復(fù)雜地質(zhì)條件下巖土工程勘察技術(shù)的運用分析

摘 要：某公路橋梁工程的巖土地質(zhì)條件較為復(fù)雜，以丘陵和流水侵蝕堆積地層為主，同時存在滑坡、采空區(qū)塌陷、泥石流等不良地質(zhì)因素。在工程勘察工作中，采用鉆探取樣技術(shù)分析鉆進(jìn)工藝、鉆探設(shè)備選型以及鉆探施工的相關(guān)計算。將巖芯單回次進(jìn)尺深度設(shè)計為3.0m，隨著鉆孔深度增加，巖芯采取率逐漸下降，并且整體偏低。通過改進(jìn)技術(shù)措施，將單次進(jìn)尺深度改為2.0m，同時減少鉆進(jìn)壓力和降低速度。經(jīng)檢測，巖芯采取率升至76.5%以上，達(dá)到規(guī)范要求。地質(zhì)鉆探是巖土工程勘察的重要技術(shù)手段，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較為復(fù)雜時，需要結(jié)合實際情況，合理選擇鉆探工藝，同時根據(jù)鉆進(jìn)效率、鉆進(jìn)質(zhì)量、巖芯采集率，調(diào)整部分工藝參數(shù)，降低擾動因素的影響。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜地質(zhì)條件；巖土工程勘察；鉆探取芯

中圖分類號：U 412 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 公路橋梁工程復(fù)雜地質(zhì)條件概況

某公路橋梁工程全長為40km，橋梁段長度為1.22km。作業(yè)區(qū)地形地貌以丘陵和流水侵蝕堆積形成的碎石土、卵石土為主。丘陵的海拔在400～600m，分布有大量的“V”形或“U”形溝谷。根據(jù)現(xiàn)有資料，該項目地層編號為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)以及下更新統(tǒng)。路基施工范圍存在較多的不良地質(zhì)因素，具體包括滑坡、泥石流、采空區(qū)沉陷以及熔巖塌陷區(qū)。整體地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

2 巖土工程勘察技術(shù)運用方法

在公路路基巖土工程勘察中，可采用多種技術(shù)，例如物探法、鉆探法。為了提高地質(zhì)勘察的準(zhǔn)確性，該項目擬定運用鉆探法獲取巖土樣本。

2.1 土壤水腐蝕性分析

腐蝕性分析是在巖土工程中評估土壤或地下水對金屬結(jié)構(gòu)、管道或設(shè)備腐蝕程度的過程。從電化學(xué)腐蝕的視角來看，在土壤或地下水中，金屬結(jié)構(gòu)可能成為陽極并發(fā)生氧化反應(yīng)，而其他物質(zhì)（例如水中的氧氣）則在金屬表面作為還原劑參與陰極反應(yīng)。其中，鐵的電化學(xué)腐蝕過程如下。

陽極反應(yīng)：Fe→Fe2++2e-

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-

綜合反應(yīng)：4Fe+O2+2H2O→4Fe（OH）2

從化學(xué)腐蝕的視角來看，土壤或地下水中的化學(xué)物質(zhì)直接與金屬發(fā)生反應(yīng)，可能出現(xiàn)腐蝕問題。例如硫酸根離子（SO42-）和氧氣（O2）可與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成鐵酸鹽，加速金屬腐蝕。該反應(yīng)過程如下。

Fe+H2SO4+1/2O2→FeSO4+H2O

基于上述化學(xué)反應(yīng)，施工人員可以更好地評估腐蝕對金屬結(jié)構(gòu)的影響，并采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。

2.2 鉆探施工設(shè)計

2.2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)的淺孔鉆探設(shè)計中，等徑圓孔是較為常用的一種鉆孔結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計在實踐中存在一些明顯的不足。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多變性，因此等徑圓孔在鉆探過程中往往容易引發(fā)孔壁陷落、孔徑變形以及卡鉆等問題。這些問題不僅會影響鉆探工作的順利進(jìn)行，還可能對鉆探設(shè)備造成損害，增加鉆探成本。為了克服這些困難，本項目提出一種創(chuàng)新的鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。該方案將鉆孔結(jié)構(gòu)分為三級，每一級都有不同的孔徑。第一級孔徑為168mm，這種孔徑設(shè)計目的是快速穿透較軟的地層，提高鉆探效率[1]。第二級孔徑為136mm，這種設(shè)計能夠在進(jìn)入較硬地層的過程中保持鉆孔的穩(wěn)定性，減少孔壁陷落的風(fēng)險。將第三級孔徑縮小至53mm，這種設(shè)計能夠保證鉆探到目標(biāo)地層時獲得高質(zhì)量的巖心樣本。這種三級鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅考慮了地質(zhì)條件的復(fù)雜性，還充分利用了不同孔徑在鉆探過程中的優(yōu)勢。通過合理的孔徑變化，該設(shè)計方案能夠在保證鉆探效率的同時，有效避免孔壁陷落、孔徑變形以及卡鉆等問題。

2.2.2 鉆進(jìn)工藝

2.2.2.1 鉆進(jìn)方法選型

當(dāng)?shù)貙拥目摄@性在7級以下時，提鉆金剛石巖芯鉆是一種非常有效的鉆探方法。這種方法利用金剛石鉆頭的高硬度和耐磨性，能夠在多種巖石地層中實現(xiàn)高效鉆進(jìn)，同時保證巖芯的完整性和采樣率。然而，在實際工程中，往往會遇到更為復(fù)雜多變的地質(zhì)條件。特別是在一些特殊路段，例如采空陷落區(qū)、熔巖塌陷區(qū)等，地層結(jié)構(gòu)往往松散破碎，這為鉆探工作帶來了極大的挑戰(zhàn)。在這些區(qū)域，傳統(tǒng)的提鉆金剛石巖芯鉆探方法可能會遇到鉆進(jìn)效率低、巖芯采樣率低等問題。這不僅影響鉆探工程的進(jìn)度，還可能對后續(xù)的路基施工帶來安全隱患。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，施工企業(yè)通過現(xiàn)場測試，探索了一種更為適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件的鉆探方法，即跟管鉆進(jìn)與泥漿護(hù)壁相結(jié)合法。這種方法結(jié)合跟管鉆進(jìn)技術(shù)的高精度以及泥漿護(hù)壁技術(shù)穩(wěn)定性的優(yōu)勢，有效解決了松散破碎地層中鉆探效率低、巖芯采樣率低的問題。跟管鉆進(jìn)技術(shù)通過在鉆進(jìn)過程中不斷跟進(jìn)套管，保證鉆孔的垂直度，有效防止了地層坍塌。而泥漿護(hù)壁技術(shù)則通過在鉆孔中注入特制的泥漿，形成一層保護(hù)壁，防止地層顆粒的流失和坍塌，進(jìn)一步提高了鉆進(jìn)效率和巖芯采樣率。

2.2.2.2 鉆具選型

用鉆具連接鉆桿和鉆頭，該項目可采用?75、?130兩種規(guī)格的鉆具，材質(zhì)為合金[2]，對應(yīng)的鉆桿為?42、?50巖芯鉆桿。

2.2.2.3 鉆頭選型

鉆頭選型主要受到基巖類型、基巖完整度的影響，上覆層通常硬度較低，隨著鉆孔深度增加，基巖的破碎程度逐漸降低，鉆進(jìn)難度持續(xù)上升。當(dāng)選擇鉆頭時，需要綜合考慮巖石粒度、鉆頭級別、鉆進(jìn)效率以及地層破碎程度等因素。結(jié)合該項目實際情況，選取金剛石鉆頭和復(fù)合片鉆頭。

2.2.2.4 鉆進(jìn)參數(shù)

鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)計的重點是鉆進(jìn)壓力、鉆頭轉(zhuǎn)速以及沖洗液量。鉆進(jìn)壓力與金剛石鉆頭的類型相關(guān)，對表鑲鉆頭來說，鉆進(jìn)壓力P=δ×G×f，其中，P為鉆進(jìn)壓力，δ、G、f分別為巖石抗壓強度、鉆頭底唇面金剛石的數(shù)量、單顆金剛石與巖石的接觸面積。可通過查表獲得參數(shù)δ和f，以巖石抗壓強度δ為例，可根據(jù)表1取值。在該項目中，基巖類型主要為砂巖，δ為100MPa，單顆金剛石與巖石的接觸面積為0.14mm2，參數(shù)G為0.75，代入公式，計算出P為10.5MPa。鉆頭轉(zhuǎn)速應(yīng)該與鉆頭直徑相適應(yīng)，直徑和轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系見表2。鉆頭鉆進(jìn)過程不斷生熱，用沖洗液冷卻鉆頭，其用量Q=6VF，F(xiàn)為鉆頭環(huán)狀面積，V為環(huán)狀間隙反流速度。

2.2.3 鉆探設(shè)備選型

2.2.3.1 鉆機

鉆機類型多樣，主要區(qū)別是鉆孔直徑、鉆進(jìn)深度，公路路基勘察施工多為淺孔作業(yè)，宜采用汽車鉆，當(dāng)巖芯硬度較大時，可改用巖芯鉆。經(jīng)過對比，擬定采用GSD-Ⅲ型汽車鉆和XY-1型巖芯鉆。GSD-Ⅲ型汽車鉆的鉆孔直徑在120～1500mm，最大鉆孔深度為40.0m。XY-1型巖芯鉆的最大鉆孔深度為100m，終孔直徑為75mm。

2.2.3.2 鉆塔

常用的鉆塔分為直塔、斜塔和人字塔，當(dāng)選擇鉆塔時，需要計算鉆塔的高度，其計算過程如公式（1）所示。

H=k（lCB+lk） （1）

式中：H為鉆塔高度；k為鉆具高度的調(diào)節(jié)系數(shù)，取值為1.2～1.5；lCB為鉆桿立桿的長度；lk為提升工具組的長度。鉆探應(yīng)滿足鉆機的使用需求，該項目大部分鉆機為XY-1型巖芯鉆，與之適應(yīng)的鉆塔為人字形鉆塔[3]。經(jīng)計算，鉆塔高度為13m。

2.2.3.3 水泵

水泵是鉆孔過程中供應(yīng)沖洗液的主要設(shè)備，當(dāng)選擇水泵時，需要計算泵量QH，其計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：F為活塞面積；f為拉桿面積；S為活塞的行程；nx為活塞每分鐘的往返次數(shù)；a為水泵的充滿系數(shù)，取值為0.8～0.9。水泵的單位時間供水量應(yīng)不低于QH。

2.2.4 鉆探相關(guān)計算

2.2.4.1 套管作用載荷計算方法

套管的作用是鉆進(jìn)導(dǎo)向、保護(hù)孔口以及防止孔壁坍塌，通常采用鋼制套管。采用公式（3）計算套管上的拉力。

（3）

式中：pk為套管柱上產(chǎn)生的拉力；g為重力加速度；q為每米套管的質(zhì)量；L為套管的總長度；ρ為沖洗液的密度，通常采用清水；ρM為管材密度。鉆探施工中對套管柱的下放深度提出了嚴(yán)格的要求，如果下放深度過大，就容易造成套管失穩(wěn)[4]。將套管的極限下放深度記為Znp，則該參數(shù)的計算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：F0為套管車扣部分的危險斷面；σT為管材的屈服極限。

2.2.4.2 水泥固孔計算

巖土工程鉆探勘察可在路基上形成較多的淺孔，在巖芯取樣結(jié)束后，應(yīng)該對鉆孔進(jìn)行處理，以提高路基的穩(wěn)定性，常用的處理措施為向孔內(nèi)灌注水泥。采用公式（5）計算鉆孔內(nèi)灌注水泥漿液的體積。

（5）

式中：VH為鉆孔灌注泥漿的用量；V1為管外水泥漿液的體積；V2為管內(nèi)水泥漿液的體積；K1為調(diào)節(jié)系數(shù)，用于抵消水泥漿液向孔內(nèi)滲漏造成的損失，取值為1.2～1.4；Dc為鉆孔直徑；D和d分別為套管外徑、套管內(nèi)徑；h1為套管外水泥漿液的高度；h2為套管內(nèi)水泥漿液的高度。

2.3 巖芯取樣技術(shù)

2.3.1 巖芯采取率計算方法

以高速公路橋梁段地質(zhì)鉆探為例，鉆孔數(shù)量為10個，編號為ZK21650C、ZK21800C、ZK23070C等。在鉆進(jìn)過程中，將一個回次的進(jìn)尺深度設(shè)計為3.0m。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，對完整或較完整的巖體來說，巖芯采取率不得低于80%，對較破碎或破碎的巖體來說，巖芯采取率不得低于65%。巖芯采取率=巖芯長度/取巖芯進(jìn)尺深度×100%。

2.3.2 巖芯采取率數(shù)據(jù)

每個鉆孔都可產(chǎn)生相應(yīng)的巖芯采取率數(shù)據(jù)，由于鉆孔較多，因此僅展示鉆孔ZK21650C的巖芯采取率數(shù)據(jù)，從中可知，隨著鉆孔深度增加，巖芯采集長度、巖芯采取率以及累計平均采取率均呈下降趨勢。統(tǒng)計前3個鉆孔的巖芯采取率，總鉆孔深度均為60m，共計20回次，10～20回次的巖芯采取率大多低于65%，不符合要求。巖芯采取率數(shù)據(jù)示例見表3。

2.3.3 提高巖芯采取率的技術(shù)措施

2.3.3.1 適當(dāng)降低回次進(jìn)尺

在鉆探的前3個鉆孔中，單回次進(jìn)尺深度均為3.0m。在此深度下，隨著鉆孔深度增加，取樣行程也相應(yīng)增加，提升過程中的擾動因素也隨之增多，這些因素都可能引起巖芯脫落，導(dǎo)致采取率偏低。為了解決這個問題，施工人員需要考慮適當(dāng)降低單回次進(jìn)尺深度，控制取樣長度，從而減少巖芯的自重。當(dāng)巖芯的自重減少時，就不容易在提升過程中脫落。因此，在后續(xù)的鉆孔施工中，施工人員決定將單回次進(jìn)尺深度縮減為2.0m。除了降低單回次進(jìn)尺深度外，還有其他一些方法可以防止巖芯脫落。例如，可以增加巖芯管的直徑，減少巖芯與管壁的摩擦力。此外，還可以在巖芯管內(nèi)部添加一些潤滑劑，進(jìn)一步減少巖芯與管壁的摩擦。這些方法都可以有效地提高巖芯的采取率，降低巖芯脫落發(fā)生概率（表4）。

2.3.3.2 合理配置泵量、鉆速以及鉆進(jìn)壓力

鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)壓力以及單位時間內(nèi)的沖洗液用量均屬于擾動性因素，為了提高巖芯采取率， 可適當(dāng)降低鉆進(jìn)速度和減少鉆進(jìn)壓力，相應(yīng)的泵量也需要同步降低（表5）。

2.3.4 巖芯采取率提升效果

在采取改進(jìn)措施后，以ZK23580C鉆孔為例，孔深度同樣為60m，鉆孔回次增至30個，單回次進(jìn)尺深度為2.0m。統(tǒng)計每個回次的巖芯采取率，最低值為76.50%，最高值為92.50，采取率顯著提高，并且滿足技術(shù)規(guī)范[5]。

3 研究結(jié)果討論

該項目為高速公路工程，部分路段為公路橋。地質(zhì)條件較為復(fù)雜，涵蓋丘陵、流水侵蝕堆積地層，施工范圍內(nèi)具有多種不良的地質(zhì)因素，例如采空區(qū)沉陷、滑坡、泥石流等。在巖土工程勘察階段，采用鉆探取樣的技術(shù)方案。

研究過程分析了鉆進(jìn)方法、鉆具、鉆頭、鉆機、鉆塔的選型方法，指出套管作用載荷和水泥固孔的理論計算方法。

巖芯采集是分析路基工程特性的關(guān)鍵工序，在橋梁段路基鉆孔勘探的初期階段，單回次進(jìn)尺深度為3.0m，導(dǎo)致整體巖芯采取率偏低，未達(dá)到規(guī)范要求。改進(jìn)措施為降低單回次進(jìn)尺深度、適當(dāng)降低鉆進(jìn)壓力和速度，合理設(shè)置泵量。

4 結(jié)語

該項目為公路橋梁工程，地質(zhì)條件以流水侵蝕堆積地層和丘陵地貌為主，作業(yè)區(qū)附近存在采控陷落區(qū)、熔巖塌陷區(qū)，為保證施工質(zhì)量，采用鉆探采樣的技術(shù)方法，勘察工程地質(zhì)特性。研究過程分析了鉆進(jìn)工藝方法、鉆探設(shè)備選型，提出關(guān)鍵工程參數(shù)的理論計算方法。通過減少單回次進(jìn)尺深度、鉆進(jìn)壓力和降低鉆進(jìn)速度，提高了巖芯采取率。

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