淺談巖土工程勘察中鉆探工藝的選取

摘 要:在巖土工程勘察過程中，由于土層的性質不同，在實施工程地質鉆探時所采取的工藝措施也不一樣。通過對軟弱粘性土、硬粘性土、砂及卵(碎)石的鉆探工藝實踐，在鉆進方法的選擇、鉆具的選擇方面進行了總結。

關鍵詞:巖土工程勘察 鉆探工藝 選取

中圖分類號:P634文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)01(a)-0088-02

Abstract: In the process of geotechnical engineering investigation， because of the nature of the different soil， in the implementation of engineering geological drilling are taken process measures is not the same. Based on the soft clay， hard clay， sand and egg ( broken) stone drilling technology practice，in the drilling method and tool selection is summarized.

Keyword:Investigation of geotechnical engineering，Drilling technology，Selection

隨著我國國民經濟建設事業的飛速發展，大規模的工業及民用建筑拔地而起。雖然不同領域的工程有著不同的工程規范，但是對地基的承載力和建筑物的沉降變形同樣有著要求，因而提供準確無誤的地質勘察資料作為設計依據是非常重要的。為了能夠準確的確定巖土的物理力學指標及巖土特性，保證鉆探質量就成為了關鍵。工程勘察主要是查明淺層地質情況，但是由于土層的性質變化較大，所以適合不同地層條件的鉆探工藝是保證工程質量的決定因素。以下筆者主要根據不同土層從幾個方面來討論鉆探工藝的選取。

1 談到鉆探工藝，首先想到的是鉆探設備的選取

鉆探設備主要包括動力裝置、鉆機、泵、鉆塔、擰卸工具等。鉆探設備的選取主要的目標就是能夠滿足各種鉆探工藝的要求，目前勘察領域主要是應用汽車鉆作為主要的勘察設備，主要是因為汽車鉆的工作效率較高。但由于場地原因也會采用臺式鉆機作為主要勘察設備，但是無論是選擇那種鉆探設備對于工程質量沒有太大影響，主要影響的是工程進度問題。因此，在工民建及電力設施的巖土工程勘察中，鉆探設備的選擇與鉆探工藝的選取無關。

然而在巖土工程勘察中對勘察質量有直接影響的是鉆進方法的選擇及鉆探工具的選擇。目前在巖土工程勘查中主要應用的鉆進方法為重錘沖擊鉆進、螺旋鉆進和沖擊回轉鉆進;主要的鉆探工具為鉆桿、鉆頭、巖芯管。以下主要針對不同的土層淺談一下鉆進方法的選擇和各種鉆探工具的選擇。

1.1鉆桿的選取

首先應定期檢查鉆桿保證鉆桿的軸線的直線度誤差小于0.1%;其次筆者建議在鉆機應該配備兩套鉆桿，其中一套為直徑42mm的鉆桿，主要應用于軟層、較硬土層的鉆進及原位測試;另一套為直徑50mm的鉆桿，主要應用于硬層鉆進，可以預防的鉆桿折斷和脫落。

1.2 鉆頭(包括巖芯管)的選取

在目前巖土工程勘查中主要用的鉆頭類型為螺旋鉆具和硬質合金取心鉆具。鉆具的選取主要由鉆進方法所決定。螺旋鉆具應用于螺旋鉆進，硬質合金取心鉆具應用于硬質合金鉆進。

常用的螺旋鉆主要分為長螺旋鉆、短螺旋鉆、環狀螺旋鉆、振動螺旋鉆、套管螺旋鉆和麻花鉆。以下針對不同地層淺談一下鉆進方法及鉆具的選取。

①軟弱粘性土層及可塑偏軟粘性土層:地下水位以上由于該土層強度較低，可采用重錘沖擊鉆進、螺旋鉆進，最好選擇長螺旋鉆;如在地下水位以下，如孔深較淺建議采用套管螺旋鉆，如孔深較深則需采用沖擊回轉鉆進。

由于長螺旋鉆不需要循環液而且在軟弱粘性土層中鉆進效率高，而且取出的巖芯雖受擾動破壞，但仍可看到地層的天然結構狀態，不影響對地層結構和狀態的描述，也不影響判斷土層的厚度和埋深。

如采用沖擊回轉鉆進，則應調配好泥漿比例，滿足護壁要求的前提下盡量減小水泵流量，避免由于水流較大將該土層沖散后混入泥漿，必要時需采用干孔卡取法取得巖芯。即在回次終了時，停止送水，干鉆進尺一小段(實際工程中進尺有時可達到1米)，利用未排除的巖粉來擠塞住巖芯，再通過回轉將其扭斷提出。或者采用雙動雙管取心鉆具。為保證巖芯采取率，防止提鉆過程中巖芯脫落，使用活動分水投球鉆具，可以使干鉆取芯獲得更好效果。

②可塑偏硬、硬塑及堅硬粘性土層:該層應采用沖擊回轉鉆進，且鉆具應選擇小肋骨鉆頭，肋骨宜大于巖芯管1～1.4cm。肋骨鉆頭對粘性土的切削作用強，且對土層的擾動小，對土層的厚度和埋深的判斷幾乎沒有影響，能保證土體的分層及原狀樣的提取的質量。

然在實際的巖土勘察過程中，為提高效率多數采用螺旋鉆，由于該地層強度較高，實際上螺旋鉆已經失去了它本身高效率的優點。因為長螺旋鉆在實際鉆進該層土的過程中，應注意螺旋距的選擇，則在粘性較小的土層中，螺旋距應小些;在粘性較大的土層中，螺旋距可適當大些。但由于鉆具與土體的接觸面積大，在粘性較大時，因注意鉆進速度及進尺，以防埋鉆或者鉆桿折斷。該鉆具對該土層擾動大，故在進尺及土的狀態方面應特別注意。

因此本人建議在硬質粘性土層中盡量采用沖擊回轉鉆進，采用小肋骨鉆頭巖芯管取樣。

③砂層:砂層在鉆探過程中主要考慮地下水的影響。在地下水位以上的砂層也要考慮砂土的粒徑及砂土中的粘粒含量，粘粒含量較大的粉細砂可采用螺旋鉆進，如果孔深較深，可以在后期更換小直徑螺旋鉆。

在地下水位以上的中粗砂、礫砂及在地下水位以下的砂土鉆探一般采用品字形硬質合金鉆頭。鉆頭外徑較巖芯管稍大，能很好的約束巖芯管，使其回轉穩定保障巖芯的原始結構。但是為防止孔壁坍塌，需用泥漿護壁，泥漿的稠度視砂粒粒徑的大小決定。如泥漿護壁不能滿足要求時，需用套管跟進鉆探，以防止孔壁坍塌造成埋鉆、廢孔的事故。

④卵(碎)石層 :該層主要應考慮其中充填物及地下水位。在地下水位以上且以粘性土充填為主的，粘性土含量較大的卵(碎)石層，因其粘結力較強，粘土粒自由表面張力大，鉆進中孔壁坍塌程度較小，可直接在裸孔的情況下鉆進，鉆具選用單管巖芯管或加厚螺旋鉆;在地下水位以下的卵(碎)石層，因受地下水影響，孔壁極易坍塌，采用泥漿護壁或根據需要選擇套管護壁跟管鉆進。如碰到大于管徑的卵石或碎石，可以用角錐或一字鉆頭等擊碎，后跟管鉆進。如遇直徑很大的孤石，可以在其上鉆孔，后繼續鉆進。

根據鉆頭在卵石中運行特點，設計選用適巖鉆頭，關鍵是鉆頭技術參數:其一，硬合金大八角斜鑲方式，增加硬質合金的抗磨性，提高了切削刀的抗崩斷性能;其二，鉆頭底出刀較小，在卵石層鉆進中，鉆頭長期處于崩和磨的狀態，防止合金崩刀和斷刀;最后，割二個三角形水口，保證沖洗液的冷卻和攜帶作用。

2 不同地層的鉆探作業方法

①軟弱粘性土層及可塑偏軟粘性土層:螺旋鉆鉆具整個葉片長度一般控制在1m左右，直徑略小于改換螺旋鉆具的鉆孔直徑;每回次進尺在0.5～1.0m范圍內，因為螺旋鉆本身有厚度，且取出的土樣同時也受到擾動，螺旋鉆進尺1.0米，實際取出的土樣長度大于1.0m，至于長度增加的數值應以螺旋鉆的參數及土層的塑性指標有關，土質越軟其長度增加值越小，應以實際情況加以區分，以便正確地確定層位的變化及其狀態分析;本類土層鉆進過程中鉆具的鉆速應限制在90轉/分～100轉/分范圍內，孔內的水在慢轉速鉆進慢提升的情況下可以起到潤滑作用，減少上鉆阻力。如果鉆具轉速高，提鉆上升速度快，那么地下水會起到不良作用，致使葉片上的土樣脫落，從而達不到預期目的;如提鉆出現困難時，要利用油缸緩慢提升鉆具，避免采用邊回轉邊提升的方法。在鉆具提出后由于土層較軟，容易縮徑，因此在下次鉆具所取土樣中注意區分刮落部分及正確計算好取樣長度。

②可塑偏硬、硬塑及堅硬粘性土層:硬粘性土層優選采用回轉鉆進，具體操作時，首先應慢速鉆進，以便鉆頭切入土層中(當遇到堅硬土層鉆頭吃不進土層時可適當加壓)，切入土層后可采用中速檔鉆進，中速檔鉆進不僅快，而且在回次進尺時，鉆具提升阻力小。鉆具提升時要控制速度，保證孔底不形成真空。為防止卡鉆，每鉆進0.3～0.5m。如卡鉆且不可用轉升的方法處理，因為粘性土有一定的抗拉強度，為減少提升阻力，必須先擰斷巖芯。

采用沖擊回轉鉆進時要注意水泵流量的控制，當鉆進可塑偏硬的粘性土時建議水泵流量為低速，當鉆進堅硬及硬塑粘性土時建議水流開中速。進行巖芯采取時可采用干孔卡取法取得巖芯。為保證巖芯采取率，防止提鉆過程中巖芯脫落，使用活動分水投球鉆具，可以使干鉆取芯獲得更好效果。

③砂層:此地層的鉆探工藝與地層的顆粒粒經大小有很大關系。

a.粉細砂夾粘性土，此地層鉆進時，鉆進壓力不易太大，不允許上下活動，鉆速應采取低鉆速，泵量調至似流之勢方可鉆進，每回次終了前，應先以清泥漿洗孔，待清泥漿將孔內懸浮粉細砂帶入泥漿池后方可停泵，以確保不會發生沉砂卡鉆，停泵后干鉆0.3～0.5m，以保證不脫落巖芯。

b.中粗砂、礫砂，本地層可采用灌漿無泵反循環鉆進，以低轉速為宜，鉆進過程中不斷浮動鉆具，上提要慢，下放要快，形成孔底反循環，提鉆前為保證取心率和卡芯效果，每回次終了前，應先以清泥漿洗孔，待清泥漿將孔內懸浮中粗砂、礫砂帶入泥漿池后方可停泵，以確保不會發生沉砂卡鉆，應停泵干鉆0.2～0.3m，不再浮動鉆具進行干鉆(干燒)卡芯。

④卵(碎)石層 :此地層的鉆探工藝與地層的密實度、含水率、有無粘性土充填等有很大關系，不同的組合理論應采用不同的鉆探工藝。常用的鉆孔壓力應掌握在200kg～300kg。

a.松散卵(碎)石層，粘性土含量低，此類地層采用植物膠護壁效果較差，采用跟管鉆進是目前最有效的方法，每次跟管長度以3～6m為宜，鉆速為30轉/分～60轉/分，如進尺連續順利，最好不要變更鉆進參數。也可采用投粘土球的方法，此方法要點是鉆一段，用粘土球搗實，再鉆進，不要盲目追求進尺，以防坍、垮造成孔內事故。

b.稍密～中密卵(碎)石層，當含水率小且有粘性土充填，可采用回轉跟管鉆進，鉆速為20轉/分～40轉/分，鉆進過程中鉆具回轉較平穩可適當提高鉆進參數，如壓力表跳動幅度大，應立即提鉆，以防損壞鉆頭合金和鉆機設備。

c密實卵(碎)石層，當含水率小且有粘性土充填，該地層適用合金干鉆，鉆進開始其參數應選低值，隨進尺增加而逐漸增加。在鉆進過程中要適當上下竄動鉆具，以防鉆頭被燒死或堵死。

3 結語

由于地質環境和成因條件的千差萬別，所以它們對鉆探工藝所表現的適宜性也總是有所不同，因而在鉆探工藝上很難采用某一數據作為標準。本文是筆者在近幾年勘察過程中的實際經驗總結的一些鉆進工藝和鉆具的選取方法，希望這些經驗對類似的巖土工程鉆探具有一定的借鑒意義。但由于區域地質構造不同，地層也各具特點，因此在鉆探過程中，應分析所遇地層的特點，從而制定出最經濟最合理的鉆探方案。

參考文獻

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