丁名卿

福建巖土工程勘察研究院有限公司 福建 福州 350100

1 前言

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了地質(zhì)勘查事業(yè)的快速發(fā)展。鉆探技術(shù)以其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已被廣泛應(yīng)用在工程地質(zhì)勘查工作中，能夠有效提升工程建設(shè)效率，確保工程的整體質(zhì)量，為此文章對(duì)其在工程地質(zhì)勘查中的應(yīng)用展開了研究和探討。

2 工程地質(zhì)勘察概述

工程地質(zhì)調(diào)查主要包括地質(zhì)調(diào)查，采樣試驗(yàn)，調(diào)查和測(cè)繪等。通過(guò)地質(zhì)調(diào)查，我們可以更好地理解和掌握土壤的分布和機(jī)械參數(shù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的詳細(xì)探索，可以詳細(xì)分析和評(píng)估建筑物的適應(yīng)性，并提出進(jìn)一步詳細(xì)的施工程序和建議。鉆井技術(shù)是最直接可靠的地質(zhì)調(diào)查方法。對(duì)于具有復(fù)雜地質(zhì)條件的層，鉆井可以獲得更準(zhǔn)確的地質(zhì)數(shù)據(jù)，這也是巖土樣品收集和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)。在鉆井技術(shù)在工程地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用中，不僅可以在對(duì)天然地質(zhì)條件調(diào)查的調(diào)查中做得很好，而且還必須與項(xiàng)目本身的特征相結(jié)合。例如，在貴州省工程地質(zhì)調(diào)查中，民用建筑和工業(yè)建筑的鉆孔布局完全不同。一般來(lái)說(shuō)，在鉆井工程中，除了大規(guī)模的水利、隧道等項(xiàng)目之外，鉆探深度不需要太深。在工程地質(zhì)調(diào)查中，通常使用鉆機(jī)和簡(jiǎn)單的鉆孔方法。在工程地質(zhì)調(diào)查中，鉆探可以用于水文，地質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖性調(diào)查，長(zhǎng)期觀察，采樣等方面，鉆孔技術(shù)的應(yīng)用方法和結(jié)構(gòu)有著較為特殊的要求。

3 技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)

工程地質(zhì)鉆探技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)調(diào)查。鉆孔深度應(yīng)根據(jù)所提出的建筑物（結(jié)構(gòu)）和巖土機(jī)械性能的目的全面地確定，鉆井技術(shù)和鉆孔應(yīng)該適合設(shè)備，鉆井通常具有全面的功能。除了直接調(diào)查水文地質(zhì)條件，地層巖性和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的施工現(xiàn)場(chǎng)之外，還可以用于波速試驗(yàn)，根據(jù)鉆井結(jié)構(gòu)的采樣和測(cè)井的特殊性進(jìn)行鉆井結(jié)構(gòu)[1]。

(1) 國(guó)產(chǎn)立軸式巖心鉆機(jī)在我國(guó)仍占據(jù)主導(dǎo)地位

目前，我國(guó)地質(zhì)鉆探裝備的設(shè)計(jì)和制造已具備一定的實(shí)力，立軸式巖心鉆機(jī)在基本性能、技術(shù)水平上與國(guó)外基本接近。立軸式巖心鉆機(jī)歷史悠久，性能已被我國(guó)一線鉆探工作人員掌握，具有野外檢修維護(hù)簡(jiǎn)單、鉆探施工功耗低、較強(qiáng)的超載能力、有利于處理事故等優(yōu)點(diǎn)，但存在給進(jìn)行程短、頻繁倒桿、啟動(dòng)不平穩(wěn)，由此導(dǎo)致巖心機(jī)械破碎或巖心卡堵、降低鉆頭壽命和存在其他孔內(nèi)事故隱患，同時(shí)搬遷過(guò)程費(fèi)事等缺點(diǎn)。

(2) 國(guó)產(chǎn)全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)已形成系列并批量進(jìn)入市場(chǎng)

“十一五”期間，我國(guó)地質(zhì)巖心鉆探裝備得到了前所未有的快速發(fā)展。全國(guó)有十幾個(gè)生產(chǎn)廠家開展了全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)的新一輪研發(fā)和傳統(tǒng)立軸鉆機(jī)的系列化生產(chǎn)工作，推進(jìn)了地質(zhì)巖心鉆機(jī)、配套設(shè)備和鉆桿鉆具的現(xiàn)代化、系列化、專業(yè)化。國(guó)內(nèi)相繼研制成功的全液壓動(dòng)力頭巖心鉆機(jī)有：中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所研制的YDX-4、YDX-5型；北京天和眾邦勘探技術(shù)股份有限公司研制的CSD500、CSD1300、CSD1800、CSD3000型；山東省地質(zhì)探礦機(jī)械廠研制的XD-5、XD-6型；連云港黃海機(jī)械股份有限公司研制的HYDX系列；中國(guó)地質(zhì)裝備總公司研制的 HCDU-5、HCDU-6、HCDF-6型。另外，連云港黃海機(jī)械股份有限公司、張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司、江蘇天明機(jī)械集團(tuán)、山東省探礦機(jī)械廠、北京探礦機(jī)械廠、湖北黑旋風(fēng)工程機(jī)械開發(fā)有限公司等企業(yè)相繼開發(fā)出了自己的系列全液壓巖心鉆機(jī)。

(3) 智能鉆探參數(shù)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸系統(tǒng)

智能鉆探參數(shù)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸系統(tǒng)主要包括鉆進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、孔內(nèi)工況識(shí)別、數(shù)據(jù)處理軟件、鉆探現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)。該系統(tǒng)在國(guó)家“863 計(jì)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目“2000m深孔地質(zhì)巖心鉆探關(guān)鍵技術(shù)與裝備”中得以應(yīng)用并取得良好的效果。

4 在地質(zhì)資源勘查的作用

4.1 資源勘探

我國(guó)土地資源和礦產(chǎn)資源豐富，但發(fā)展和利用率不高，浪費(fèi)嚴(yán)重。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，勘探技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)的陸地面積非常大，有許多地質(zhì)和礦產(chǎn)資源。中國(guó)與西方其他發(fā)達(dá)國(guó)家仍有很大差距。特別是在中國(guó)，很難準(zhǔn)確掌握和識(shí)別礦產(chǎn)資源的位置。然而，巖土工程的基本知識(shí)和技術(shù)可以有效地解決當(dāng)今存在的許多問(wèn)題。利用先進(jìn)的巖土工程技術(shù)，極大地促進(jìn)了開挖業(yè)務(wù)的發(fā)展，并能有效地處理許多問(wèn)題[2]。

4.2 鉆探取樣

鉆井技術(shù)是最關(guān)鍵的測(cè)量技術(shù)，不僅有助于協(xié)調(diào)地球物理和勘探工程之間的關(guān)系，而且有助于為勘探工程提供資源開發(fā)的最終檢驗(yàn)技術(shù)支持。使用鉆井施工技術(shù)，我們可以從地下采取物體并將其轉(zhuǎn)換為樣品。此外，鉆井技術(shù)與海洋研究，地下調(diào)查，地質(zhì)勘探和其他航空研究密切相關(guān)。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中，地質(zhì)資源的探索正在深化，頻率正在增加。因此，我們不僅應(yīng)該了解地球空間的外部資源，還要注意其內(nèi)部資源的探索。

5 鉆孔技術(shù)的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，挖掘技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

5.1 地質(zhì)上的應(yīng)用

(1) 尋找礦床的地質(zhì)勘察：根據(jù)物化探地質(zhì)異常,利用鉆探方法調(diào)查礦產(chǎn)的分布、區(qū)域地質(zhì)概況。

(2) 礦床勘探鉆探:對(duì)經(jīng)普查已確定具有工業(yè)價(jià)值的礦床,應(yīng)用鉆探手段查明礦床埋藏深度、厚度、品位、儲(chǔ)量、產(chǎn)狀、形態(tài)、構(gòu)造等。

(3) 礦區(qū)水文地質(zhì)鉆探:查明礦區(qū)含水層的巖性、層次、構(gòu)造、厚度、埋深分布及水量、水質(zhì)、水溫等水文地質(zhì)條件、特征和參數(shù)。

(4) 工程地質(zhì)鉆探:在施工地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，采用保齡球法對(duì)地層進(jìn)行揭露和劃分，測(cè)量邊界。描述了巖體的巖石學(xué)、成分和產(chǎn)狀。我們提供必要的地質(zhì)數(shù)據(jù)和材料，以了解基巖的物理和力學(xué)性質(zhì)，并評(píng)估、規(guī)劃和實(shí)施各類建設(shè)項(xiàng)目[2]。

5.2 地下流溶體的應(yīng)用

(1) 水資源鉆探:對(duì)地下水資源進(jìn)行評(píng)價(jià)、開發(fā)利用。

(2) 石油(天然氣)鉆探:利用鉆探技術(shù)鉆穿油氣層,以檢驗(yàn)物探資料、 了解井下油氣地質(zhì)勘查資料,求算油氣儲(chǔ)量,提供開發(fā)遠(yuǎn)景。

(3) 可溶性礦產(chǎn)鉆探:對(duì)巖鹽、石膏、芒硝等礦產(chǎn)資源進(jìn)行勘探和開采。

5.3 礦山井下工程的應(yīng)用

(1) 鉆礦山瓦斯抽排孔:在煤礦建井前、后按一定網(wǎng)度設(shè)計(jì)在地面施工的鉆孔,將煤層中的瓦斯抽排出地表以確保井下開采安全。

(2) 鉆礦山地下通道孔:用地表鉆探技術(shù)方法向礦山井下鉆不同用途的鉆孔,如礦山地下水排放孔、礦山通風(fēng)孔、救援孔等。

(3) 鉆礦山尾礦砂充填孔:在礦山采空區(qū)地表施工若干組高精度垂直鉆孔,將尾礦砂通過(guò)鉆孔灌入采空區(qū),以減少地面尾礦砂污染,控制采空區(qū)地面沉降。

(4) 鉆井筒凍結(jié)孔:礦山井筒開鑿前,在井筒四周施工若干個(gè)與其平行的鉆孔,借助制冷技術(shù)暫時(shí)凍結(jié)加固周圍不穩(wěn)定地層并隔絕地下水后再鑿井。

5.4 施工地質(zhì)調(diào)查上的應(yīng)用

通過(guò)開挖取樣、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和類巖石試驗(yàn)，明確影響施工建筑物的地質(zhì)條件，準(zhǔn)確區(qū)分地質(zhì)結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確識(shí)別土層的自然結(jié)構(gòu)、密度和濕度，并給出了該建筑施工的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)依據(jù)。開挖揭示了大型工程的基本地質(zhì)構(gòu)造、巖體、物理力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性。

5.5 地基上的應(yīng)用

建筑物地基加固。如各類基樁孔、防滲孔、灌注孔、深井錨孔等。

5.6 減災(zāi)項(xiàng)目上的應(yīng)用

我們使用鉆孔技術(shù)來(lái)預(yù)防山體滑坡、泥石流、地面凹陷和地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害。如山錨碇錨固孔、排水孔、礦山尾沙壩基、大壩排水孔、地面沉降監(jiān)測(cè)及地下水灌溉孔、大壩安全監(jiān)測(cè)孔等[3]。

5.7 地下管線施工上的應(yīng)用

它利用方向性深入研究了這項(xiàng)技術(shù)，以進(jìn)行非開挖地下管道的施工，該管道穿過(guò)建筑物、道路和湖泊等障礙物。

5.8 國(guó)防工程上的應(yīng)用

挖掘?qū)棸l(fā)射井和地下核試驗(yàn)取樣孔。

5.9 地球科學(xué)研究項(xiàng)目上的應(yīng)用

(1) 大陸和海洋科學(xué)鉆探：挖掘地球深部、海底、冰川凍結(jié)帶固體、流體樣本（巖芯、碎片、冰心等），獲取第一批為地球科學(xué)研究服務(wù)的材料。研究了地球的結(jié)構(gòu)和組成，以及深部結(jié)構(gòu)、深部流體和作用。盆地發(fā)育研究、成礦理論研究、石油天然氣水合物成因研究、深部熱能勘探開發(fā)研究。研究地震發(fā)生的原因，研究火山噴發(fā)的機(jī)理，完善地震預(yù)報(bào)和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。探索地球氣候的演變，探索生命的進(jìn)化史。

(2) 環(huán)境科學(xué)鉆探:鉆取地下不擾動(dòng)原狀巖心樣,研究大陸古氣候及古環(huán)境、沉積物時(shí)代、沉積環(huán)境的變化規(guī)律及環(huán)境污染程度,為國(guó)家經(jīng)濟(jì)區(qū)劃提供決策依據(jù)。

(3) 考古科學(xué)鉆探:利用鉆探取樣技術(shù)了解地下遺址堆積分布范圍、厚度、大型建筑基址、大型墓葬和古城的形狀和布局[4]。

6 鉆探施工的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

在地質(zhì)勘探中，我們應(yīng)該加強(qiáng)傳統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)的結(jié)合，重視數(shù)字信息的使用，促進(jìn)鉆井技術(shù)的發(fā)展[5]。它可以構(gòu)建數(shù)字應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控資源開發(fā)，信息資源集成，定位和測(cè)量軌道等，結(jié)合數(shù)字化，構(gòu)建現(xiàn)代科學(xué)管理模式，連續(xù)優(yōu)化現(xiàn)有的施工效率，完成計(jì)算，實(shí)現(xiàn)通過(guò)數(shù)字系統(tǒng)建設(shè)鉆井技術(shù)要求的檢測(cè)和施工控制，為鉆井技術(shù)提供到了一定的便利性，主要部門煤炭勘探地質(zhì)深度在300-500m之間，具有較大的發(fā)展空間。受技術(shù)制約和經(jīng)濟(jì)因素影響，難以繼續(xù)開發(fā)研究，深度拓展受到阻礙。在這個(gè)過(guò)程中，我們可以有針對(duì)性地研究鉆井技術(shù)，結(jié)合施工的實(shí)際要求，對(duì)施工深度進(jìn)行開發(fā)和探索，并注重技術(shù)改造、鉆井設(shè)備、事故預(yù)防、深鉆等相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。隨著油田、礦山、建筑等建設(shè)項(xiàng)目的深入發(fā)展，基坑開挖所面臨的地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜。目前鉆探技術(shù)的應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)鉆探、填埋鉆探等問(wèn)題。因此，有必要研究適合復(fù)雜硬土條件的開挖技術(shù)措施，提高鉆孔效率，提高開挖作業(yè)的安全性。此外，還可以采用一些新技術(shù)，及時(shí)對(duì)多個(gè)巖石的破壞帶、裂縫帶和斷裂帶區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘探[5]。

7 工程地質(zhì)鉆探常用的鉆探方法

用硬紙板在地上開個(gè)洞做巖石或地質(zhì)測(cè)試。建筑地質(zhì)鉆探的深度通常為幾十到幾百米。開孔大，一般為36-25mm，大直徑鉆孔直徑可達(dá)1m。地質(zhì)勘探中的開挖方法分為三種類型。

7.1 采用鉆孔方法

此外，據(jù)說(shuō)鉆機(jī)是在豎井壓力的作用下旋轉(zhuǎn)的，它會(huì)在豎井壓力的作用下破壞巖石的潛水。這是在巖石中潛水的主要方式，清洗液通常采用水來(lái)維持巖石心臟的自然狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)俯沖允許選擇不同的材料鉆頭。常用合金鉆、鋼粒鉆、金剛石鉆。前鉆適用于潛入中等硬度的巖石中。后面的兩個(gè)鉆孔適合潛水到堅(jiān)硬的巖石中。它還使用兩層巖石管或三層巖石管來(lái)減少進(jìn)入內(nèi)部的巖石磨損，通常是兩層巖石、泥漿，并移除巖石或斷層巖石。鉆孔通常不能隨清洗液的旋轉(zhuǎn)而下沉，但可以采用鉆孔。

7.2 沖擊潛水方法

它是一種利用鉆機(jī)自重反復(fù)破壞土壤，破壞土層的潛水方法。沖擊分為人為沖擊和機(jī)械沖擊。機(jī)械沖擊適用于淹沒各種土層。當(dāng)它進(jìn)入河流中的礫石層時(shí)，通過(guò)平板閥的鉆孔沖擊將其滲透到管道中，以獲取礫石樣品。

地面約0.4m后，移除套管，移除礫石，并按壓護(hù)墻板順序取樣，取樣直到孔結(jié)束。

7.3 撞擊旋轉(zhuǎn)俯沖方法

采用浸沒放炮和旋轉(zhuǎn)的方法，即鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)地面并旋轉(zhuǎn)碎石。

8 技術(shù)問(wèn)題分析

8.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

通過(guò)深孔，選擇金剛石繩取芯工藝，分三種方式挖孔，ф91沖入ф89孔后ф76s工程鉆頭再次通過(guò)破碎臺(tái)和斷層土落下。ф73更換后管路。ф59S穿過(guò)最后一個(gè)孔。

8.2 金剛石鉆頭和擴(kuò)張器

在通過(guò)一個(gè)平面深孔的過(guò)程中，地層破裂和坍塌，形成斷層的泥漿收縮路徑。環(huán)形空間小，流量大，泵壓損失大，液體流動(dòng)不暢，由于形成異常泵而導(dǎo)致泵壓高或高，無(wú)法正常進(jìn)入，進(jìn)入超深管道時(shí)易出現(xiàn)下開度差，拔管時(shí)斷開等問(wèn)題。

8.3 鉆石壓力機(jī)

影響鉆頭壓力（F4）的因素很多，最重要的是鉆頭的液壓系統(tǒng)壓力（f）、鉆頭的自重（F1）、沖洗液對(duì)鉆頭的浮力（F2）和沖洗液對(duì)鉆頭的浮力（F3）。它們之間的關(guān)系是f=F2+F3+F4-F1（f加增壓，負(fù)減壓）① F1=Ml，式中： ② F2=F1/7.85③ 強(qiáng)壓力現(xiàn)象對(duì)孔中管道的約定力起著重要作用。位于上連接管和小于鉆頭內(nèi)徑的水接頭處，其作用面積為鉆頭內(nèi)徑。PN泵壓力，MPa；S——鉆頭內(nèi)徑面積，泵額定力：ф76為1886N。ф59為1018N。

④F4=PMA，式中：PM-推薦單位壓力，MPa；鉆進(jìn)至中硬巖層PM值7；硬質(zhì)巖石氣味：獲得固體巖石層10；

A——鉆頭工作唇面和巖石接觸面積（鉆頭面積的3/4），當(dāng)使用xy-44鉆頭ф76口徑鉆孔；

P鉆頭壓力表壓力，MPa；

PN——清洗液對(duì)鉆頭的差動(dòng)力，MPa；

PM——地層硬度系數(shù)；

L——射孔深度m；

通過(guò)公式計(jì)算進(jìn)入整個(gè)地層時(shí)使用，ф76s直徑減壓孔的臨界深度在310～340m之間ф59S在290-320m之間。

8.4 深孔插入?yún)?shù)

鉆井泵的數(shù)量必須保證地質(zhì)巖粉的排出和鉆機(jī)的充分冷卻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，排出地質(zhì)巖粉所需的泵量需滿足冷卻鉆機(jī)的要求。我們可以通過(guò)排出石粉來(lái)確定泵的數(shù)量。返回清洗液的流速必須大于重粉清洗液中的沉降速度。根據(jù)理論值，可以克服金剛石滲透造成的碎屑沉積，并將清洗液的上下流速提高到0.8 m/s以上。射孔越深，下潛速度越快，必須增加上部和下部流量。

當(dāng)粗糙層顯示為小直徑時(shí)，流速降低，使粉塵顆粒懸浮在一個(gè)很小的直徑內(nèi)，泵停止運(yùn)行，泵停止運(yùn)行后，很容易造成堵塞的問(wèn)題，因此請(qǐng)?jiān)黾颖玫臄?shù)量，并確保巖石粉塵的排放?？紤]到泵沖頭對(duì)孔壁的影響以及對(duì)鉆頭胎座侵蝕的影響，選擇不應(yīng)太大。

9 結(jié)語(yǔ)

由上可知，鉆探技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提升我國(guó)地質(zhì)探查質(zhì)量和效率，且可以提供到最有價(jià)值的信息，有效提升資源的利用率。