不同成因深厚覆蓋層鉆探技術探討

左重輝

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 深厚覆蓋層的概念及特性

地殼表層存在著各種各樣的松散層，我們把堅硬巖石表面的松散堆積物統稱為覆蓋層，包括各類土層、砂卵礫石、淤泥等。

什么是深厚覆蓋層？目前未有明確的定義，曾經有人提出大于150 m稱為深厚覆蓋層。從工程意義上看，應當與工程地質相結合來綜合分析，按工程的要求來說，一般存在于建筑物下部，有足夠深度，不能清除或清除代價相當大的覆蓋層可統稱為深厚覆蓋層。如果從數量上劃分，筆者認為大于30 m就可以稱之為深厚覆蓋層了。

覆蓋層的成因是多種多樣的。從沉積環境看，有海相和陸相沉積，陸相沉積又分為河相、湖相、河湖混合相等。從搬運沉積物的地質營力分，有風積、沖積、洪積、冰積等。因沉積環境、沉積方式、沉積地點的不同，其粒徑大小、顆粒級配、松散程度、物理力學性質差別是很大的。深厚覆蓋層作為建筑物地基，應按照設計結構要求或經過一定技術處理能滿足建筑物的應力和防滲等地基要求。

要評價某工程區覆蓋層是否滿足建筑物對地基的要求，應采取一定的手段和方法，查明覆蓋層厚度、顆粒組成、松散程度、承載能力、滲透系數等數據。勘探中，除物探、槽坑探、豎井、試驗和等勘探手段和方法外，鉆探是必不可少的重要手段，特別是深厚的砂礫石層，對鉆進中的鉆探工藝有較高的要求。

2 不同成因覆蓋層的勘探手段和方法

我國幅員遼闊，氣候條件、氣象條件、地形地質條件差別十分巨大。不同地區，其覆蓋層的厚度、顆粒組成、工程地質性質不同，在設計工程建筑物時，對地基的利用是不一樣的。

沖積砂卵礫石是常見的覆蓋層類型，分布非常廣泛，在大江大河普遍存在，其主要差別在于厚度和粒徑大小不同。一般來說，其承載力可達（300~500）kP，一般情況下能滿足建筑物對地基承載力的要求。但由于松散程度和顆粒級配不同，滲透系數差別很大，大者滲透系數可達10-1cm/s，小者可能僅10-3cm/s左右。為了解砂礫石的厚度、分布位置和滲透特性等，采用鉆探和滲透試驗是主要勘探手段和方法。

因不同環境下沉積的覆蓋層，其粒徑和緊密程度差別很大，承載力難以經驗來估算，滲透系數比純砂礫石差別更大，很難用類比的方法來確定地質參數，只有通過現場標貫、載荷試驗和滲透試驗才能取得較準確的地質參數。因此，采用鉆探和孔內試驗是必須的。

為研究和獲取覆蓋層的深度、物質組成、物理力學性質和水理性質等有關資料，要有一定的勘探手段，傳統的鉆探和孔內試驗是非常有效的方法。但有些鉆探工藝和技術已經不能適應時代的需要，從技術進步及經濟效益的要求出發，既要滿足最大限度獲得各種地質參數的要求，又要提高工作效率和經濟效益，鉆探工藝需要不斷改進。

3 不同地區深厚覆蓋層鉆探工藝實踐

近年來，湖南省水利水電勘測設計研究總院在湖南、四川、云南、新疆等省、區從事了許多工程地質勘探工作。遇到了厚度不一、性質差別大的各種覆蓋層。厚度從數十米到100多米，礫徑從細粒土到巨型漂礫，從緊密到松散，從水上到水下，各種情況都有所涉及。現介紹幾個實例與同仁探討。

（1）新疆塔日勒嘎水電站。

工程位于新疆克州克孜蘇河上游，壩址區右岸存在著沖洪積成因的深厚覆蓋層，最大深度118 m。

壩址右岸上部為洪積扇，厚度（30～60）m，其淺部（2～7）m范圍內結構稍密，下部結構密實。洪積扇內各粒徑組平均含量為：漂石（≥200 mm）33%、卵石或碎石（20 mm～200 mm）28%，礫石（2 mm～20 mm）19.7%，砂（0.075 mm～2 mm）9%，泥（≤0.075）10.3%，不均勻系數 Cu=2 000，曲率系數Cc=56.55，為級配不良的混合型含土碎石。漂石、卵石或碎石的主要成分為砂巖，磨圓度較差，以次梭角形為主。下部為被掩埋的古河床及階地堆積，砂卵礫石厚度（60～70）m，結構緊密，其中各粒徑組平均含量為：漂石（≥200 mm）12%、卵石（20 mm～200 mm）5.7%，礫石（2 mm～20 mm）43.3%，砂（0.075 mm～2 mm）24.5%，泥（≤0.075）14.5%。 漂石、卵礫石的主要成分為砂巖，磨圓度相對較好，以橢圓形、渾圓形為主。

覆蓋層內鉆孔孔徑一般采用150 mm開孔，110 mm結束。為了加快進度，降低成本，采用泥漿護壁、旋轉鉆進工藝。由于顆粒不均勻，漂礫較多，泥漿的質量成為控制鉆探進度和鉆孔質量的關鍵因素。經過多次比較和試驗，最終采用新疆石河子生產的深井膨潤土，加入少量片堿，用土、堿、水混合制成泥漿，其比例為：

土∶水∶堿≈75∶22∶3

這種泥漿具有易調制、穩定性好、護壁牢固、易于沖洗等特點。在該工程7個孔深超過60 m的鉆孔鉆進中，效果良好。第一是取樣方便，用泥漿鉆進不需要特殊的鉆具，取樣時不需要采取特殊措施，工人易于掌握。第二是巖樣采取率高，由于護壁牢，巖芯成型好，所有鉆孔巖樣采取率都超過了90%。第三是鉆探用水量大大減少，在新疆戈壁地區，采用節水鉆探，是一個十分重要的問題，采用泥漿護壁可大量節水，返水量大約40 L/min左右。第四是洗孔效果好，水利水電勘察需要在鉆孔內取得大量地質參數，其中滲透系數是必不可少的，為了分層需要，在本工程還進行了大量聲波測試，為了取得真實的參數，需要洗孔，有些材料是無法滿足洗孔要求的，如植物膠就很難清洗，有些地區的泥漿清洗效果也不好，但本工程用的泥漿較容易清洗，通過大量聲波對比檢測，清洗效果良好。

（2）湖南常德沅水大橋勘探。

常德沅水大橋位于常德市區附近，屬沅水下游洞庭湖尾閭地區。地勢平坦，水流平緩，河床沖積砂卵礫石堆積厚度大。砂卵礫石的粒徑不是太大，一般為（20~80）mm，級配較均勻。2008年4月我們承接到河中水上鉆探任務，因砂礫石層較深，不可能全部采用套管跟管鉆進，水下施工，也不能使用泥漿護壁鉆探工藝。經過比較和摸索，最終采用了套管、植物膠護壁、旋轉鉆進的綜合工藝。

為了固定船只，固定孔位，鉆孔表部一定深度采用套管護壁、跟管鉆進的方法。這在水上鉆探是十分有效的方法。當套管下入一定深度后，在采用跟管鉆進難度就相當大，鉆進速度也明顯降低，成本消耗顯著提高。采用植物膠護壁是較可靠的方法。材料采用成都勘察院研制生產的SM植物膠，加入少量燒堿，用料比例大致如下：

水∶植物膠∶燒堿=100∶8∶2

使用成勘院生產的專用鉆具，采取輕壓、高轉速、低水量的鉆進方法，控制返水量（15~20）L/min。

本工程基本解決了水上鉆探因河水的流動無法使用泥漿護壁工藝的問題，常德大橋的最大鉆孔深度達80 m，鉆進速度也較快，沒有出現垮孔等孔內事故，并全部實現取芯，采取率達95%。

（3）四川東風巖航電樞紐。

工程位于岷江干流樂山市下游河段，距樂山市區約20 km。河床分布著大量的第四系全新統沖積砂礫石層，上壩址區河流湍急，砂礫石粒徑較粗，（40~150）mm的居多，大于200 mm的漂礫也多見。厚度極不均勻，最大深度20 m左右，雖然算不上深厚覆蓋層，但勘探難度還是很大的。

此河段砂礫石的最大特點一是粒徑粗不均勻，以粗粒和漂礫最多，二是結構松散，被采砂船反復開挖過，沒有膠結。對于這種松散的以礫石為主的砂礫石層，沒有辦法采取泥漿和植物膠護壁，只能采用傳統的套管護壁和跟管鉆進方式。過去在湖南地區一般都是使用普通套管（厚度不大于5 mm），這種薄壁套管很難適應這種粗粒松散層的鉆進，根據西南地區的經驗，主要是要解決套管的厚度和質量問題，我們選擇了材質好、管壁厚度（9.3~10）mm的厚壁套管，這種套管在下入過程中，受力好，管腳不易破損，能將粗顆粒擠開或打碎，將套管快速下到孔底。選用厚壁套管提高了鉆進效率，取得了很好的效果。

4 結語

深厚覆蓋層是各種工程建設中經常遇到一種特殊地基。我國地域遼闊，地形地質條件復雜多樣，東部、中部、西南、西北各地區其差異相當巨大，覆蓋層的成因決定了不同的工程地質性質，鉆探是查明深厚覆蓋層厚度和性質的重要勘探手段，如何提高鉆探的效率，提高鉆探的質量，這與選擇不同的鉆探工藝密切相關。本文初步總結了我國三個不同地區不同地層的鉆探工藝和技術，意在與同行共同探討，不斷提高。