工程地質鉆探常用技術分析

［關鍵詞］工程地質鉆探；沖擊回轉鉆探技術；機械振動鉆探技術

鉆探是地質工程中的一個重要作業環節，是指使用特定的鉆探機械設備以及配套工藝，沿著地表向下，對巖礦芯進行鉆進，通過對鉆進過程獲得數據、地下土層、礦石成分組成等進行分析，對鉆進區域及周邊一定范圍內的地質情況進行可靠評價。鉆探技術最早出現在我國四川地區，初始的運用目的是向地面深層掘進，從而找到地下水，解決當地居民的飲水問題。隨著時間的推移，鉆探的目的逐漸變為“尋找鹽分”。由于與人們的生活息息相關，故鉆探技術又被稱為“中國古代第五大發明”。但到了現代社會，鉆探的應用方向早已多元化。目前，國內外針對工程地質鉆探常用的技術包括人力沖擊、回轉鉆探技術、機械振動鉆探技術等。技術的綜合成熟度較高。但將切斜技術應用于水文地質、工程地質第四紀地質全要素鉆探工程的文獻較少。本文以安慶市規劃區2018年度水文地質、工程地質第四紀地質全要素鉆探工程為例，對上述技術應用展開分析。

1. 工程地質鉆探的特點梳理

1.1 工程地質鉆探特點和目的

鉆探是現代地質勘探工程中不可或缺的一項重要技術。比如在興建大規模工程時，為了確認某個地區是否能夠成為工程基地，需對地表以下的土層成分、巖層成分、地下水的活動情況等進行勘察[1]。向下鉆進方式為：人工或使用機械設備（鉆機），向地表下方鉆進，并在地層中形成圓柱形的鉆孔。首先達到的目的是對地層進行劃分和鑒別。其次，隨著鉆孔深度的不斷增加，可以從不同深度的巖層處獲得巖芯、礦樣、土樣，對其中的成分進行研究，可以測定巖石、土層、地下水中含有哪些物質，具有哪些物理力學性能。在上述分析結果的基礎上，工程設計人員可對鉆孔區域及附近一定范圍內土地的用途進行確定，無論進行何種應用，都可保證安全。

1.2 某工程地質鉆探結果

安慶市規劃區2018年度水文地質、工程地質第四紀地質全要素鉆探，需根據工程地質層位信息，按照規范要求開展工程地質原位試驗，選擇合適的層段、位置開展水文地質孔擴孔成井等工作。通過地質鉆探工作，對地下巖體、土體的工程地質巖組、地層巖性、主要工程地質特征等進行詳細分析。部分鉆探結果如表1所示（受篇幅所限，本文截取巖體、土體鉆探各3項結果）。從中可以看到：地下巖體、土體自上而下的分布情況呈現出一定的規律，且每一層的地質特征均十分清晰。以相關結果作為數據支撐，圍繞鉆探區域是否能夠開展某項工程設計時，方案必定具有較強的說服力。

2. 工程地質鉆探作業常用技術

2.1 人力沖擊和回轉鉆探技術

2.1.1 人力沖擊鉆探技術

工程地質鉆探作業中，最常見、最原始的技術便是人力沖擊法。這種方法是指技術人員使用洛陽鏟、弧形鏟、圓形鏟、掌形鏟、軟濕黏土鏟、稀泥鏟、風化巖水鏟等基礎工具，通過人工，首先完成對鉆進區域的初步挖掘。之后使用鋼絲繩、鉆桿等設備，將“一字型”或“十字形”的鉆頭吊起至一定的高度，適當松開鋼絲繩，在自由落體運動的作用下，使鉆頭對地下巖體進行自上而下的沖擊。當巖體開裂之后，通過人力或操作挖掘機等方式，將鉆坑內的巖屑、巖石粉末、其他雜物等撈出，重復上述流程。這種方式在我國最早用于鉆井，目的是獲取地下水。時至今日，除了在極少數地區依然使用此種方式（同樣多用于鉆井），由于鉆探作業效率過低，已經不適用于地質勘查鉆探作業。

2.1.2 回轉鉆探技術

相比人力沖擊技術，回轉鉆進技術是當前最主要的鉆進方法，是指通過轉盤、回轉器、動力頭等，實現對鉆桿的驅動，之后帶動鉆頭進行回轉，從而達到向下鉆進的目的。由于軸向鉆頭會施加一種壓力作用，地下土層、巖體的原有結構會被破壞，會自動排出巖粉，生成鉆孔。一般來說，鉆機的性能決定回轉的速度。如果是普通的石油鉆機，則最大組轉數會達到每分鐘160轉；如果是金剛石鉆機，則最大轉數可提升至每分鐘2400轉。

2.1.3 沖擊回轉鉆探技術

在常規回轉鉆探技術的基礎上，技術人員逐漸發現一種將“沖擊”與“回轉”相結合的鉆探技術。這種技術的實現必須將鉆桿、鉆頭兩個重要構件合成一個整體。如此一來，鉆桿中心的氣體和液體會在軸向壓力流經的過程中，形成較大的沖擊力，進而帶動鉆頭運轉。有研究顯示，在沖擊、回轉的同時作用下，鉆頭接觸地下巖層時，每分鐘的向下鉆進速度可達到50轉。受此影響，地下巖層足以被擊碎，在鉆進處形成鉆孔。

2.2 機械振動鉆探技術

機械振動鉆探技術的作用原理如圖1所示。使用的核心設備為雙軸雙輪振動器。此種設備中自帶的兩個偏心輪無論是形狀、尺寸，還是重量、偏心距，均完全相同。在選定鉆孔位置之后，需要將雙軸雙輪振動器兩個偏心輪的軸沿著水平方向進行平行布置。根據圖1顯示的效果圖可知，兩個偏心輪處于“緊緊貼合”的狀態，在齒輪的轉動作用下（圖1中顯示的數字“1”是指作用于位于圖1右側位置偏心輪的齒輪，控制右側偏心輪呈現逆時針轉動），由于兩個偏心輪緊密相連，左側的偏心輪會在右側偏心輪轉動的同時，呈現出順時針轉動的態勢。因此，兩個偏心輪的轉動方向恰好相反，但轉動的角速度相同，相位角處于對稱的狀態。無論兩個偏心輪在轉動的過程中發生和中移動，如圖中所示的離心力Q1和Q2均可以基于正交分解法分成兩個方向的分力。其中，水平方向的分力S1和S2的大小完全相同，方向呈180°對立；垂直方向的分力P1和P2大小、方向完全相同。如果當偏心輪的中心整體位于水平軸線以上，合力的方向也會向上。在此種情況下，兩個偏心輪運轉過程中產生的合力會帶動鉆具，在垂直方向上產生振動，憑借振動作用力，實現鉆探。

3. 全要素鉆孔施工及水文地質鉆孔施工

以往的鉆探技術均為常見的技術工藝，考慮到本工程對鉆孔勘探作業精度的要求較高，需要結合多種基礎工藝，或是在基礎工藝的基礎上，根據現場實際情況進行升級。

3.1 全要素鉆孔施工

（1）主要施工順序為：井位確定→施工準備→開孔鉆進→取心、取樣、試驗→物探測井→取水樣→封孔→場地恢復→孔位復測→終孔驗收；水文地質鉆孔施工順序如下：施工準備→擴孔鉆進→下管→填礫→止水→洗井→抽水試驗→取水樣→井臺制作→孔位復測→場地恢復→終孔驗收[2]。

（2）鉆探作業的工作量設計以及技術應用。本項目設計工作量1200m，實際完成1217.68m。根據安慶地區地層巖性情況和設計要求，松散層和基巖層，取心孔徑110mm，采用正循環回轉式泥漿鉆進工藝。此種工藝的主要實施原理為：首先對泥漿施加高壓作用力，使其經由鉆機進入空心鉆桿，能夠從鉆桿的底部射出。底部的鉆頭（鉆椎）在回轉過程中，能夠對土層進行攪動，使其原本的結構被破壞，進而生成碎渣。碎渣之上會浮懸一層泥渣，并隨著泥渣逐漸上升，最終溢出，流到井外專用于排泄泥漿的溜槽。溜槽連接沉淀池，流入其中的泥漿、渣土、巖石粉末等物質經過沉淀凈化，可以被轉化為“清潔”的泥漿，可重復使用。需要注意的是，采用此種技術時，井孔壁需依靠水頭和泥漿完成保護。在本工程中，鉆進采用清水和低固相泥漿，巖芯綜合采取率為92.34%以上。巖芯采取率如表2所示（受篇幅所限，截取18ZK01～18ZK05共5個鉆孔數據進行展示）。

（3）在鉆孔和取芯作業完成后，應及時開展物探測井工作。工程進展程度為，物探測井深度為1212.20m，測試項目包含視電阻率、自然電位、自然伽馬、井溫、井徑、井斜和聲波。需要注意的是：水文物探測井成果曲線的比例尺，根據巖性的復雜程度和鉆孔深度確定。

（4）封孔及其他作業。為避免鉆孔受到破壞，在完成物探測井工作之后，需使用黏土進行封孔作業。具體而言：向每個鉆孔內投入厚度達到20m的黏土，之后使用吊機吊起重錘后自由落體，將黏土至少向下壓實5cm，之后繼續回填黏土20m，使用重錘自由落體壓實。重復上述流程，直到黏土達到孔口（地表水平）位置，方可視為達到封孔效果[3]。

3.2 水文地質鉆孔施工

（1）挖孔孔徑。前期的鉆孔、取芯、物探測井作業與全要素鉆孔施工完全相同。完成物探測井作業之后，需使用擴孔鉆機，將鉆孔的截面擴大，形成鉆井。在本工程中，擴孔直徑為φ400mm，18ZK12 基巖孔擴孔直徑為φ168mm，18ZK15基巖孔擴孔直徑為φ220mm[4]。

（2）擴孔成井作業。第一，將鉆桿向下移動，一直下放到孔底，之后使用大泵量設備，對孔內進行沖孔排渣作業，指導將其內的巖土粉末、泥沙、雜物等全部清除后，逐步用稀泥漿循環孔內泥漿，降低孔內泥漿黏度、密度、破壞泥皮。下管方法為一次下管法，需按照下管先后次序，依次將井管逐根丈量、排列、編號。充填濾料為質地堅硬、密度大、渾圓度好的石英砂，采用加水投礫方法，黏土球采用鈣基膨潤土制成，直徑在20～30mm之間，采用人工四周緩慢均勻投入法，止水段以上到地表，采用黏土球充填止水。成井工作量完成情況如表3所示。

（3）洗井作業。完成上述封閉和止水作業之后，需要及時進行換漿操作，可根據孔井的實際情況，選擇洗井方式。可選擇化學洗井法、活塞洗井法、空壓機洗井法。化學洗井是指將化學清潔劑加入井內，對泥沙等雜質進行中和，之后排到井外。活塞洗井是一種傳統的洗井方法，是指向井內插入管道，之后在其中加入活塞，在上下運動的過程中，擠壓空氣到井水中，使井水產生動力。如此一來，井壁的泥皮會被沖掉，落到井水中，最后排出。空壓機洗井法是指將管道一端與空壓機進行連接，另一端插入井下。啟動空壓機之后，大量空氣會經由管道被輸送至井底。混有泥沙、砂礫的井水會通過出水管排到井外。經過幾個循環，井水便可逐漸清澈。無論選擇何種洗井方式，在完成一次洗井作業之后，仍需根據孔深、地層含水層情況，再次調整空壓機的參數，并使用該設備再次洗井。之后還需使用水泵洗井，達到“井內水質清澈，無泥沙（可有砂礫、石頭，但出水的含沙量不得超過1∶20000 的體積比）”的標準即可[5]。洗井工作量完成情況如表4所示。

4. 結束語

現代工程地質鉆探工作已經發展為通過多種技術，從地表開始向下鉆進，逐漸形成具有一定深度的鉆孔。鉆孔的邊緣實際上可視為地下土層、巖層的截面，通過對巖石、土層的成分進行分析，可以對地表下方的成分構成情況進行較為精確的總結。此種方式相比常規的挖掘工作，不僅省時省力，而且破壞性較小，能在短時間內了解較大面積的地下情況。相關數據如果應用于建筑工程勘探作業，還能使方案設計的完善性達到更高的水平。

本工程應用工程地質鉆探技術時，為了提高巖芯采取率的表述精確性，根據專業技術人員給出的指導意見，將黏性土、砂性土、礫石層、基巖采取率分開統計。在此基礎上，本工程完善補充了鉆探施工工藝，針對不同地層采用更有針對性的鉆進施工方法，并增加了配套的施工質量控制及對多個施工關鍵環節的自查流程。總體來看，通過這些改進措施，進一步完善了工程地質鉆探流程，整體可行性更高。