巖土工程勘察中對鉆探工藝的研究

盧劍星

（中國煤炭地質總局廣西煤炭地質局，廣西 柳州 545005）

在巖土工程勘察工作中，鉆探工藝的合理選擇及準確應用對于巖土工程勘察的質量和效率都具有十分重要的影響。因此勘察人員應全面了解鉆探施工的各項工藝要點，積極總結鉆探實踐經驗，根據不同的巖土體特征選擇相應的鉆探設備和工藝方法。

1 巖土勘察鉆探的鉆進方法和鉆探設備分析

在進行鉆探巖土鉆探時，需要通過鉆機設備鉆進地下，然后利用所形成的圓柱形鉆孔來取得各地層深度的巖土體以及地下水等樣本，再經過實驗室的檢測分析后就可以比較準確地掌握測區的地質特征。鉆探是一項工藝比較復雜的綜合性工作，不僅要準確劃分地層以及測定界限，同時還要嚴格按照工藝要求采集原狀土并開展原位測試工作，而鉆探工藝方法的選擇以及操作技術水平將直接關系到巖土工程勘察的整體質量和效率。

1.1 巖土工程勘察中的主要鉆探設備分析

在進行巖土鉆探時，鉆探設備是進行鉆孔施工的基礎，目前在鉆探工作中比較長遠的鉆探設備主要有空氣壓縮機、鉆機、鉆探泵以及相關的傳動、動力設備和輔助設備。在鉆探設備中，由于裝載方式的不同，可以將其劃分成組裝式以及整體式這兩大類。而根據移動性的不同，又可以進一步將整體式鉆探設備分成三類，即自行式、固定式以及拖引式。此外，還可以根據鉆探設備的不同用途將其劃分成巖芯取樣、工程地質和施工以及水文水井等不同的設備類型，而不同的鉆探設備在適用范圍上也各不相同。其中工程地質設備主要適用于為道路工程、民用、工業建筑工程以及橋梁工程等進行巖土工程勘察鉆探。而水文水井設備主要適用于對水井以及水文勘察進行鉆機勘探。取樣以及巖芯設備則主要是對巖土體以及混凝土結構進行鉆探。

1.2 巖土勘察鉆探中的主要鉆進方法分析

在進行鉆探作業時，需要根據巖土層的不同巖性特點以及具體的鉆探要求而選擇不同的對地下巖體進行破碎鉆進的方法。目前在鉆探工作中比較常用的鉆進方法主要包括振動鉆進方法、沖擊或沖抓鉆進方法、正反循環式的鉆進方法以及螺旋鉆進方法等。而鉆進時還應根據具體的鉆探要求選擇取芯或者不取芯的鉆進方法。此外在進行回轉鉆進施工時，由于需要選擇不同的磨料來破碎巖石，因此又可以將鉆進方法劃分成金剛石、硬質合金以及鉆粒等不同的鉆進方法。

2 巖土工程勘察中的主要鉆探工藝分析

2.1 鉆探可塑性偏軟等黏性土層的工藝方法

（1） 在鉆探作業時應根據地層特性的不同而選擇相應的鉆探工藝。例如在對黏性土地層進行鉆探時，由于該地層具有較大的壓縮性、流變性和觸變性，同時其滲透性以及強度則相對較低，因此在進行鉆探時應選擇長短螺旋鉆進與重錘沖擊鉆進相配合的工藝方法來進行鉆探作業。當需要對地下水水位下方地層進行鉆探時，則應選擇沖擊回轉以及套管螺旋鉆進等工藝，而重錘沖擊工藝不僅會對鉆孔孔底周邊地層產生較大的擾動，而且其鉆進效率也無法滿足鉆探要求。

（2） 在應用螺旋鉆進工藝時，主要是使螺旋鉆桿在電動機的帶動下回轉鉆頭，并沿螺旋線方向逐步切削地層而形成鉆孔。同時螺旋葉片可以將切削下的碎屑雜質等直接上返至孔口位置。在采用長螺旋鉆進工藝時，其鉆進深度應控制在15～20 m左右，而鉆進直徑則應控制在1 m以內，在選用短螺旋鉆進工藝時，則鉆進深度大多在30 m以內，最大深度可以達到50 m左右，而鉆進直徑一般在2～3 m之間。由于短螺旋鉆進工藝所使用的鉆機設備為非連續型，因此其鉆機效率低于長螺旋鉆。這種鉆探工藝具有較高的效率，而且不需要對設備進行清洗。

（3） 在應用沖擊回轉工藝進行鉆探施工時，應嚴格控制泥漿配比，并在施工中要防止鉆孔土層被水流沖散，造成泥漿中混入雜質。為了提高鉆探質量，也可以采取在回次終了階段停止送水的方法來進行施工，從而適當增加干鉆進尺，以保證土層樣品采集的有效性。此外也可以選擇雙管雙動鉆具來進行取芯作業。

在鉆探硬塑黏性土地層時，勘探人員應采用沖擊回轉工藝，并選擇小肋骨鉆頭等設備來進行施工，以減少對土層的擾動。在應用沖擊回轉工藝時，其動力類型主要包括氣動、液動以及混合動力。這種工藝方法可以在低鉆速條件下實現較高的鉆進效率，有效地減少了孔內事故發生的概率，延長了鉆頭的使用壽命。

在應用液動沖擊回轉工藝時，其鉆進深度一般在800～1 000 m之間，而直徑應控制在56～130 mm之間，動力主要為泥漿以及清水所形成的高壓。而氣動沖擊鉆進工藝的鉆進直徑則可以達到65～228 mm左右。在鉆探作業時應先采用慢速鉆進方式，當土層為鉆頭切入后再適當提高鉆進速度。

2.2 鉆探砂層的工藝方法

在鉆探作業中，砂礫粒徑以及地下水等因素會對鉆探質量產生較大的影響。在對含有大量黏粒的粉細砂砂土層進行鉆探時，可以選擇螺旋鉆進方法。而當要求鉆進深孔時，則應選擇直徑較小的螺旋鉆來進行后期的鉆進施工。施工過程中應將鉆速適當降低，并合理調整泵量，以控制鉆進壓力。在終了回次施工前，勘探人員應利用泥漿對鉆孔進行清洗，以防止出現卡鉆沉砂等故障。在停泵后應繼續進行0.3～0.5 m左右的干鉆作業，以防止巖芯出現脫落的情況。

在對處于地下水位下方的礫砂或者中粗砂層進行鉆探時，應選擇反循環鉆進工藝和硬質合金鉆頭來進行施工，且鉆頭應選擇品字形。在施工過程中應適當將轉速降低，并利用灌漿泵吸設備進行反循環鉆進作業。施工人員應對鉆具不斷進行浮動操作，并嚴格遵守快放慢提的工藝要求，以促使孔底反循環的有效形成。在該鉆探工藝方法中由于巖芯管直徑小于鉆頭外徑，因此可以對巖芯管起到一定的約束作用，從而避免了原始巖芯結構受到擾動。在完成末回次作業前，應利用泥漿對鉆孔進行清洗，從而將孔內的礫砂徹底去除，以避免發生沉砂卡鉆故障。在停泵后仍需要進行0.2～0.3 m左右的干鉆，然后才能停止鉆具的浮動操作并進行精細干燒作業，以避免鉆孔孔壁出現坍塌等問題，之后就可以將完成巖芯樣品的采取施工了。

2.3 鉆探卵石層的工藝方法

地層的含水率、厚度以及密實度等因素也會影響鉆探工藝的應用。當對較薄地層進行鉆探時，回轉鉆應配合泥漿護壁工藝來進行施工。當對較高密實度的卵石層地層進行鉆探時，應嚴格控制泥漿的配比，確保泥漿質量能夠達到鉆探要求，同時應選擇回轉鉆進工藝。而當對黏性土含量相對較低的大厚度地層進行鉆探時則應選擇跟管鉆進的工藝方法。在施工時應將鉆速控制在30～60 rad/min左右，且跟管長度應控制在3～6 m左右，同時在施工過程中應連續進尺，以保證鉆探的順利進行。另外還可以通過將黏土球投入鉆孔的工藝方法來保護孔壁，避免出現孔壁坍塌的情況。一旦有塌孔事故發生時，勘探人員應在將鉆具拔出，并在放入跟管后再進行鉆探施工，或者也可以采取增加泥漿濃度等處置措施。為了避免套管內有卵石殘留而造成絲扣脫滑故障，勘探人員可以選擇利用反絲套管來進行鉆進作業。

3 巖土工程勘察中鉆探工藝的應用實踐

3.1 某工程項目基本情況概述

某工程項目施工現場的地質條件比較復雜，經勘察發現其主要為卵石層和粉砂質泥巖層，其中卵石層厚度最大值為16.7 m左右，并含有較為豐富的地下水。受該工程所在地區客觀條件限制，其在鉆探施工中存在較大的難度。

3.2 該工程鉆探工藝的實踐應用

在該工程項目的巖土勘察工作中選擇利用金剛石鉆頭進行鉆孔，并配合使用套管進行鉆探的工藝方法，其中鉆頭口徑選擇為Ф110 mm規格，而套管則采用的是Ф130 mm規格。在鉆探施工中，在現場利用磨損廢舊鉆探來進行取芯鉆頭的制作，有效降低了鉆探成本。另外在鉆探施工時，根據金剛石鉆頭的相關參數來合理確定循環液的配比，提高了鉆探作業的效率。在本次鉆探作業中的循環液主要采用的是植物膠漿液，這樣在對較厚卵石層進行鉆進作業時就可以利用植物膠漿液所形成的膠膜來為孔壁提供有效的防護作用，避免孔壁發生漏漿以及坍塌等問題，提高了孔壁的穩定性。而且植物膠漿液還具有一定的潤滑功能，有效控制了鉆具振動對孔壁結構的影響，從而促進了采取巖芯作業效率的提高。而鉆探中所使用的泥漿成分主要包括0.5%～0.8%左右濃度的植物膠以及3%～5%左右濃度的膨潤土，同時將純堿的濃度控制在植物膠和膨潤土總量的4%～5%左右，此外還加入了濃度為0.2%的CMC約2 000×10-6。

在鉆探時應根據巖土工程勘察要求合理選擇工藝參數，在本次鉆探作業中將鉆頭的鉆壓控制在4～7 KN左右，并將轉速設定為250～300 rad/min，盡量減小泵量，防止孔壁受循環液沖刷影響而出現坍塌或漏漿等問題。鉆探過程中如果有漏漿情況發生時，施工人員可以向孔內直接倒入黏度為60 s左右的濃漿，同時應停止鉆進作業，并在孔內通過鉆具的高速旋轉來進行甩漿，直至徹底封堵漏點。

通過鉆探工藝的合理應用，有效提高該工程項目的巖土工程勘察采取巖芯的作業效率，減少了鉆孔孔壁坍塌等事故發生的概率，同時也降低了施工成本，減少了鉆探循環液等對環境的污染。

4 結語

由于我國地質條件比較復雜，因此在工程建設中必須高度重視巖土工程勘察工作，而鉆探工藝對于巖土工程勘察的效果具有重要的影響。勘察單位在鉆探施工前應全面收集被測區域的地質資料，并根據被測區域巖土體的不同特點以及工程的具體要求合理制定鉆探計劃，提高鉆探設備以及技術工藝選擇的合理性，為工程建設提供更加可靠準確的地質數據。此外，勘察部門還應積極總結鉆探經驗，對現有的技術工藝進行完善和創新。