孔利用率較高；④根據(jù)不同的取樣需求，使用不同的取樣技術(shù)，可以實現(xiàn)連續(xù)或間斷取樣，可以準確描述巖石的節(jié)理、構(gòu)造特征，經(jīng)過物理測試以后，可以獲取準確的巖性參數(shù)，為隧道圍巖分級提供依據(jù)；⑤在鉆進過程中，為了實現(xiàn)對工程參數(shù)的實況監(jiān)測，運用隨鉆探測技術(shù)，實時獲取鉆孔內(nèi)部的溫度、水壓力等參數(shù)，同時建立圍巖與鉆進參數(shù)的關(guān)聯(lián)性模型，為隧道的掘進提供數(shù)據(jù)支撐。盡管水平定向鉆探技術(shù)有諸多的優(yōu)勢，可以解決許多垂直孔鉆探所不能解決的問題，但是該技術(shù)用于工程勘察仍存在一些問題[61]：①在高水壓、高地應(yīng)力的硬巖層和破碎巖層中，水平定向鉆探的鉆進效率較低，會延長隧道施工的周期，并且在適用性方面，由于還沒有完全形成相應(yīng)的裝備和技術(shù)，故該技術(shù)在深埋、長大隧道勘察方面的應(yīng)用還存在著許多難點；②工程勘察中運用水平定向鉆技術(shù)，由于工程實例較少，沒有形成相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，在選取鉆孔參數(shù)時較為混亂；③由于現(xiàn)有技術(shù)的限制，隧道施工時水平定向鉆進在掌子面前方實現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報，對于平行于隧道軸線的巖體，難以對其結(jié)構(gòu)面進行準確的探測。

針對于上述問題，徐正宣等[62]對超長水平定向勘探技術(shù)與裝備展開研制與改進，形成了一套較為完善的水平繩索定向鉆具、工藝以及繩索取心定向勘探工法，實現(xiàn)國內(nèi)零的突破，解決了川藏鐵路水平深孔鉆探裝備與工藝難題。千米級水平鉆機總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖29 所示。

圖29 千米級水平鉆機總體結(jié)構(gòu)示意圖[62]

同時，為解決繩索取心技術(shù)應(yīng)用于超長水平定向鉆探鉆孔軌跡偏斜的問題，吳金生等[63]對水平繩索隨鉆定向鉆具及工藝進行研究，形成了一套較為完整的技術(shù)體系，并用于川藏鐵路隧道的定向糾偏工作中，取得了較好的效果。繩索隨鉆定向儀輸送固定機構(gòu)如圖30 所示。

圖30 定向儀輸送固定機構(gòu)[63]

水平定向鉆技術(shù)在川藏鐵路的成功應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)垂直鉆孔在地理環(huán)境復(fù)雜地區(qū)難以展開有效勘察的工程問題，充分說明該技術(shù)結(jié)合適當(dāng)測試手段，鉆進距離長且效率高、定位準確、便于機動，因此以水平定向鉆機為基礎(chǔ)，研究其用于超前地質(zhì)預(yù)報、地質(zhì)勘察的關(guān)鍵技術(shù)，研究具有取心、感知功能的水平定向鉆超前地質(zhì)預(yù)報、地質(zhì)勘察成套裝備是可行的，應(yīng)進一步推進配套鉆具設(shè)備智能化進程。

4.4 直推鉆探技術(shù)

直推鉆探技術(shù)（Direct Push Drilling）源于荷蘭，通過運用人力或者機械力直接將鉆具壓入地下，進行鉆探和取樣；軟土地層阻力較小，通過液壓油缸的靜壓力即可將鉆桿按照預(yù)設(shè)路徑無回轉(zhuǎn)推入目標(biāo)地層；而在砂礫石層和非均質(zhì)回填層等阻力較大的地層中，僅靠靜壓力推進困難，此時直推鉆機的振動器可釋放一定頻率的沖擊力，再與油缸產(chǎn)生的靜壓力共同作用實現(xiàn)推進，完成鉆探取樣目標(biāo)；該技術(shù)無需沖洗介質(zhì)、操作簡單、靈活機動、推進高效、獲取樣品品質(zhì)較高且干擾小，得到了廣泛運用[64-68]。圖31 是Geoprobe 7822DT 型直推式鉆機實物照片及結(jié)構(gòu)示意圖。

直推式鉆機結(jié)構(gòu)緊湊、機動性強、使用簡便、功能多樣，在其它鉆探手段受到限制時，仍然能夠完成鉆探取樣作業(yè)；此外，該鉆機沖擊頻率較高，只會對地層產(chǎn)生較小的壓縮，可以較好地達到原狀分析的效果[67,68]（見圖32）。

圖32 直推鉆具取樣效果[59]

目前，我國在直推鉆探技術(shù)配套設(shè)備研發(fā)及其原位檢測工具、專業(yè)技術(shù)規(guī)范和技術(shù)指南等方面并不完善，科技部于2020 年啟動了“污染場地土層剖面鉆進探測一體化技術(shù)與裝備”專項，研究直推鉆進技術(shù)的配套設(shè)備，包括精準控制推進系統(tǒng)、鉆進探測一體化裝備等，同時對該項技術(shù)展開應(yīng)用示范、編制技術(shù)規(guī)范等相關(guān)工作，推動直推式鉆探技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

4.5 組合鉆探技術(shù)

組合鉆探技術(shù)是為了提高工程勘察鉆探效率，降低工程成本，而將繩索取心鉆探與反循環(huán)鉆探、液動潛孔錘等技術(shù)結(jié)合起來使用，揚長避短。孫丙倫[69]通過技術(shù)經(jīng)濟學(xué)和系統(tǒng)分析原理研究了深孔鉆機、鉆探方法和工藝等因素，發(fā)現(xiàn)基于液動錘和金剛石鉆探技術(shù)組合使用的情況優(yōu)化發(fā)展形成的WL 鉆探技術(shù)能夠充分發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)越性，使得深孔取心鉆探的效率顯著提升。盧予北[70]也針對液動錘和繩索取心的聯(lián)合使用進行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)二者結(jié)合使用時，改變了其碎巖方式，使得鉆孔防斜效果顯著提升，降低了事故發(fā)生的概率，延長了鉆頭壽命。在鉆探過程中，應(yīng)結(jié)合實際情況，分析反循環(huán)取心鉆探、繩索取心鉆探、（水平）定向鉆探等不同技術(shù)的優(yōu)劣，結(jié)合鉆探工程實際工況將其組合使用，在充分發(fā)揮各項技術(shù)優(yōu)勢的同時，避免短板，為顯著提升鉆進效率和巖心（樣）采取率、降低工程成本、解決施工技術(shù)難題提供合理的新方案，同時根據(jù)不同的施工環(huán)境和地質(zhì)條件，研究鉆探技術(shù)不同的組合方式。研發(fā)配套的裝備、機具和技術(shù)也是鉆探技術(shù)的發(fā)展方向。

5 聯(lián)合勘察技術(shù)

聯(lián)合勘察技術(shù)將鉆探與物探、化探、遙感等多種技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)多種技術(shù)的交互，相互印證，取長補短，從而提高工程勘察效率及準確性[71]。物理場無處不在，且會根據(jù)介質(zhì)的物理性質(zhì)不同而部分發(fā)生改變，這種改變被稱為異常場，而物探就是通過對異常場進行觀測和研究來解決地質(zhì)問題的一種勘察技術(shù)手段。工程物探是在專業(yè)儀器的輔助之下，對地球物理場進行整體的觀測，同時把握局部變化，抓住異常場，結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)資料對現(xiàn)場工程地質(zhì)條件及環(huán)境資源進行預(yù)測，達到解決具體工程項目地質(zhì)問題的目的[72-75]。鉆探屬于直接勘探方法，可以從孔底直接取出巖樣觀察，但是難免存在一孔之見的局限性，而物探則屬于間接勘探方法，這種方法從宏觀上把握施工場地周圍區(qū)域的整體地質(zhì)情況，可以避免用局部反映總體的局限[74]。物探的主要特點為測試周期短、速度快、范圍大，廣泛應(yīng)用于各類工程，在鉆探難以發(fā)揮作用的特殊環(huán)境中，物探是勘察的主要手段。但是物探是一種間接的勘探方式，不能直接獲取樣品，其勘測結(jié)果在反演時存在多解性，對目標(biāo)地質(zhì)體的異常情況進行驗證較為困難[75]。鉆探和物探兩種方法都有各自的局限性，僅用單一手段，可能導(dǎo)致結(jié)果較為片面，不能查清影響工程施工的所有地質(zhì)因素，而將鉆探技術(shù)與物探技術(shù)結(jié)合使用，相互印證，實現(xiàn)不同種類物探技術(shù)的交互，有助于工程勘察工作的高效進行。劉 偉等[76]針對云桂線富寧隧道的地質(zhì)問題，結(jié)合運用了鉆探技術(shù)與音頻大地電磁法等物探手段，高效地查明了該區(qū)域的總體地質(zhì)情況，解決了其地質(zhì)問題。張 輝等[71]發(fā)現(xiàn)盡管通過鉆探取樣可對地層現(xiàn)狀有直接清晰的認識，但是位于不同鉆孔之間的地層特征及其變化只能結(jié)合鄰近鉆孔的情況及相關(guān)的地質(zhì)資料進行分析推測，存在多解性，在鉆探巖樣的基礎(chǔ)上利用電磁法與面波法等物探手段，針對特殊地層的厚度、分布以及不良地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育能夠進行有效的探測，同時與鉆探成果相互補充和印證，可取得較好的效果。李國圣[77]認為傳統(tǒng)鐵路邊坡勘察和評價手段單一，評價效果不夠客觀，不能全面有效地反映真實的地質(zhì)條件。周關(guān)學(xué)等[78]在安順至六盤水城際鐵路茨沖一號隧道開挖出大型溶洞群之后，運用綜合勘察手段，將隧道底部的大型溶洞形態(tài)特征和該地區(qū)的水文地質(zhì)條件調(diào)查清楚，為后續(xù)針對溶洞的整治工作提供了地質(zhì)依據(jù)。

在地形陡峻、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、不良地質(zhì)發(fā)育較多的高山峽谷地區(qū)，應(yīng)廣泛使用高分衛(wèi)星遙感地質(zhì)解譯、合成孔徑雷達干涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）、無人機航測、機載激光雷達測量（Light Laser Detection and Ranging，LiDAR）、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）監(jiān)測、地面三維激光掃描（Terrestrial Laser Scanning，TLS）等“天+空+地”技術(shù)，以及鉆探+物探+原位測試等多種方法相結(jié)合的綜合勘察技術(shù)及適宜的評價方法，可為工程勘察的高效實施提供技術(shù)支撐[77-79]。

6 結(jié)論

（1）通過對取心（樣）作業(yè)要求、取土器及取土鉆具、原位測試技術(shù)、高效鉆探取心（樣）技術(shù)以及聯(lián)合勘察技術(shù)進行梳理，總結(jié)了各技術(shù)的特點及存在的問題，在工程勘察實踐中，需要對各種技術(shù)的特點準確把握，綜合考慮實際工況等多重因素，才能更好地完成工程勘察工作。

（2）盡管我國鉆探取心（樣）技術(shù)取得了許多研究與應(yīng)用成果，在技術(shù)工藝及配套鉆具方面均得到大幅提升，但仍需進一步加大研發(fā)力度，可針對鉆探技術(shù)在不同領(lǐng)域和地區(qū)的深入應(yīng)用研制配套鉆具，推動鉆具模塊化、智能化發(fā)展，不斷拓寬鉆探技術(shù)在工程勘察中的應(yīng)用，并對現(xiàn)有鉆具進一步優(yōu)化升級，以期更好地提高鉆進效率、取心質(zhì)量、延長鉆具使用壽命并降低綜合成本。

（3）不同技術(shù)均有其優(yōu)勢及局限性，若將它們割裂開來可能導(dǎo)致所得結(jié)果較為片面，難以真實有效地反映工程勘察區(qū)域的工程地質(zhì)條件。通過將鉆探、物探、遙感等多種技術(shù)和方法進行有機融合，揚長補短，形成聯(lián)合勘察技術(shù)體系，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，不僅能夠顯著提升工程勘察作業(yè)效率和質(zhì)量，還可有效降低綜合成本，這是工程勘察技術(shù)的發(fā)展方向之一，值得進一步優(yōu)化與推廣。