钻探工艺在岩土工程勘察中的应用分析_王延宏.pdf

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 2 3 3 0 0 0)作者简介王延宏(1 9 8 6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。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,将中心钻孔半径控制在5.5 c m,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1 d)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8 0 k m,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0.7 7 k m、0.9 k m,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,520 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53 0 c m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1 5.0 32 7.7 9 m、2 8.1 34 5.8 0 m,岩芯质量指标为5 57 0。(2)第四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41 2.6 0 m、7.1 01 6.7 0 m,卵石层平均厚度为1 1.9 8 m。而粉砂层整体呈中密状与饱和密状,顶面埋深与层厚的范围分别为0.7 01 0.6 0 m、3.9 06.8 0 m,其平均厚度经计算后发现为5.5 8 m。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1 6.7 m,因工程所属项目特殊性,部分钻孔作业需于江面上进行作业,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C E C S2 4 0:2 0 0 8 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2 m初步勘查高程0.2 m详细勘查平面位置1 m详细勘查高程0.1 m 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 1 2 7 mm)进 行 开 孔,采 用 1 1 0 mm、1 3 0 mm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S M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。S M植物胶浆液最显著的特点在于润滑效果强,能够有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S M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S M植物胶浆液的浓度控制在0.6%0.8%范围之间,S M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%羟甲基纤维素填入其中,搅拌均匀后即可应用4。若于钻进期间出现620漏浆现象,可将粘度至少为6 0 s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,可用粘度6 0 s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2 5 03 0 0 r/m i n范围内,钻压范围为57 k N,并于钻进期间尽可能缩小泵量,将泵量控制在2 54 0 L/m i 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1 0 c m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1 5 m造斜2,直至钻孔能够满足地质勘探需求,使钻探作业符合河流地形地貌。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3 8 04 08 07 83 9 54 07 87 64 1 04 07 67 44 2 54 07 47 24 4 04 07 27 04 5 54 07 06 84 7 04 06 8-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水槽断面(案例参数为5 mm),以此确保钻探岩心采取率。确定造斜钻探参数后,选用L Z 6 5型螺杆钻具,将钻压、流量、转速分别控制为6 k N、1.53.0 L/s、3 2 0 r/m i 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1 0 d),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2 8个钻孔,钻孔质量与效率兼顾,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3 6 2.0 2 m,缩减勘察成本约2 9.9 6万元,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,2 0 2 1(0 1):1 0 0-1 0 1.2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,2 0 2 0,4 7(0 6):1 0 6-1 0 7.3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,2 0 2 0(0 3):2 5 4+2 5 6.4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,2 0 1 9,4(1 4):1 8 2-1 8 3.5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),2 0 2 0(1 1):1 6 7-1 6 8.6卢剑星.岩土工程勘察中对钻探工艺的研究J.智能城市,2 0 1 9,5(1 6):7 1-7 2.720 水文地质、环境地质、工程地质