钻探工艺在岩土工程勘察中的应用分析_王延宏.pdf

1、钻 探 工 艺 在 岩 土 工 程 勘 察 中 的 应 用 分 析王 延 宏(安 徽 省 地 勘 局 第 一 水 文 工 程 地 质 勘 查 院 安 徽 蚌 埠 233000)作 者 简 介 王 延 宏(1986年),汉,男,安 徽 淮 北,大 专,中 级 工 程 师,研 究 方 向:探 矿 工 程。摘 要 勘 察 作 业 是 岩 土 工 程 重 要 环 节 之 一,能 够 直 接 决 定 后 续 施 工、监 测 作 业 的 开 展,而 钻 探 工 艺 作为 常 用 勘 察 手 段,其 在 岩 土 工 程 中 发 挥 着 重 要 作 用。基 于 此,首 先 探 讨 岩 土 工 程 勘 察 中

2、的 钻 探 工 艺 应 用,进 一 步 结 合 工 程 实 例 展 开 针 对 性 分 析,旨 在 明 确 钻 探 工 艺 重 难 点 及 注 意 事 项,确 保 岩 土 工 程 勘 察 质 量。关 键 词 钻 探 工 艺;岩 土 工 程 勘 察;工 艺 应 用 引 言钻 探 工 艺 主 要 是 借 助 钻 进 钻 孔 了 解 岩 土 工 程 地质 岩 性 及 地 下 资 源 的 技 术,是 现 阶 段 应 用 较 为 广 泛 的工 艺。此 外 通 过 钻 探 工 艺 所 获 得 的 信 息 数 据 将 成 为岩 土 工 程 勘 察 的 第 一 手 资 料,结 果 是 否 准 确 能 够 直

3、接决 定 后 续 工 程 建 设 情 况,尤 其 对 于 复 杂 地 质 而 言,若钻 探 工 艺 选 择 或 应 用 不 当,则 无 法 准 确 把 握 勘 察 范 围内 的 地 层 结 构 情 况 及 岩 土 真 实 力 学 参 数。为 保 障 岩土 工 程 建 设 质 量,需 加 大 对 钻 探 工 艺 的 重 视。1.岩 土 工 程 勘 察 中 的 钻 探 工 艺 应 用 分 析图1为 四 种 常 见 类 型 地 层 类 型 的 钻 探 结 构,以 下进 行 针 对 性 分 析。图1 四 种 常 见 地 层 类 型 的 钻 探 结 构(1)上 层 硬 粘 性 土、下 层 完 整 岩 体

4、。如 图1(a)所示,该 类 情 况 适 宜 采 用 锤 击 冲 击 方 式,还 借 助 给 水 回转 钻 工 艺。(2)上 层 硬 粘 性 土、下 层 有 洞 岩 体。对 下部 岩 体 存 在 裂 缝 或 洞 穴 的 情 况,其 上 层 部 分 可 采 用 常规 性 钻 进 方 式,但 对 于 裂 缝 或 洞 穴 部 分,要 于 钻 进 期间 运 用 套 管 进 行 隔 离,多 层 洞 穴 或 裂 缝 产 生 复 杂 化 钻孔 环 境,存 在 钻 孔 漏 水、钻 孔 弯 曲、温 度 异 常 等 孔 内 事故 隐 患,在 钻 探 技 术 应 用 下,需 设 置 多 层 套 管,将 中 心钻 孔

5、 半 径 控 制 在5.5cm,采 用 合 金 回 转 钻 进 工 艺,用冲 洗 液 流 量 变 化 及 颜 色 分 析 岩 层 溶 蚀 规 模 1。(3)上层 易 垮 土 层、下 层 完 整 岩 体。在 易 垮 土 层 钻 进 期 间,应 注 意 设 置 护 臂,维 持 孔 壁 稳 定 性,而 下 部 完 整 岩 体可 直 接 进 行 裸 孔 钻 进(4)上 层 易 垮 土 层、下 层 有 洞 岩体。上 层 设 置 跟 管 护 壁,选 用 锤 击 冲 击 方 式 进 行 钻探,下 层 设 置 套 管 护 壁 或 泥 浆 护 壁,借 助 回 转 钻 进 工艺 进 行 勘 察,具 体 如(图1d

6、)所 示。2.实 例 分 析2.1实 例 概 况某 岩 土 工 程 为 市 政 道 路 工 程 分 项 工 程,是级 主干 路,经 综 合 分 析 与 预 测 后,将 该 主 干 路 设 计 车 速 定为 每 小 时80km,其 中 包 括 路 桥 结 构,为 该 市 场 道 路 工程 的 重 难 点,主 桥、引 桥 分 别 为0.77km、0.9km,为 确保 道 路 与 桥 梁 部 分 稳 定 建 设,夯 实 基 础,降 低 安 全 隐患,应 针 对 市 政 道 路 工 程 区 域 范 围 的 岩 土 构 造 情 况 进行 全 面 勘 测,为 道 路、桥 梁 的 施 工 设 计 提 供 真

7、 实 数 据支 撑。2.2地 层 岩 性按 照 市 政 道 路 工 程 实 际 情 况 选 定 岩 土 工 程 勘 察范 围,发 现 该 岩 土 工 程 地 层 由 第 三 系 粉 砂 质 泥 岩、第四 系 松 散 堆 积 层 构 成 2。(1)第 三 系 粉 砂 质 泥 岩。该岩 土 工 程 粉 砂 质 泥 岩 为 泥 钙 质 结 构,整 体 呈 灰 绿 色,5 2 0 水 文 地 质、环 境 地 质、工 程 地 质DOI:10.16631/15-1331/p.2022.06.015夹 杂 部 分 棕 红 色 粉 砂 质 泥 岩,岩 层 厚 度 呈 层 状,中、薄混 合。粉 砂 质 泥 岩

8、内 存 在 风 化 裂 隙 现 象,经 勘 察 后 发现 节 理 裂 隙 面 具 有 铁 锰 质,且 岩 芯 多 为 柱 状,其 中 夹杂 部 分 饼 状、块 状 岩 芯,节 长 处 于530cm范 围 内 不等,采 用 锤 击 工 艺 时,发 现 锤 击 声 哑,能 够 较 为 简 单 地将 其 击 碎,故 判 断 其 为 软 岩。同 时 岩 体 相 对 完 整,最终 将 案 例 岩 土 工 程 岩 体 质 量 等 级 判 定 为级,岩 石 顶面 埋 深 与 控 制 厚 度 的 范 围 分 别 为15.0327.79m、28.1345.80m,岩 芯 质 量 指 标 为5570。(2)第 四

9、 系 松散 堆 积 层 由 卵 石、粉 砂、粉 质 黏 土 构 成,整 体 岩 层 厚 度较 大 且 结 构 较 为 松 散。其 中 卵 石 层 主 要 为 石 英,呈 现出 浑 圆 状 特 征,整 体 分 布 差 异 大,存 在 中 密 状 分 布、饱和 状 分 布、稍 密 状 分 布 等 形 式,此 外,卵 石 层 结 构 致 密坚 硬,内 部 存 在 的 黏 性 土、中 粗 砂 等 填 充 骨 架,使 卵 石层 不 易 击 碎。卵 石 层 顶 面 埋 深 与 层 厚 的 范 围 分 别 为412.60m、7.1016.70m,卵 石 层 平 均 厚 度 为11.98m。而 粉 砂 层 整

10、 体 呈 中 密 状 与 饱 和 密 状,顶 面 埋 深与 层 厚 的 范 围 分 别 为0.7010.60m、3.906.80m,其平 均 厚 度 经 计 算 后 发 现 为5.58m。2.3钻 探 工 艺2.3.1重 难 点 分 析案 例 岩 土 工 程 存 在 丰 富 的 地 下 水,地 质 条 件 相 对复 杂,岩 土 工 程 勘 察 区 域 内 具 有 卵 石 层、粉 砂 层 等 松散 堆 积 层 结 构,经 钻 探 勘 察 后 发 现 卵 石 层 区 域 内 厚 度最 高 可 达16.7m,因 工 程 所 属 项 目 特 殊 性,部 分 钻 孔作 业 需 于 江 面 上 进 行 作

11、 业,由 此 可 见,该 此 岩 土 工 程钻 探 勘 察 难 度 极 高。除 此 之 外,江 面 水 位 处 于 动 态 变化 中,水 位 动 态 变 化 对 地 层 划 分 造 成 极 大 干 扰,为 该次 钻 探 勘 察 的 难 点 之 一。在 卵 石 层、粉 砂 层 的 地 质 钻探 钻 进 期 间,存 在 卡 钻、垮 孔 等 隐 患,进 一 步 提 升 了 施工 难 度。同 时,在 复 杂 严 峻 的 地 质 条 件 下,将 对 钻 探材 料、机 械 设 备 造 成 极 大 的 磨 损 与 损 耗,所 需 工 时 较长,且 造 成 了 成 倍 成 本 增 加 3。2.3.2钻 孔 定

12、 位案 例 岩 土 工 程 环 境 复 杂,为 确 保 钻 探 工 艺 实 施 效果,应 于 正 式 钻 探 前 做 好 前 期 准 备 工 作,尤 其 是 钻 孔定 位,防 止 出 现 钻 孔 误 差,杜 绝 钻 探 数 据 与 实 际 情 况不 符 的 情 况。由 于 该 岩 土 工 程 为 市 政 道 路 工 程 分 项工 程,钻 孔 定 位 坐 标 系 统 与 高 程 系 统 需 与 整 个 市 政 道路 工 程 施 工 采 用 一 致 标 准。为 保 障 钻 孔 定 位 规 范,制定 误 差 允 许 偏 差 标 准,如 表1所 示,同 时 需 按 照 工 程地 质 钻 探 标 准CE

13、CS240:2008 规 定,要 求 按 照 地 层情 况 选 择 适 宜 钻 探 方 法,考 虑 到 案 例 岩 土 工 程 地 下 水丰 富 的 情 况,应 严 格 控 制 钻 探 回 次、进 尺 钻 进 范 围,应尽 可 能 杜 绝 扰 动 问 题。表1钻 孔 定 位 允 许 偏 差项 目 允 许 偏 差初 步 勘 查 平 面 位 置2m初 步 勘 查 高 程0.2m详 细 勘 查 平 面 位 置1m详 细 勘 查 高 程0.1m 2.3.3施 工 要 点在 案 例 岩 土 工 程 施 工 期 间,主 要 选 择 金 刚 石 钻 头(口 径 为127mm)进 行 开 孔,采 用110mm

14、、130mm两 种 规 格 的 套 管 进 行 跟 管 钻 进,同 时 为 保障 钻 孔 质 量,钻 进 期 间 应 结 合 实 际 情 况 调 节 泥 浆 配 比及 钻 头 参 数,以 此 获 得 精 准 数 据 结 果。用 于 捞 取 岩 心的 钻 头 采 用 现 场 制 作 的 方 式 进 行 准 备,施 工 现 场 钻 头制 作 主 要 以 废 旧 磨 损 钻 头 为 原 材 料,进 行 资 源 再 利用,于 废 旧 磨 损 钻 头 前 端 设 置 钻 孔,将 钢 丝 绳 穿 入 孔内,在 钢 丝 绳 来 回 穿 梭 下 形 成 网 状 结 构,绳 尖 端 能 够向 上 牵 引,使 卵

15、 石 能 够 顺 利 进 入 孔 内,并 在 钢 丝 绳 帮助 下 将 钻 头 内 卵 石 固 定 支 撑,并 在 此 期 间 完 成 清 孔,高 效 便 捷,在 钻 进 期 间 若 无 法 及 时 清 孔,在 该 钻 头 应用 下 能 够 缓 解 卵 石 垮 塌 隐 患,表 面 卵 石 垮 塌 给 钻 具 带来 损 伤。由 此 可 见,现 场 制 作 钻 头 不 仅 快 捷 高 效,能够 实 现 资 源 再 利 用,降 低 成 本 损 耗,还 能 够 为 钻 探 清孔 提 供 便 利,降 低 卵 石 垮 塌 不 利 影 响。在 钻 进 期 间 不断 调 节 金 刚 石 钻 头 参 数 及 循

16、 环 液 配 比,在 两 者 相 互 作用 下 保 障 钻 探 勘 察 质 量,降 低 勘 查 误 差。案 例 岩 土 工程 存 在 卵 石 层 取 芯 困 难、容 易 塌 孔 的 作 业 隐 患,为 缓解 钻 探 期 间 清 水 对 易 垮 地 层 的 冲 击,钻 探 循 环 液 选 用SM植 物 胶 浆 液,该 浆 液 材 料 在 厚 层 卵 石 层 钻 进 期 间能 够 于 孔 壁 表 面 形 成 坚 韧 胶 膜,降 低 漏 浆、坍 塌、掉 块等 问 题 的 出 现 概 率,增 强 孔 壁 稳 定 性。SM植 物 胶 浆液 最 显 著 的 特 点 在 于 润 滑 效 果 强,能 够 有

17、效 缓 解 钻 具钻 进 期 间 的 振 动,提 升 岩 芯 采 取 率,并 降 低 因 振 动 引起 钻 具 的 磨 损 5。2.3.4混 合 浆 液在 案 例 岩 土 工 程 中,将 膨 润 土 与SM植 物 胶 浆 液混 合 能 够 制 成 混 合 浆 液,在 混 合 配 置 时,应 将 膨 润 土浓 度 控 制 在3%5%范 围 内,同 时 将SM植 物 胶 浆液 的 浓 度 控 制 在0.6%0.8%范 围 之 间,SM植 物 胶浆 液 与 膨 润 土 总 重 量4%5%是 纯 碱 的 浓 度,应 结合 配 置 情 况 进 行 计 算,此 外,将0.2%羟 甲 基 纤 维 素 填入

18、其 中,搅 拌 均 匀 后 即 可 应 用 4。若 于 钻 进 期 间 出 现6 2 0漏 浆 现 象,可 将 粘 度 至 少 为60s的 混 合 浆 液 直 接 加 入到 孔 内,钻 具 停 止 钻 进 并 高 速 旋 转,将 混 合 浓 浆 高 速甩 至 孔 壁 表 面,以 此 起 到 堵 漏 效 果。当 出 现 漏 浆 现 象后 不 可 顶 漏 钻 进,防 止 出 现 孔 壁 坍 塌 事 故。2.3.5规 程 参 数选 择 钻 进 规 程 参 数 期 间 应 以“小 泵 量、中 速、低压”为 依 据,力 图 实 现 平 稳 钻 进,若 于 该 过 程 中 发 生 漏浆 现 象,可 用 粘

19、 度60s以 上 的 混 合 浓 浆 进 行 弥 补。在案 例 岩 土 工 程 项 目 中,将 钻 进 转 速 控 制 在250300r/mi n范 围 内,钻 压 范 围 为57kN,并 于 钻 进 期间 尽 可 能 缩 小 泵 量,将 泵 量 控 制 在2540L/mi n范围 内,以 此 减 缓 循 环 液 对 孔 壁 的 冲 击 作 用,避 免 卵 石层 钻 孔 期 间 出 现 塌 孔 等 问 题。岩 土 工 程 钻 孔 取 芯 作业 期 间,以 不 塌 孔 为 原 则 下 入 适 当 套 管,钻 具 下 入 孔内 先 低 压 慢 转,待 钻 头 阻 力 正 常 后 稳 定 钻 进,钻

20、 进 过程 中 不 可 随 意 调 整 参 数,杜 绝 提 动 钻 具 问 题,避 免 岩芯 堵 塞。钻 入 卵 石 层 超 过10cm后 再 提 钻,用 于 保 障卵 石 层 稳 定 性。经 上 述 钻 进 规 程 参 数 控 制 后,能 够 有 效 规 避 卵 石层、粉 砂 层 钻 进 期 间 的 垮 孔 难 题,并 可 在 一 定 程 度 上提 升 岩 芯 采 取 率,降 低 孔 内 事 故 发 生 率,继 而 提 升 施工 速 度,减 少 钻 探 勘 察 施 工 成 本。该 岩 土 工 程 通 过 对钻 进 规 程 参 数 控 制 保 障 了 循 环 液 使 用 效 率,并 对 循 环

21、液 肆 意 流 淌 产 生 了 抑 制 作 用,避 免 浪 费 并 防 止 污 染 现象,故 而 提 升 了 该 次 钻 探 勘 察 生 态 效 益 及 经 济 效 益,并 为 后 续 路 桥 施 工 设 计 奠 定 了 基 础 6。2.4造 斜 钻 进对 该 市 政 路 桥 工 程 进 行 岩 土 勘 探 时,因 地 形 限制,部 分 钻 孔 需 造 斜 设 置,在 此 期 间,需 引 入 螺 杆 马 达设 备,在 螺 杆 马 达 支 撑 下 定 向 造 斜。定 向 造 斜 钻 孔 需规 格 为 每15m造 斜2,直 至 钻 孔 能 够 满 足 地 质 勘 探需 求,使 钻 探 作 业 符

22、合 河 流 地 形 地 貌。在 该 岩 土 案 例工 程 中,造 斜 钻 进 钻 孔 参 数 如 表2所 示。表2造 斜 钻 进 参 数造 斜 孔 深/(m)方 位 角/()倾 角/()造 斜 前 造 斜 后380 40 80 78395 40 78 76410 40 76 74425 40 74 72440 40 72 70455 40 70 68470 40 68-在 造 斜 钻 进 期 间,与 其 他 钻 探 工 艺 一 致,选 用 金刚 石 钻 头,考 虑 到 案 例 地 层 岩 心 采 取 率 及 冲 洗 液 泵压,选 用 多 个 钻 头 水 口,并 结 合 实 际 情 况 减 少

23、水 槽 断面(案 例 参 数 为5mm),以 此 确 保 钻 探 岩 心 采 取 率。确 定 造 斜 钻 探 参 数 后,选 用LZ65型 螺 杆 钻 具,将 钻压、流 量、转 速 分 别 控 制 为6kN、1.53.0L/s、320r/mi n。采 用 造 斜 钻 探 工 艺,减 少 了 钻 探 孔 数,提 升 了钻 探 工 艺 效 率,在 一 定 程 度 上 缩 减 了 岩 土 工 程 勘 探 工期(较 原 技 术 工 期 减 少 了10d),效 果 显 著。2.5结 果 分 析案 例 岩 土 工 程 项 目 在 钻 探 勘 查 期 间 共 设 置28个钻 孔,钻 孔 质 量 与 效 率

24、兼 顾,最 终 全 部 顺 利 成 孔,钻 孔成 功 率 百 分 之 百,且 经 质 量 检 查 与 验 收 后,最 终 判 定岩 芯 采 取 率 符 合 工 艺 设 计 标 准。在 保 障 取 芯 率 合 格的 同 时,案 例 工 程 应 用 螺 杆 钻 定 向 钻 探 技 术 后,减 少钻 探 工 程 量362.02m,缩 减 勘 察 成 本 约29.96万 元,成本 效 益 优 秀。通 过 该 次 钻 探 勘 察,明 确 了 市 政 路 桥 范围 内 的 水 文 地 质 条 件、工 程 地 质 条 件、岩 土 体 地 质 特征,勘 察 结 果 满 足 后 续 路 桥 施 工 设 计 要

25、求,为 市 政 路桥 结 构 的 总 体 设 计 及 实 际 施 工 提 供 了 真 实 可 靠 的 地质 数 据。结 束 语综 上 所 述,钻 探 工 艺 的 选 择 应 以 岩 土 工 程 实 际 情况 为 依 据,在 明 确 各 类 钻 探 工 艺 适 用 范 围 的 基 础 上 进行 技 术 选 择,立 足 于 实 际,为 高 质 量 岩 土 工 程 勘 察 奠定 基 础。我 国 幅 员 辽 阔,不 同 区 域 的 地 质 条 件 差 异 较大,为 确 保 岩 土 工 程 顺 利 推 进,应 在 选 择 适 宜 工 艺 基础 上,规 范 操 作,并 适 时 引 进 先 进 技 术,提

26、高 钻 探 勘 察准 确 性。参 考 文 献 1 展 嘉 佳.工 程 勘 察 中 钻 探 工 艺 选 取 探 析 J.冶 金 管 理,2021(01):100-101.2 葛 化 永,王 媛.岩 土 工 程 勘 察 中 钻 探 工 艺 的 选 取 J.现代 盐 化 工,2020,47(06):106-107.3 傅 敏 辉.岩 土 工 程 勘 察 中 钻 探 技 术 要 点 分 析 J.世 界 有色 金 属,2020(03):254+256.4 黄 芝 权.确 保 岩 土 工 程 钻 探 质 量 应 注 意 的 问 题 J.工 程技 术 研 究,2019,4(14):182-183.5 张 传 军.岩 土 工 程 勘 察 中 钻 探 工 艺 的 选 择 分 析 J.中 小企 业 管 理 与 科 技(下 旬 刊),2020(11):167-168.6 卢 剑 星.岩 土 工 程 勘 察 中 对 钻 探 工 艺 的 研 究 J.智 能 城市,2019,5(16):71-72.7 2 0 水 文 地 质、环 境 地 质、工 程 地 质