土工程勘察中鉆探設(shè)備及工藝的選擇

我國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖土層物性變化較大。本文將從以下幾個(gè)方面對巖土工程勘察中的鉆探工藝進(jìn)行探討。

巖土工程基本任務(wù)是查明施工場地土層類型、深度、分布、等工程地質(zhì)特征，包括現(xiàn)場鉆探、原土取樣、實(shí)驗(yàn)室分析和現(xiàn)場進(jìn)行原位測試等方面，為后續(xù)施工提供準(zhǔn)確的巖土物理力學(xué)指標(biāo)和巖土特性分析。

巖土工程勘探是工程建設(shè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，是所有工程開展的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性直接影響工程建設(shè)的質(zhì)量、安全、工期和投資效益。

我國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖土層物性變化較大。本文將從以下幾個(gè)方面對巖土工程勘察中的鉆探工藝進(jìn)行探討。

1 鉆探設(shè)備及工藝

巖土勘探利用鉆機(jī)控制鉆具從地表向地下鉆進(jìn)，在地下形成圓柱形鉆孔，并通過鉆孔獲取處于不同深度下的巖芯、土、水樣品，送往實(shí)驗(yàn)室分析取得第一手基礎(chǔ)資料的手段。巖土勘測綜合性強(qiáng)、工藝復(fù)雜，不僅對地層、測定界限要準(zhǔn)確劃分，還要進(jìn)行原位測試，原狀土采集。因此，鉆探技術(shù)的高低和鉆探方法的選擇對整個(gè)勘察的質(zhì)量起決定性作用。

1.1 鉆探設(shè)備

鉆探設(shè)備是能夠完成鉆孔所必需的一切技術(shù)裝備的總和，一般包括鉆機(jī)、鉆探用泵、空氣壓縮機(jī)、動(dòng)力機(jī)和傳動(dòng)裝置以及與之配套的鉆塔、擰管裝置等。按其裝載方式，可分為整體式和組裝式，前者依據(jù)可移動(dòng)性而分為固定式、拖引式和自行式三種。依據(jù)巖土鉆探設(shè)備用途可分為工程地質(zhì)、水文水井、工程施工、巖芯和取樣鉆探設(shè)備等。

工程地質(zhì)鉆探設(shè)備常用于工業(yè)和民用建筑、橋梁、道路和碼頭等基礎(chǔ)設(shè)施的工程地質(zhì)勘察鉆進(jìn)。水文水井鉆探設(shè)備專門用于水文地質(zhì)勘察孔和水井的鉆進(jìn)。工程施工鉆探設(shè)備用途繁多，特點(diǎn)各異。巖芯鉆探設(shè)備和取樣鉆探設(shè)備能夠在巖石、土層或混凝土結(jié)構(gòu)中鉆進(jìn)取樣勘察。

1.2 鉆進(jìn)方法

鉆進(jìn)方法是指在鉆探或鉆井工程中，向地下鉆進(jìn)時(shí)，破碎孔/井底巖石所采取的一切方法和技術(shù)總稱。依據(jù)鉆進(jìn)工藝可分為：正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、反循環(huán)鉆進(jìn)、振動(dòng)鉆進(jìn)、螺旋鉆進(jìn)、沖抓錐(斗)鉆進(jìn)、潛水鉆進(jìn)、沖擊鉆進(jìn)。按鉆進(jìn)時(shí)是否采取巖芯，又可分為取芯鉆進(jìn)與不取巖芯鉆進(jìn)。按回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)破碎巖石所使用的磨料，又分為硬質(zhì)合金鉆進(jìn)、鉆粒鉆進(jìn)和金剛石鉆進(jìn)等。

2 不同地層的鉆探工藝

2.1 粘性土(可塑偏軟/硬粘性土)

針對軟弱粘性土強(qiáng)度低、壓縮性很大且滲透系數(shù)很小、觸變性及流變性大等特點(diǎn)，可采取重錘沖擊鉆進(jìn)和長/短螺旋鉆進(jìn)，如果鉆探環(huán)境位于地下水位以下，可采取套管螺旋鉆進(jìn)或沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。重錘沖擊鉆進(jìn)效率比較低，且對孔底附近一定范圍內(nèi)地層有擾動(dòng)。

螺旋鉆進(jìn)通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋鉆桿在鉆壓作用下使鉆頭回轉(zhuǎn)吃入地層，將地層按螺旋線逐步切削，切刮下的土質(zhì)碎屑沿螺旋葉片上返到孔口，該方法鉆進(jìn)效率高且不用清洗設(shè)備。長螺旋鉆進(jìn)直徑應(yīng)小于1m，深度不超過15～20m之間。短螺旋鉆進(jìn)屬于非連續(xù)型鉆機(jī)，較之長螺旋鉆效率稍低，其孔徑多在2～3m內(nèi)，鉆進(jìn)深度一般小于30m，最深不超過50m。

沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)對泥漿比例要求較高(表1)，避免水流將鉆進(jìn)土層沖散混入泥漿。必要時(shí)可在回次終了時(shí)，停止送水，增加干鉆進(jìn)尺距離已獲得土層樣品，或采用雙動(dòng)雙管取心鉆具。 對于硬塑狀粘性土，一般的螺旋鉆進(jìn)在土的粘性較大時(shí)易發(fā)生埋鉆或鉆桿折斷的現(xiàn)象，且對土層擾動(dòng)較大，應(yīng)盡量選用小肋骨鉆頭，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)分)液動(dòng)、氣動(dòng)和氣液混合動(dòng)力三種，具有效率高、鉆具轉(zhuǎn)速低、鉆頭壽命長和孔內(nèi)事故少等特點(diǎn)。

液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)以清水或泥漿形成高壓作為動(dòng)力，鉆孔直徑一般為56-130mm，最大不超過400mm，鉆孔深可達(dá)800-1000m;氣動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)以高壓空氣為動(dòng)力，鉆孔直徑介于65-228mm之間，最大可達(dá)到762mm。施工中，應(yīng)先慢速鉆進(jìn)，使鉆頭切入土層后改用中速轉(zhuǎn)進(jìn)，可加快鉆進(jìn)速度且鉆具提升阻力小。

2.2 砂層

該地層的鉆探工藝與砂粒粒徑有很大關(guān)系，且受地下水影響較大。螺旋鉆進(jìn)適合砂土中粘粒含量較高且砂粒主要為粉細(xì)砂的地質(zhì)環(huán)境，如果需深孔鉆進(jìn)，可在施工后期換用小直徑螺旋鉆。粉細(xì)砂雜粘性土情況下，應(yīng)降低鉆速，減小鉆進(jìn)壓力，泵量調(diào)整至適中。回次終了前，應(yīng)以泥漿清洗鉆孔，將孔內(nèi)懸浮的粉細(xì)砂帶入泥漿池后方可停泵，減小沉砂卡鉆事故發(fā)生的幾率，停泵后干鉆0.3-0.5m，確保巖心不脫落。

對于中粗砂、礫沙以及地下水位以下的沙土，一般采用品字形硬質(zhì)合金鉆頭，低轉(zhuǎn)速，灌漿泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)，過程中需不斷浮動(dòng)鉆具，慢提快放，形成空底反循環(huán)(其推薦參數(shù)可見表1)。因鉆頭外徑略大于巖芯管，所以能很好地約束巖芯管，確保巖芯的原始結(jié)構(gòu)。沒回次終了前，以泥漿清洗鉆孔，去除空中懸浮粗、礫沙，防止沉砂卡鉆。最后停泵干鉆0.2-0.3m，停止浮動(dòng)鉆具精細(xì)干燒，防止鉆孔周壁坍塌造成廢孔，并帶出巖芯樣品。

2.3 卵石層

該層鉆探工藝受地層厚度、密實(shí)度、含水率和粘性土填充情況影響，不同地層情況應(yīng)選用不同鉆探工藝。地層厚度不大時(shí)，可采用泥漿護(hù)壁回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，地層厚度大，粘性土含量低時(shí)可采用跟管鉆進(jìn)。跟管長度3-6m，鉆速30-60r/min，盡量保證進(jìn)尺的連續(xù)性和順利性。

地層密實(shí)度較高時(shí)，可采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，為防止孔壁坍塌，可采用投入粘土球的方法，對孔壁進(jìn)行暫時(shí)保護(hù)。出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)加大泥漿濃度或鉆進(jìn)一定深度后，拔出鉆具，放入跟管繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆速以20-40r/min為宜，對于套管中可能留有卵石，導(dǎo)致絲扣脫滑現(xiàn)象，可采用反絲套管。砂層和卵石層鉆進(jìn)過程中，高質(zhì)量的泥漿可有效防止孔壁的坍塌，對泥漿技術(shù)要求可見表2：

3 總結(jié)

我國廣袤的環(huán)境和變化多端的地質(zhì)條件為巖土工程勘察提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。伴隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，應(yīng)對各類地質(zhì)環(huán)境的鉆探工藝相繼被研發(fā)。由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，很難采用某一方法或數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)根據(jù)待勘測場地、任務(wù)要求綜合對比各種鉆探技術(shù)方案，靈活選用適宜的鉆探技術(shù)方法。施工過程中應(yīng)注意收集場地及附近區(qū)域地層資料，對方案適時(shí)修正，達(dá)到少走彎路、科學(xué)勘探的目的。