鉆探技術在工程勘察中的應用

李樹德

摘要:隨著工程地質勘察技術程度的越來越成熟，準確的分析評價工程地質狀況越來越受到重視，因此鉆探技術的應用越來越廣泛，已經成為勘察中必不可少的手段。本文從鉆探的技術特點對工程地質鉆探技術進行了分析和闡述。

關鍵詞:工程地質勘探 鉆探

中圖分類號：P2文獻標識碼： A

鉆探工程的進行，是為了通過鉆探取樣、樣品分析、現場工程地質測試,以獲取建筑基礎的地質資料和巖土層的各項參數,為工程選址，施工設計提供依據。

1、工程地質鉆探的特點及適用條件

在工程地質勘察中,鉆探是最基本最常用的勘探手段。不同類型的建筑物,不同的勘察階段,不同的工程地質條件下,勘察的技術要求也不盡相同。與地質找礦鉆探相比,工程地質鉆探的特點是:

(1) 鉆孔多具綜合性目的,一個鉆孔除了需查明地層巖性、地質結構和水文地質條件外,還要作各種試驗、取樣。有些試驗往往與鉆進同時進行,所以進尺較慢。

(2)鉆進深度一般不大,除了大型水利工程,深埋隧道以及為了解專門的地質問題(如控測深巖溶)外,孔深均為十余米至數十米,所以經常采用簡易鉆探法和輕便鉆機。

(3) 勘探工程鉆孔布置,不光要考慮自然地質條件,還需結合工程類型及特點。如水壩一般應順壩軸線布孔,工業與民用建筑則需按建筑物的輪廓線布孔等。

(4)工程地質鉆探在鉆進方法、鉆孔結構、鉆進過程中的觀測編錄等方面,均有特殊的要求。

與物探、坑探相比較,鉆探工作有其獨特的優點,它可以在各種環境下進行,不受地形地質條件的限制。它能直接觀察巖心和采樣,勘探精度高?？碧缴疃却?不受地下水的限制,鉆進速度也較快,這是坑探所不能比擬的。

2、工程地質鉆探的特殊要求

工程地質鉆探是為工程建筑物的設計、施工服務的,它多具綜合性目的,因而在鉆進方法、鉆孔結構、鉆進進程中的觀測編錄等方面均有特殊要求。

工程地質鉆探對巖心采取率要求較高,一般巖層不能低于80%;對工程建筑物至關重要的軟弱夾層和斷層破碎帶也不能低于60%,但往往不易取得巖芯。為保證獲取較高的巖心采取率,針對不同的勘探對象應采用相應的鉆進方法。如在軟弱地層或斷層破碎帶中鉆進時,要采用泥漿護壁,降低鉆速,縮短鉆程,最好采用雙層巖心管。

為了保證準確地測定地下水位和水文地質試驗工作的正常運行,必須按含水層的位置和試驗工作的要求,確定孔身結構及鉆進方法。對不同的含水層要換徑并分層止水,加以隔離。含水層愈多,換徑和分層止水的次數就愈多。一般的工程地質鉆孔終孔直徑為91mm,根據換徑次數及位置,即可確定孔身結構。若在基巖面以上的砂卵石層中作抽水試驗干鉆,不允許使用泥漿加固孔壁的辦法。一般鉆孔要直,不能發生彎曲;孔壁要求光滑規則,同一孔徑段應大小一致。這些要求在鉆探操作工藝上給予滿足。

3、工程地質鉆探常用的鉆探方法和設備

自然地質條件是復雜的,各種鉆探方法和設備都有一定的使用條件,選擇鉆探方法和設備時,應視鉆探的目的和地質條件而定。鉆探方法可分為沖擊鉆探、回轉鉆探、沖擊回轉鉆探和振動鉆探等4種。在工程地質勘探中主要采用沖擊鉆探和回轉鉆探:按動力來源又可將它們分為人力的和機械的2種。機械回轉鉆探鉆進效率高,孔深大,又能采取巖心,所以在工程地質勘探中使用最為廣泛。目前,國內外正在大力革新鉆探技術,逐步朝著全液壓驅動、儀表控制、勘探與測試相結合的方向發展。

為了研究工程土體的物理力學性質,在工程地質勘察中,應結合勘探工作采取原狀土樣。為了取得質量可靠的原狀土樣,則必須配備專門的取土器,還應注意取樣方法和操作工序,以盡量使土樣不受或少受擾動。為達到上述的特殊要求,鉆探人員應嚴格按規定操作,不能盲目追求進尺。但是在鉆孔中采取原狀土樣時受到很多因素影響,其中主要的是取土器的結構。取土器主要有限制球閥式取土器、上提橡皮墊活閥式取土器、回轉壓入式取土器和水活塞式取土器4種,這4種取土器適用于采取粘性土的原狀土樣。采取砂類土和飽水軟粘土就比較困難了,需要使用特制的取土器。如采用厚壁管靴長筒上提活閥式取土器,反旋活閥分節取土器和真空活塞取砂器等,采取地下水位以下的原狀砂類土和軟粘土樣,效果較好。原狀土樣的采取方法主要有3種:

(1) 振動法:當振動鉆進時,可利用振動器的振動作用將取土器壓入土中。這種方法對土樣的邊緣部分擾動較大。易受振動液化的土層不適用。

(2)壓入法:適用于較軟的土層中取樣,又可分為連續壓入和斷續壓入法。連續壓入法是借助活塞油壓筒或鋼繩滑輪組合裝置,將取土器一次快速均勻地壓入土中,土樣的擾動較小,當采用連續壓入法無法將取土器壓入土層時,則可采用斷續壓入法。

(3) 擊入法:適用于較硬的土層中取樣,又可分為孔外及孔內的輕錘多擊法和重錘少擊法。實踐證明,孔內的重錘少擊法取樣效果好,效率高而且土樣擾動小。

為了保證土樣的質量,除了對取土器和取土方法進行選擇外,還應注意鉆探方法；及時清除孔內殘土；土樣及時用石蠟封存；運輸時輕拿輕放等各項問題。

4、工程地質勘探鉆孔類型及其適用條件

鉆孔的類型指的是鉆孔的角度及其方向。鉆孔的角度即是鉆機的立軸鉆桿與地平線的夾角,也叫做鉆孔傾角。按照鉆孔傾角及其變化情況,可將鉆孔分為鉛直孔、斜孔、水平孔和定向孔4種。在進行工程地質勘探時,為了能取得盡可能多的地質資料,又節省鉆探工作量,鉆進方向最好與不同巖性接觸面或斷層面垂直。

(1) 水平孔

傾角多為0°。一般在坑探工程中布置,可作為平硐、石門的延續,用以查明河底地質結構、進行巖體應力量測、超前探水和排水。在河谷斜坡地段用以探查岸坡地質結構等效果比較好。

(2)斜孔

傾角小于90°,且應定出傾斜的方向。當沉積巖層傾角較大(>60°),或陡傾的斷層破碎帶,常以與巖層或斷層傾向相反的方向斜向鉆進。在水利水電工程地質勘探中,常用斜孔探查河床下的地質結構。尤其是在河床不很寬而水流湍急的峽谷中,可在兩岸以斜孔向河底交叉鉆進,既可較好地控制河床下的地質結構,又可以養活或避免河中布孔進行水上鉆探的困難。

(3) 直孔

傾角90°。在工程地質鉆探中此類孔最常用,適于查明巖漿巖的巖性巖相、巖石風化殼、基巖面以及第四紀覆蓋層厚度及性質、緩傾角的沉積及斷裂等。作壓水試驗的鉆孔一般都采用鉛直孔。

(4)定向孔

采用一些技術措施,可使鉆孔隨著深度的變化有規律地彎曲,進行定向鉆進,如巖層上緩下陡進,或在1個孔中控制多個定向分枝孔,共同鉆探同一目的層,或在1個孔中控制多個定向分枝孔,共同鉆探同一目的層。定向鉆進的技術措施比較復雜。近年來,國內外廣泛采用在1個孔位上鉆多個不同方向的定向斜孔的布置方案,效果極佳。

5、結語

工程地質條件的不同決定了鉆探工藝的差別，從而導致工程地質鉆探方法和設備有所選擇性。因此工作人員有必須加強對鉆探技術的學習和認識，提高自己的作業水平。