工程地質(zhì)鉆探常用技術(shù)分析

［關(guān)鍵詞］工程地質(zhì)鉆探；沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)；機(jī)械振動鉆探技術(shù)

鉆探是地質(zhì)工程中的一個重要作業(yè)環(huán)節(jié)，是指使用特定的鉆探機(jī)械設(shè)備以及配套工藝，沿著地表向下，對巖礦芯進(jìn)行鉆進(jìn)，通過對鉆進(jìn)過程獲得數(shù)據(jù)、地下土層、礦石成分組成等進(jìn)行分析，對鉆進(jìn)區(qū)域及周邊一定范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行可靠評價。鉆探技術(shù)最早出現(xiàn)在我國四川地區(qū)，初始的運(yùn)用目的是向地面深層掘進(jìn)，從而找到地下水，解決當(dāng)?shù)鼐用竦娘嬎畣栴}。隨著時間的推移，鉆探的目的逐漸變?yōu)椤皩ふ饮}分”。由于與人們的生活息息相關(guān)，故鉆探技術(shù)又被稱為“中國古代第五大發(fā)明”。但到了現(xiàn)代社會，鉆探的應(yīng)用方向早已多元化。目前，國內(nèi)外針對工程地質(zhì)鉆探常用的技術(shù)包括人力沖擊、回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)、機(jī)械振動鉆探技術(shù)等。技術(shù)的綜合成熟度較高。但將切斜技術(shù)應(yīng)用于水文地質(zhì)、工程地質(zhì)第四紀(jì)地質(zhì)全要素鉆探工程的文獻(xiàn)較少。本文以安慶市規(guī)劃區(qū)2018年度水文地質(zhì)、工程地質(zhì)第四紀(jì)地質(zhì)全要素鉆探工程為例，對上述技術(shù)應(yīng)用展開分析。

1. 工程地質(zhì)鉆探的特點(diǎn)梳理

1.1 工程地質(zhì)鉆探特點(diǎn)和目的

鉆探是現(xiàn)代地質(zhì)勘探工程中不可或缺的一項(xiàng)重要技術(shù)。比如在興建大規(guī)模工程時，為了確認(rèn)某個地區(qū)是否能夠成為工程基地，需對地表以下的土層成分、巖層成分、地下水的活動情況等進(jìn)行勘察[1]。向下鉆進(jìn)方式為：人工或使用機(jī)械設(shè)備（鉆機(jī)），向地表下方鉆進(jìn)，并在地層中形成圓柱形的鉆孔。首先達(dá)到的目的是對地層進(jìn)行劃分和鑒別。其次，隨著鉆孔深度的不斷增加，可以從不同深度的巖層處獲得巖芯、礦樣、土樣，對其中的成分進(jìn)行研究，可以測定巖石、土層、地下水中含有哪些物質(zhì)，具有哪些物理力學(xué)性能。在上述分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，工程設(shè)計(jì)人員可對鉆孔區(qū)域及附近一定范圍內(nèi)土地的用途進(jìn)行確定，無論進(jìn)行何種應(yīng)用，都可保證安全。

1.2 某工程地質(zhì)鉆探結(jié)果

安慶市規(guī)劃區(qū)2018年度水文地質(zhì)、工程地質(zhì)第四紀(jì)地質(zhì)全要素鉆探，需根據(jù)工程地質(zhì)層位信息，按照規(guī)范要求開展工程地質(zhì)原位試驗(yàn)，選擇合適的層段、位置開展水文地質(zhì)孔擴(kuò)孔成井等工作。通過地質(zhì)鉆探工作，對地下巖體、土體的工程地質(zhì)巖組、地層巖性、主要工程地質(zhì)特征等進(jìn)行詳細(xì)分析。部分鉆探結(jié)果如表1所示（受篇幅所限，本文截取巖體、土體鉆探各3項(xiàng)結(jié)果）。從中可以看到：地下巖體、土體自上而下的分布情況呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，且每一層的地質(zhì)特征均十分清晰。以相關(guān)結(jié)果作為數(shù)據(jù)支撐，圍繞鉆探區(qū)域是否能夠開展某項(xiàng)工程設(shè)計(jì)時，方案必定具有較強(qiáng)的說服力。

2. 工程地質(zhì)鉆探作業(yè)常用技術(shù)

2.1 人力沖擊和回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)

2.1.1 人力沖擊鉆探技術(shù)

工程地質(zhì)鉆探作業(yè)中，最常見、最原始的技術(shù)便是人力沖擊法。這種方法是指技術(shù)人員使用洛陽鏟、弧形鏟、圓形鏟、掌形鏟、軟濕黏土鏟、稀泥鏟、風(fēng)化巖水鏟等基礎(chǔ)工具，通過人工，首先完成對鉆進(jìn)區(qū)域的初步挖掘。之后使用鋼絲繩、鉆桿等設(shè)備，將“一字型”或“十字形”的鉆頭吊起至一定的高度，適當(dāng)松開鋼絲繩，在自由落體運(yùn)動的作用下，使鉆頭對地下巖體進(jìn)行自上而下的沖擊。當(dāng)巖體開裂之后，通過人力或操作挖掘機(jī)等方式，將鉆坑內(nèi)的巖屑、巖石粉末、其他雜物等撈出，重復(fù)上述流程。這種方式在我國最早用于鉆井，目的是獲取地下水。時至今日，除了在極少數(shù)地區(qū)依然使用此種方式（同樣多用于鉆井），由于鉆探作業(yè)效率過低，已經(jīng)不適用于地質(zhì)勘查鉆探作業(yè)。

2.1.2 回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)

相比人力沖擊技術(shù)，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)是當(dāng)前最主要的鉆進(jìn)方法，是指通過轉(zhuǎn)盤、回轉(zhuǎn)器、動力頭等，實(shí)現(xiàn)對鉆桿的驅(qū)動，之后帶動鉆頭進(jìn)行回轉(zhuǎn)，從而達(dá)到向下鉆進(jìn)的目的。由于軸向鉆頭會施加一種壓力作用，地下土層、巖體的原有結(jié)構(gòu)會被破壞，會自動排出巖粉，生成鉆孔。一般來說，鉆機(jī)的性能決定回轉(zhuǎn)的速度。如果是普通的石油鉆機(jī)，則最大組轉(zhuǎn)數(shù)會達(dá)到每分鐘160轉(zhuǎn)；如果是金剛石鉆機(jī)，則最大轉(zhuǎn)數(shù)可提升至每分鐘2400轉(zhuǎn)。

2.1.3 沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)

在常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員逐漸發(fā)現(xiàn)一種將“沖擊”與“回轉(zhuǎn)”相結(jié)合的鉆探技術(shù)。這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須將鉆桿、鉆頭兩個重要構(gòu)件合成一個整體。如此一來，鉆桿中心的氣體和液體會在軸向壓力流經(jīng)的過程中，形成較大的沖擊力，進(jìn)而帶動鉆頭運(yùn)轉(zhuǎn)。有研究顯示，在沖擊、回轉(zhuǎn)的同時作用下，鉆頭接觸地下巖層時，每分鐘的向下鉆進(jìn)速度可達(dá)到50轉(zhuǎn)。受此影響，地下巖層足以被擊碎，在鉆進(jìn)處形成鉆孔。

2.2 機(jī)械振動鉆探技術(shù)

機(jī)械振動鉆探技術(shù)的作用原理如圖1所示。使用的核心設(shè)備為雙軸雙輪振動器。此種設(shè)備中自帶的兩個偏心輪無論是形狀、尺寸，還是重量、偏心距，均完全相同。在選定鉆孔位置之后，需要將雙軸雙輪振動器兩個偏心輪的軸沿著水平方向進(jìn)行平行布置。根據(jù)圖1顯示的效果圖可知，兩個偏心輪處于“緊緊貼合”的狀態(tài)，在齒輪的轉(zhuǎn)動作用下（圖1中顯示的數(shù)字“1”是指作用于位于圖1右側(cè)位置偏心輪的齒輪，控制右側(cè)偏心輪呈現(xiàn)逆時針轉(zhuǎn)動），由于兩個偏心輪緊密相連，左側(cè)的偏心輪會在右側(cè)偏心輪轉(zhuǎn)動的同時，呈現(xiàn)出順時針轉(zhuǎn)動的態(tài)勢。因此，兩個偏心輪的轉(zhuǎn)動方向恰好相反，但轉(zhuǎn)動的角速度相同，相位角處于對稱的狀態(tài)。無論兩個偏心輪在轉(zhuǎn)動的過程中發(fā)生和中移動，如圖中所示的離心力Q1和Q2均可以基于正交分解法分成兩個方向的分力。其中，水平方向的分力S1和S2的大小完全相同，方向呈180°對立；垂直方向的分力P1和P2大小、方向完全相同。如果當(dāng)偏心輪的中心整體位于水平軸線以上，合力的方向也會向上。在此種情況下，兩個偏心輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的合力會帶動鉆具，在垂直方向上產(chǎn)生振動，憑借振動作用力，實(shí)現(xiàn)鉆探。

3. 全要素鉆孔施工及水文地質(zhì)鉆孔施工

以往的鉆探技術(shù)均為常見的技術(shù)工藝，考慮到本工程對鉆孔勘探作業(yè)精度的要求較高，需要結(jié)合多種基礎(chǔ)工藝，或是在基礎(chǔ)工藝的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行升級。

3.1 全要素鉆孔施工

（1）主要施工順序?yàn)椋壕淮_定→施工準(zhǔn)備→開孔鉆進(jìn)→取心、取樣、試驗(yàn)→物探測井→取水樣→封孔→場地恢復(fù)→孔位復(fù)測→終孔驗(yàn)收；水文地質(zhì)鉆孔施工順序如下：施工準(zhǔn)備→擴(kuò)孔鉆進(jìn)→下管→填礫→止水→洗井→抽水試驗(yàn)→取水樣→井臺制作→孔位復(fù)測→場地恢復(fù)→終孔驗(yàn)收[2]。

（2）鉆探作業(yè)的工作量設(shè)計(jì)以及技術(shù)應(yīng)用。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作量1200m，實(shí)際完成1217.68m。根據(jù)安慶地區(qū)地層巖性情況和設(shè)計(jì)要求，松散層和基巖層，取心孔徑110mm，采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)式泥漿鉆進(jìn)工藝。此種工藝的主要實(shí)施原理為：首先對泥漿施加高壓作用力，使其經(jīng)由鉆機(jī)進(jìn)入空心鉆桿，能夠從鉆桿的底部射出。底部的鉆頭（鉆椎）在回轉(zhuǎn)過程中，能夠?qū)ν翆舆M(jìn)行攪動，使其原本的結(jié)構(gòu)被破壞，進(jìn)而生成碎渣。碎渣之上會浮懸一層泥渣，并隨著泥渣逐漸上升，最終溢出，流到井外專用于排泄泥漿的溜槽。溜槽連接沉淀池，流入其中的泥漿、渣土、巖石粉末等物質(zhì)經(jīng)過沉淀凈化，可以被轉(zhuǎn)化為“清潔”的泥漿，可重復(fù)使用。需要注意的是，采用此種技術(shù)時，井孔壁需依靠水頭和泥漿完成保護(hù)。在本工程中，鉆進(jìn)采用清水和低固相泥漿，巖芯綜合采取率為92.34%以上。巖芯采取率如表2所示（受篇幅所限，截取18ZK01～18ZK05共5個鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行展示）。

（3）在鉆孔和取芯作業(yè)完成后，應(yīng)及時開展物探測井工作。工程進(jìn)展程度為，物探測井深度為1212.20m，測試項(xiàng)目包含視電阻率、自然電位、自然伽馬、井溫、井徑、井斜和聲波。需要注意的是：水文物探測井成果曲線的比例尺，根據(jù)巖性的復(fù)雜程度和鉆孔深度確定。

（4）封孔及其他作業(yè)。為避免鉆孔受到破壞，在完成物探測井工作之后，需使用黏土進(jìn)行封孔作業(yè)。具體而言：向每個鉆孔內(nèi)投入厚度達(dá)到20m的黏土，之后使用吊機(jī)吊起重錘后自由落體，將黏土至少向下壓實(shí)5cm，之后繼續(xù)回填黏土20m，使用重錘自由落體壓實(shí)。重復(fù)上述流程，直到黏土達(dá)到孔口（地表水平）位置，方可視為達(dá)到封孔效果[3]。

3.2 水文地質(zhì)鉆孔施工

（1）挖孔孔徑。前期的鉆孔、取芯、物探測井作業(yè)與全要素鉆孔施工完全相同。完成物探測井作業(yè)之后，需使用擴(kuò)孔鉆機(jī)，將鉆孔的截面擴(kuò)大，形成鉆井。在本工程中，擴(kuò)孔直徑為φ400mm，18ZK12 基巖孔擴(kuò)孔直徑為φ168mm，18ZK15基巖孔擴(kuò)孔直徑為φ220mm[4]。

（2）擴(kuò)孔成井作業(yè)。第一，將鉆桿向下移動，一直下放到孔底，之后使用大泵量設(shè)備，對孔內(nèi)進(jìn)行沖孔排渣作業(yè)，指導(dǎo)將其內(nèi)的巖土粉末、泥沙、雜物等全部清除后，逐步用稀泥漿循環(huán)孔內(nèi)泥漿，降低孔內(nèi)泥漿黏度、密度、破壞泥皮。下管方法為一次下管法，需按照下管先后次序，依次將井管逐根丈量、排列、編號。充填濾料為質(zhì)地堅(jiān)硬、密度大、渾圓度好的石英砂，采用加水投礫方法，黏土球采用鈣基膨潤土制成，直徑在20～30mm之間，采用人工四周緩慢均勻投入法，止水段以上到地表，采用黏土球充填止水。成井工作量完成情況如表3所示。

（3）洗井作業(yè)。完成上述封閉和止水作業(yè)之后，需要及時進(jìn)行換漿操作，可根據(jù)孔井的實(shí)際情況，選擇洗井方式?？蛇x擇化學(xué)洗井法、活塞洗井法、空壓機(jī)洗井法?；瘜W(xué)洗井是指將化學(xué)清潔劑加入井內(nèi)，對泥沙等雜質(zhì)進(jìn)行中和，之后排到井外。活塞洗井是一種傳統(tǒng)的洗井方法，是指向井內(nèi)插入管道，之后在其中加入活塞，在上下運(yùn)動的過程中，擠壓空氣到井水中，使井水產(chǎn)生動力。如此一來，井壁的泥皮會被沖掉，落到井水中，最后排出?？諌簷C(jī)洗井法是指將管道一端與空壓機(jī)進(jìn)行連接，另一端插入井下。啟動空壓機(jī)之后，大量空氣會經(jīng)由管道被輸送至井底?；煊心嗌?、砂礫的井水會通過出水管排到井外。經(jīng)過幾個循環(huán)，井水便可逐漸清澈。無論選擇何種洗井方式，在完成一次洗井作業(yè)之后，仍需根據(jù)孔深、地層含水層情況，再次調(diào)整空壓機(jī)的參數(shù)，并使用該設(shè)備再次洗井。之后還需使用水泵洗井，達(dá)到“井內(nèi)水質(zhì)清澈，無泥沙（可有砂礫、石頭，但出水的含沙量不得超過1∶20000 的體積比）”的標(biāo)準(zhǔn)即可[5]。洗井工作量完成情況如表4所示。

4. 結(jié)束語

現(xiàn)代工程地質(zhì)鉆探工作已經(jīng)發(fā)展為通過多種技術(shù)，從地表開始向下鉆進(jìn)，逐漸形成具有一定深度的鉆孔。鉆孔的邊緣實(shí)際上可視為地下土層、巖層的截面，通過對巖石、土層的成分進(jìn)行分析，可以對地表下方的成分構(gòu)成情況進(jìn)行較為精確的總結(jié)。此種方式相比常規(guī)的挖掘工作，不僅省時省力，而且破壞性較小，能在短時間內(nèi)了解較大面積的地下情況。相關(guān)數(shù)據(jù)如果應(yīng)用于建筑工程勘探作業(yè)，還能使方案設(shè)計(jì)的完善性達(dá)到更高的水平。

本工程應(yīng)用工程地質(zhì)鉆探技術(shù)時，為了提高巖芯采取率的表述精確性，根據(jù)專業(yè)技術(shù)人員給出的指導(dǎo)意見，將黏性土、砂性土、礫石層、基巖采取率分開統(tǒng)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，本工程完善補(bǔ)充了鉆探施工工藝，針對不同地層采用更有針對性的鉆進(jìn)施工方法，并增加了配套的施工質(zhì)量控制及對多個施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)的自查流程?？傮w來看，通過這些改進(jìn)措施，進(jìn)一步完善了工程地質(zhì)鉆探流程，整體可行性更高。