岩溶地区岩土工程勘察钻探技术的应用

2023-01-10

1 背景地质环境条件

龙岩盆地属石灰岩岩溶区, 且多为覆盖型岩溶区, 即第四系地层直接覆盖于石灰岩上, 岩溶 (溶洞、溶沟、溶槽、溶蚀裂隙) 、土洞、构造带、软弱土层在部分地段十分发育, 地下水活动频繁, 且十分丰富, 部分地段发育有地下暗河通道等;上部覆盖层中的卵石层分布、厚度、粒径、状态等变化较大, 工程地质、水文地质条件比较复杂。

在岩溶发育区进行工程建设, 拟建建筑物尤其是高层建筑或桥梁工程的地基基础方案主要采用冲 (钻) 孔灌注桩基础, 选用下部的石灰岩作为桩端持力层。桩端持力层的石灰岩必须具有一定厚度、完整性较好、无岩溶分布。为了准确地查明各个桩基范围内的岩溶发育规律、基本形态、规模大小、洞体顶底板埋深、充填情况和岩石完整性, 以便确定桩基的桩长、桩径、嵌岩深度, 在施工勘察设计阶段, 一般采用以钻探为主的勘察方法, 逐桩布置钻孔。

在岩溶地区进行岩土工程勘察的钻探过程中, 若对岩土工程地质条件的复杂性认识不足, 钻探施工前没有制定合理、有效的钻探技术方案和钻孔结构, 施工过程中可能会多次变更钻探技术手段, 严重影响钻探效率、勘察质量, 造成安全隐患和经济损失。

2 工程地质钻探的目的及其方法

工程地质勘察钻探是直接获取岩土工程第一手基础资料的基本手段, 是用钻机通过钻具从地表向地下钻进, 在地层中形成圆柱形钻孔, 并从钻孔中的不同深度处获得岩芯, 取得岩样、土样、水样;目的是能从所勘察的地层鉴别岩土性质, 确定地层的埋藏深度与厚度, 取得符合质量要求的试样或进行原位测试, 查明钻进深度范围内地下水的赋存情况;其成果是进行工程地质评价和岩土工程设计、建筑物基础设计以及基础施工的基础资料。因此, 钻探技术的高低对整个勘察的质量起决定性和作用。

工程地质勘察钻探方法, 主要有回转钻探 (螺旋钻探、无岩芯钻探、岩芯钻探) 、冲击钻探 (冲击钻探、锤击钻探) 、振动钻探、冲洗钻探等。

选择钻探方法时, 应考虑地层的特点及钻探方法的有效性;能保证以一定的精度鉴别地层, 了解地下水的情况, 尽量避免或减轻对取样段的扰动影响;钻进的深度和岩土层分层深度、回次进尺、岩芯采取率等都有相应的质量、精度要求。

3 龙岩盆地的主要岩土工程地质条件

3.1 地形地貌

龙岩盆地地貌属河流堆积阶地, 一般为Ⅰ、Ⅱ堆积阶地, 地形一般起伏不大。

3.2 主要岩土体特征

杂填土 (1) :松散状态, 主要由人工堆积物、粘性土组成。

粉质粘土 (2) :灰黄色, 可塑状态。

淤泥质土 (3) :流塑-软塑状态, 含有机质及腐烂木块。

卵石 (4) :稍密-中密状态, 粒径一般30mm~150mm, 部分地段夹有漂石, 粒径大于200mm。

含角砾碎石粉质粘土 (5) :可塑状态, 局部呈软塑状态, 部分地段夹有块石。

含角砾粉质粘土 (土洞充填物) (6) :流塑状态, 土质极松软。

中风化石灰岩 (7) (Plq) :中风化-微风化状态, 岩石坚硬, 完整性较好, 部分地段裂隙发育, 岩石破碎, 上部地段岩溶 (溶洞、溶沟、溶槽) 较发育。岩面起伏不平, 高差较大。所见溶洞多属裂隙状溶洞, 发育、分布无规律, 方向呈多向性, 洞体大小不一, 最大的顶底板间距 (高度) 数米、十几米, 最小的仅数厘米, 部分地段多层溶洞分布在不同的平面上。溶洞多被呈可塑-软塑状态的含角砾碎石粉质粘土充填物所充填, 少量无充填。

3.3 地下水

上部为第四系孔隙潜水, 主要含水层为卵石 (4) , 富水性强。

下部为石灰岩岩溶地下水, 具有承压性, 富水性强。

4 钻探施工前设备、技术准备

进场施工前, 应根据场地所处的地质环境条件和勘察任务的要求, 进行钻探施工设备、技术的准备。

4.1 设备和材料准备

由于工程勘察钻孔一般深度较浅, 钻探设备一般采用XY-100、GXY-150型液压钻机, 钻探前应准备不同口径、规格的钻具、套管、普通岩芯管、双层岩芯管、合金钻头、金刚石钻头、膨润土粉、打捞工具、粘性较大的粘土 (黄土) 、水泥及其它配套设备。

4.2 钻探技术准备

钻探施工技术准备, 除了满足岩土工程勘察的一般要求外, 重点是怎样有效、快速地穿越第四系覆盖层, 进入石灰岩地层, 针对第四系地层和石灰岩的岩溶发育状况, 预测钻探施工过程中可能出现的问题, 做好相应的钻进方法、钻孔结构、套管程序、堵漏等预案措施, 并做好钻探工人的技术培训和技术交底。

5 不同地层的钻探施工技术

5.1 粘性土 (填土、粉质粘土、淤泥质土、混合土等) 钻进技术

开孔后的前若干回次, 一般采用锤击钻进;取土试样或原位测试的钻孔则采用回转钻进或泥浆护壁回转钻进, 必要时采用套管护壁。为满足分层精度要求, 回次进尺一般<2.0m。

5.2 卵石层钻进技术

(1) 厚度不大时, 一般采用回转钻进或泥浆护壁回转钻进, 钻穿卵石层后, 打入套管, 起保护孔壁的作用。

(2) 厚度较大、密实度较高时, 主要采用回转钻进, 由于卵石层中一般含有地下水, 卵石间孔隙较大, 钻进时孔内一般会出现孔内漏水现象, 孔壁易坍塌, 往往在钻孔中加入粘土 (黄土) , 在钻进过程中起暂时性护壁的作用。回转钻进中若未出现塌孔现象, 则继续钻进, 若出现塌孔现象, 加大泥浆浓度或采用套管跟管钻进方法, 即钻入卵石层一定深度 (一般不大于2.0m) 后, 起拔钻具, 击入相应口径套管, 如此反复。由于卵石层一般呈中密-密实状态, 粒径较大, 局部含有漂石, 套管击入过程中, 钻进阻力相当大, 宜采用厚壁 (壁厚1cm左右) 套管、用重锤击入, 效果较好;若用普通的套管, 击入时易卷口, 应加套管鞋, 否则, 达不到预定的深度。

(3) 当卵石层的粒径较大或含有漂石时, 卵石颗粒之间有一定的孔隙, 胶结程度较差, 采用回转钻进, 遇卵石粒径大于钻具的口径, 卵石颗粒往往会与钻具一起旋转 (跟转) , 此时较好的方法是加大泥浆浓度、加大钻机下压力及降低钻速, 必要时采用金刚石钻头, 可以收到较好效果。

(4) 击入套管后, 套管中可能留有卵石, 回转钻进时, 个别卵石会卡在岩芯管与套管之间, 套管跟着岩芯管转, 采用正丝时, 可能出现丝扣滑脱现象, 发生套管脱落, 宜在管接头处点焊套管加固, 当采用反丝套管时一般不易出现丝扣滑脱现象。

(5) 厚壁岩心管击入钻探方法。无论卵石厚度大小, 当进尺至卵石层时, 直接采用厚壁 (壁厚1cm左右) 岩芯管 (配置长度宜在2.0m以上) , 用重型吊锤 (大于100kg) 反复击入, 进尺效果较好。其原理是重锤击入时对卵石有击碎、挤压的作用, 且岩芯管为厚壁, 不易卷口。击入过程中可加入粘土 (黄土) , 起暂时性护壁的作用。击入一定深度后, 起拔岩芯管, 带出岩芯, 如此循环, 可达预期深度。此时有泥浆护壁, 一般不易塌孔;若出现塌孔, 可下入第一级套管, 下回次进尺时变小径岩芯管。

(6) 先钻进后击入套管法。开孔保持较大孔径, 当进尺至卵石层时, 采用厚壁岩芯管击入卵石层一定深度后, 停止锤击, 将厚壁岩芯管留在孔内, 然后击入比厚壁岩芯管大一级的套管, 注意击入的套管深度不宜大于岩芯管深度, 尔后起拔预留孔内的岩芯管, 取出岩芯, 然后再采用厚壁岩芯管击进卵石层一定深度后, 加长套管击入, 如此循环, 效果较好。若遇卵石 (漂石) 粒径大于岩芯管的口径时 (即锤击反弹或久击不进时判断可能遇较大卵石或漂石) , 可先采用小口径钻具超前掏芯预钻, 再击入套管。

5.3 软土 (淤泥质土、土洞或土洞充填物) 钻进技术

无论采用何种钻进方法, 进尺都比较快, 遇土洞或土洞充填物, 一般会出现掉钻现象, 即钻具在不加压、不转动时在自重状态下往孔内自动下落。

由于淤泥质土塑性低, 土质松软, 提钻后一般会出现孔内缩径现象, 第二次下钻时达不到原来孔深;土洞若无充填或充填物少, 具有一定空间, 第二次下钻时可能会偏移原孔位;若土洞呈充填状态, 由于土洞一般与下部灰岩联系密切, 钻进该层时孔内一般会出现大量漏水或全泵量漏水, 地下水位急剧变化, 孔壁易坍塌。

因此, 钻进至软土层时宜采用肋骨钻头, 加大孔径, 并在钻探至软土后, 及时下入套管保护孔壁。

5.4 岩溶石灰岩钻进技术

(1) 在岩土工程勘察过程中, 尤其是采用冲 (孔) 灌注桩基础的建 (构) 筑物, 由于桩端持力层应置于完整性较好、有一定厚度 (视设计桩径及单桩承载力) 、无岩溶发育的石灰岩中。因此查明设计深度范围内石灰岩岩溶发育规律、基本形态、规模大小, 洞体顶底板埋深、充填物情况和岩石完整性等情况就是岩土工程勘察重点任务。

龙岩盆地多属覆盖型岩溶区, 浅部石灰岩的岩溶十分发育, 在钻探过程中, 钻进至石灰岩面或接近石灰岩面时, 孔内一出现大漏失或全泵量漏水、漏浆现象, 无返浆, 特别是钻遇充填溶洞, 易发生孔内埋钻、坍塌事故, 影响施工安全。岩溶裂隙一般发育区, 采用膨润土粉、粘性黄土、水泥浆等护壁, 有一定的效果;若遇溶洞、溶沟、溶槽等岩溶发育区时, 效果并不佳。

岩溶石灰岩层的钻探施工技术重点, 是解决钻探过程的孔内漏水、漏浆、塌孔、套管跟进以及钻遇一层或多层溶洞中成孔的问题。

岩溶区的钻探施工工艺一般采用合金回转钻进或金刚石单动双管回转钻进、泥浆或套管护壁成孔的钻进方法。钻探漏浆分为岩溶裂隙漏浆和溶洞漏浆。

(2) 泥球护壁结合套管法:对于岩溶裂隙 (或小溶洞) 漏浆, 在采用膨润土粉、黄土 (泥) 、水泥浆等护壁效果不明显的情况下, 可向孔内回填湿粘土球, 下入钻具在孔内上下活动挤压, 将泥球挤进岩溶裂隙间或成为泥浆, 尔后转动钻具扫孔, 让泥球挤压孔壁, 达到填充裂隙、保护孔壁的目的。用做泥球的粘土, 宜塑性较大、粘结性强 (混合适量水泥提高泥皮强度) , 不易被冲洗液冲刷掉, 可有效堵住岩溶裂隙, 阻止漏浆, 保证正常的钻探施工。但由于岩溶地下水富水性较好, 具有承压性, 地下水活动较频繁, 当继续钻进时, 由于地下水的活动和稀释作用, 泥浆浓度会降低, 再继续钻进可能造成孔内再次渗漏, 在未达到设计钻孔深度时, 可重复上述方法。

若为空溶洞或充填物较少呈流软塑状态时一般可钻进第一层溶洞底或继续往下钻进;若为充填溶洞, 由于溶洞充填物结构较松散, 钻进时的扰动等原因, 将可能遇到卡钻、孔壁坍塌、掉块、二次下钻时不能到达原孔位或孔深等问题, 此时, 应进行捞渣工作, 并下入第一级套管 (不计上部覆盖层的套管) , 再捞渣, 边锤击套管跟进, 如此循环, 直到溶洞底部。一般情况下同一层溶洞钻具、套管不宜变径;当第一层套管到位后, 变径在第二层溶洞钻进, 下入第二级套管。这样的钻进方法比较费时费力。由于口径的限制, 对于只有2~3层的溶洞, 可以达到钻探设计深度。

(3) 多层套管护壁法:溶洞规模较大, 尤其是空溶洞串 (连续多个溶洞) 、半充填或溶洞充填物呈流塑-软塑状态时, 向孔内投泥球难于护壁, 可采用跟管钻进。在钻探施工实践中, 由于地层复杂多变, 宜采用综合措施, 即先小径超前钻进, 大径扩孔, 多次变径、下入多层套管的钻进方法。

对于多层套管、变径钻进的方法, 钻探施工前要分析已有的邻近场地的岩土工程资料, 了解场地溶洞发育程度及在设计钻探深度内可能出现的溶洞个数, 正确设计钻孔结构和套管程序, 开孔口径要留有余地, 将较大直径的厚壁套管击到灰岩面隔离上部覆盖层后, 采用Ф75mm金刚石单动双管钻进, 遇到溶洞后, 提起钻具, 取出岩芯, 再用Ф146mm合金钻具扩孔钻进, 直到溶洞底部或进入岩石一定深度, 把Ф146mm岩芯管作为第二级套管, 留在钻孔内, 换小一径金刚石单动双管钻进;在具有多层溶洞的岩溶区中钻探, 可能要采用Ф127mm至Ф73mm等多层的套管, 逐级换径或跨级换径如Ф146mm管内放入Ф108mm管, 这样便于钻机操作, 防止钻具卡在套管内。

6 结语

(1) 本文通过对石灰岩岩溶地层的工程地质勘察钻探施工中, 对钻进过程的施工工艺和成孔工艺技术进行探讨和总结, 由于岩溶地区的复杂性, 上部覆盖层卵石层厚度、粒径、厚度、状态变化较大, 下部石灰岩中的溶洞、溶沟、溶槽、溶蚀裂隙等较发育, 且其发育程度、方向、规模等无规律可循, 不确定性因素极大, 不同场地的地质环境条件差异很大, 因此应根据具体场地、勘察设计任务要求灵活选用适宜的钻探技术方法, 对多种钻探技术方案进行比对、组合, 确定较可行钻探技术方法, 达到岩土工程勘察的钻探目的。

(2) 通过岩溶地区工程地质勘察钻探实践, 应注意收集施工场地及相邻场地地层资料及已施工钻孔的资料, 正确进行钻孔结构设计, 确定开孔孔径及可能须下入的套管层数, 留有换径余地, 以确保在钻遇多层溶洞时能顺利施工到设计孔深。

(3) 根据岩溶地区地质条件的复杂性、钻探技术有较大的难度, 灵活选用泥浆、泥球、击入套管隔离等护壁方法;适时采用锤击钻进、回转钻进、小径打大径扩孔等多种钻探技术方法, 可以少走弯路, 以达到工程勘察的钻探目的。

摘要：岩溶地区岩土工程勘察, 关键是穿越上部覆盖层, 查明岩溶 (溶洞、溶沟、溶槽) 的发育情况, 钻探是解决这些问题的基本手段。本文通过实际工作经验, 对岩溶地区岩土工程地质钻探过程的施工工艺和成孔工艺技术进行探讨和总结, 交流有关岩溶地区的钻探技术的方法, 有利于提高岩土工程勘察钻探水平。

关键词：岩溶地区,工程勘察,钻探