岩土工程勘察研究方法 钻探工程在岩土工程勘察中的应用

钻探是指用一定的设备、工具(即钻机)来破碎地壳岩石或土层，从而在地壳中形成一个直径较小、深度较大的钻孔(直径相对较大者又称为钻井)，可取岩芯或不取岩芯来了解地层深部地质情况的过程。

钻探是岩土工程勘察中应用最为广泛的一种可靠的勘探方法，与坑探、物探相比较，钻探有其突出的优点：它可以在各种环境下进行，一般不受地形、地质条件的限制；能直接观察岩芯和取样，勘探精度较高；能提供进行原位测试和监测工作，最大限度地发挥综合效益；勘探深度大，效率较高。因此，不同类型、结构和规模的建筑物，不同的勘察阶段，不同环境和工程地质条件下，凡是布置勘探工作的地段，一般均需采用此类勘探手段。但钻探的缺点是，耗费人力物力较多、平面资料连续性较差，钻进和取样有时技术难度较大。

一、钻探的目的和作用

工程地质钻探的目的和作用是随着勘察阶段的不同而不同，综合起来有如下几个方面：

(1)查明建筑场区的地层岩性、岩层厚度变化情况，查明软弱岩土层的性质、厚度、层数、产状和空间分布；

(2)了解基岩风化带的深度、厚度和分布情况；

(3)探明地层断裂带的位置、宽度和性质，查明裂隙发育程度及随深度变化的情况；

(4)查明地下含水层的层数、深度及其水文地质参数；

(5)利用钻孔进行灌浆、压水试验及土力学参数的原位测试；

(6)利用钻孔进行地下水位的长期观测、或对场地进行降水以保证场地岩(土)的相关结构的稳定性(如基坑开挖时降水或处理滑坡等地质问题)。

二、我国岩土工程常用的钻探方法和设备

1．钻探方法及适用性

我国岩土工程勘探常用的钻探方法有冲击钻探、回转钻探、振动钻探和冲洗钻探；按动力来源又将它们分为人力和机械两种。其中机械回转钻探的钻进效率高，孔深大，又能采取岩芯，因此在岩土工程钻探中使用最广。

（1）冲击钻进：是利用钻具重力和下落过程中产生的冲击力使钻头冲击孔底岩土并使其产生破坏，从而达到在岩土层中钻进的目的。包括冲击钻探和锤击钻探。根据使用工具不同还可以分为钻杆冲击钻进和钢绳冲击钻进。对于硬质岩土层(岩石层或碎石土)一般采用孔底全面冲击钻进；对于其他土层一般采用圆筒形钻头的刃口借助于钻具冲击力切削土层钻进。

（2）回转钻进：是采用底部焊有硬质合金的圆环状钻头进行钻进，钻进时一般要施加一定的压力，使钻头在旋转中切入岩土层以达到钻进的目的。它包括岩芯钻探、无岩芯钻探和螺旋钻探，岩芯钻进为孔底环状钻进，螺旋钻进为孔底全面钻进。

（3）振动钻进：是采用机械动力产生的振动力，通过连接杆和钻具传到钻头，由于振动力的作用使钻头能更快地破碎岩土层，因而钻进较快。该方法适合于在土层中，特别适合于颗粒组成相对细小的土层中采用。

（4）冲洗钻进。利用高压水流冲击孔底土层，使之结构破坏，土颗粒悬浮并最终随水流循环流出孔外的钻进方法。由于是靠水流直接冲洗，因此无法对土体结构及其他相关特性进行观察鉴别。

上述四种方法各有特点，分别适应于不同的勘察要求和岩土层性质，《规范》对常用几种钻探方法的适用范围做出了明确的规定，详细情况见表3—2。

2．钻探设备

（1）钻杆：主动钻杆（又称机上钻杆），用于带动钻头向下钻进或连接取样器采取岩土样品或进行原位测试。位于钻杆柱的最上部，上端连接水笼头，以便向孔内输送冲洗液。主动钻杆的断面尺寸大，便于卡盘夹持回转，不易弯曲，其断面形状有圆形、两方、四方、六方和双键槽形。主动钻杆的长度应比钻杆的定尺长度与回转器通孔长度之和略长一些，常用的长度是4.5m或6m，直径为42mm和50mm，钻杆柱的连接方式有内、外丝连接和焊接。

（2）钻头：用于冲击或切削岩土体向下钻进。有硬质合金、钢粒、金刚石三种类型：硬质合金钻头适用于小于Ⅷ级的沉积岩及部分变质岩、岩浆岩；钢粒钻头适用于Ⅶ—Ⅻ级的坚硬地层；金刚石钻头适用于Ⅸ级以上的最坚硬岩层。金刚石钻进推荐的终孔直径为46mm或59mm；钢粒钻进为不小于91mm；硬质合金钻进常用59mm、76mm和91mm的钻头终孔，但用于煤系地层时应不小于76mm，用于无机盐勘探时应不小于91mm；用于工程地质勘查的终孔直径一般应不小于110mm，用于水井和工程施工的孔径可达300～500mm以上。确定了终孔直径以后，根据地层剖面找出需要加固的危险孔段，再设计对应孔段下入套管的直径和深度。

（3）钢管：又称套管、岩芯管。用于保护支撑孔壁变产生变形或坍塌。为了降低生产成本，应尽量少下或不下套管，有下列情况之一者必须下套管：

(1)下孔口管，以保护孔口处岩土层不被冲坏，并将冲洗液导向循环槽，孔口管的另一个重要作用是导正钻孔方向；

(2)加固很难用泥浆护壁的不稳定地层；

(3)隔离漏水层与涌水层；

(4)当设备负荷能力不足或处理孔内异常需要缩小一级孔径，而上覆地层又有坍塌块、缩径危险时。

套管柱的连接方法主要有三种：（1）直接连接，(2) 接头连接，(3)接箍连接。

3．钻探的基本程序

（1)破碎岩土

首先要进行破碎岩土的钻进工作，钻进可以采用人力或机械力(绝大多数情况下采用机械钻进)，以冲击力、剪切力或研磨形式使小部分岩土脱离母体而成为粉末、小岩土块或岩土芯的现象就称为破碎岩土。在孔底将岩土全部破碎成粉末或小块的钻进方法称为“全面钻进”。而钻进过程中只破坏孔底环状部分岩土，中间岩土芯保留的钻进方法称为“取芯钻进”。

（2)采取岩土芯或排除破碎岩土

这一过程又分为三种方法：一是采用机械的方法，如用取样器、勺钻等取出岩土芯或碎块粉末；二是将岩粉或岩土碎块与水混合成岩粉浆或泥浆后，用抽筒抽出地表，如冲击钻；三是用流体(泥浆、清水、乳化液或空气)作为循环介质，将破碎的岩屑、土块输送到地表。

（3)加固孔壁

当在地壳中形成钻孔之后，钻孔周围原来的地层平衡稳定状态遭到破坏，继而可能引起孔壁坍塌。因此钻孔后必须对孔壁进行加固，加固方法有三种：一是借助于循环液的静水压力来平衡地层的侧向压力以维持其稳定，这种方法在现代的反循环钻进中得到充分利用；二是用惰性材料或化学材料对孔壁进行处理加固，常用的惰性材料有水泥、粘土，化学材料有混入循环液中的泥浆处理剂，还有如直接注入钻孔中的堵漏剂，如氰凝、丙凝等；三是用金属或非金属的套管下入钻孔中以支撑孔壁，这种方法虽然可靠，但成本较高。