4钻探与坑探

第三节工程地质钻探与坑探一、钻探工程钻探是根据岩土工程的目的和要求，以及工程建设的需要，利用动力机械和钻具向指定的地层进行钻孔的施工工程。借助于钻探直接取得拟定深度和直径的岩芯、土样、水样、气样等实物样品，用以分析鉴定地质岩层及构造，确定土的物理力学性质和地层形成年代，或者钻凿专门供工程用途的钻孔以满足国民经济济建设的需求。（一）主要钻探方法1、冲击钻进利用钻具重力，冲击孔底，将岩石捣碎，全面地破碎孔底岩石，称为冲击钻进。冲击钻进根据使用工具不同，有钻杆冲击和钢丝绳冲击两种；按地层情况，对基岩和卵碎石土，一般采用十字钻头和一字钻头；对土层一般采用圆筒形钻头。2、回转钻进利用硬度高、强度大的研磨材料和切削工具，在一定压力下，以回转的形式来破碎岩石，称回转钻进。回转钻进又可分为两类；一类是孔底全面钻进，即将孔底岩石全部破碎，如用三牙轮钻头钻进，这种方法只能取出岩粉，不能取出岩心；另一类是孔底环状钻进，即以环状工具破碎岩石，在钻孔中心部分留下一根柱状岩石（称岩心）。a—金刚石钻进用的钻具；b—硬质合金钻进用的钻具；c—无岩心钻进用的钻具；d—钻粒钻进用的钻具1—钻机；2—发动机；3—泥浆泵；4—钻塔；5—钢丝绳；6—水龙头；7—送水管；8—吸水管；9—水源箱；10—主动钻杆；11—套管；12—钻杆接箍；13—钻杆；14—钻杆锁接头；15—沉淀管；16—沉淀管接头；17—岩心管；18—钻粒钻头；19—钻铤；20—钻铤接箍；21—铤锁接头；22—岩心管接头；23—扩孔器；24—金刚石钻头；25—刮刀式钻头；26—硬质合金钻头（三）钻孔结构为了顺利地进行工程钻探施工，在制定勘察方案之后，对于勘察区城内所布置的钻孔，必须进行钻孔结构和技术设计的研究。钻孔结构是指由开孔至终孔孔身口径的变化.钻孔结构的选择，主要考虑地层岩性、水文地质条件、取芯要求、终孔口径、钻孔深度、钻进方法以及钻孔用途等因素。在保证钻孔、质量和安全钻进的前提下，尽可能地采用泥浆护壁，力求少换径，少下或不下套管。一般来说，换径次数愈多，钻孔结构愈复杂，换径次数少，则钻孔结构简单。力求钻进速度快、质量好、成本低、最大限度地简化钻孔结构。工程勘察时，在地层复杂的钻孔中，遇到下列情况，其对策如下：1钻进松散的砂砾层、流砂层、受地下水影响，用泥浆护孔无效时，下套管换径钻进；2穿过较厚的节理、裂隙发育的破碎带，坍塌、掉块严重，采用泥浆、水泥浆或其它护孔堵漏方法均无效时，下套管换径钻进；3钻孔遇到含水构造或大裂隙贯通，严重涌水，用其它方法止水无效时，可下套管止水后换径钻进4钻孔达到一定深度后，为了适应设备负荷的能力，可换径钻进。（四）岩心采取1对岩心采取质量的要求1）工程地质钻探对岩心采取率的要求见表2）岩心的完整程度采出岩心保持的结构、构造（如矿物颗粒的形状、大小、胶结状态、原始结构面、风化裂隙等）所反映的原地层实际情况的程度，称为岩心的完整程度。钻探中，要求岩心应有较好的完整程度，避免钻进、采心过程中对岩心的人为破碎，颠倒和扰动，尽量保持岩心的原生特征。3）岩心的代表性岩心取出部位（埋藏深度、厚度、产状等）的准确程度。要求取出岩心的位置准确，以正确判定地层与构造。2影响岩心采取质量的因素1）地质因素地层松软或岩层破碎，岩心在岩心管内受到震动、冲蚀、相互磨损，造成岩心采取率低和岩心完整程度差。易被溶蚀的岩层（如盐岩、泥灰岩等），受到冲洗液的冲蚀与溶解，造成岩心采取率低。2）人为因素金刚石钻进的取心质量优于硬质合金钻进，更优于钻粒钻进；钻压、转速过高，使岩心振动、磨耗增加；过低则钻速下降，延长了岩心受破坏作用的时间。泵量过大，会加剧岩心被冲毁和磨耗的破坏作用。钻头直径过小，则岩心抵抗破碎的能力愈小，特别是当钻进有较多裂隙、较脆的岩层时，影响更大3提高岩心采取质量的措施为提高岩心采取质量，必须根据岩层特点，正确选择钻进方法、取心工具，确定适宜的钻进规程和操作方法1）无泵钻进法分为孔内无冲洗液和有冲洗液两种。孔内无冲洗液无泵钻进法也称干钻法。适用于松软土层中的钻探，可提高岩心采取率；当需摸清所钻地层的水文地质情况时亦常采用，如滑坡地区的钻探。孔内有冲洗液无泵钻进法适用于松软、脆、碎、怕冲蚀、溶蚀的岩层中钻探。2）喷射式孔底反循环钻进喷射式孔底反循环钻进适用于硬、脆、碎地层及松软、胶结性差、易磨损地层的钻进。喷射钻具型式较多，但工作原理基本相同。钻进时，泵送高压冲洗液由钻杆进入喷嘴，并高速射入扩散管，在喷嘴与扩散管间形成负压区，使孔底液流经岩心管吸入扩散管中。3）双层岩心管钻进可分为双动双管和单动双管钻具两大类。双管钻具具有避免冲洗液冲刷岩心的特点，因而适用于松散或怕冲刷的地层，可提高岩心的采取质量。其中单动双管钻具，由于内管不转动，可避免因钻具转动所造成的机械破坏岩心作用。二、勘探技术要求及编录（一）勘探技术要求1钻进深度、岩土层面深度、地下水位深度的量测误差应在5cm以内。2非连续取芯钻进的回次进尺，对于螺纹钻探应限制在1m以内，对于岩芯钻探应限制在2m以内。3岩芯钻探的岩芯采取率，对于一般岩石应不低于80%，对软质，破碎岩石应不低于65%。3钻孔时应注意观测地下水位，量测地下水初见水位与静止水位。通常每个钻孔均应量测第一含水层的水位。如有多个含水层，应根据勘察要求决定是否分层量测水位。4对定向钻进的钻孔、跨孔波速测量的钻孔，应分段进行孔斜（倾角及方位）测量。（二）勘探编录1、钻探原始编录1）钻探记录钻探记录的主要内容是钻探原始记录和交接班记录。施钻过程中，必须逐项认真填写。内容包括时间、进尺与深度、岩心记录、地下水位、钻进方法、钻进参数、钻进情况的记（1）时间（2）进尺与深度（3）岩心记录记录岩心的编号、采长、采取率。并进行鉴定。岩心描述内容（4）钻进方法记录：（5）钻进参数的记录：（6）钻进情况记录A使用冲洗液钻进时，意记录耗量，回水颜色和冲出混合物成分，及变化情况等；B钻探过程中，记录孔壁坍塌掉块情况及深度，钻具震动情况；C在空洞和陷穴地带，发生钻具掉落时，应记录起迄深度及是否有水等；D钻进砂层遇有涌砂现象时，应注明涌砂深度及涌升高度和所采取的措施；E在钻进中感觉到可能变层时应及时记录，以便在取出的岩心证实变层位置后，查核深度；F发现地下水后，记录初见水位、稳定水位、测量日期I记录所取原状土样、岩样、水样的数量及深度；J记录钻孔原位测试：提水、抽水、压水或注水试验2、钻探综合编录四、取土样（一）取土器的种类工程地质勘探中采用取土器采取土样。取土器的种类很多，根据取土器的结构及封闭形式可分为：1接头；2调节垫片；3调节螺丝；4弹簧；5球；6异径接头；7余土管；8取土衬筒；9取土管；10管靴1、限制球阀式取土器在取样过程中，取土器内的液体、气体将球顶起排出，当停止取样时，由于球上部弹簧的作用将球压回原阀座位置，以起密封作用。1－接头；2—连接帽；3—操纵杆；4—橡皮垫活阀；5—余土管；6—取土衬筒；7—取土管；8—管靴2、活阀式取土器1）上提活阀式土试样进入取土管时，取土器内的水、气泥由活阀上部排出。上提钻杆橡皮垫封闭活门，即可取上土样。1取砂筒；2环刀；3取砂器头；4压锥2）下压活阀式下压活阀式取土器是用一锥形的活阀，通过钻杆下旋或弹簧压入而起封闭作用。1—外管；2—合金钻头；3—内管靴（前刃）；4—内管；5—上接头；6—衬管；7—小孔；8—阀；9—弹簧；10—排水口；11—爪簧挡圈；12—接头3、回转式取土器（三重管式）这种取土器有单动三重管和双动三重管两种。单动三重管取土器相当于单动双重岩芯管，但有三管，即外管、内管及衬管（薄壁筒）。取样时外管回转，内管由于有轴承相连，只下压而不转动。内管下端为一前刃，没有活塞，密封靠上部的弹簧阀或球阀。1活塞；2薄壁取土管；3活塞杆；4钻杆4、活塞式取土器固定活塞式取土器：这种取土器的取土筒内装有一活塞，与它联接的活塞杆一直通到地面。取样时先将活塞杆在地面固定，然后下压钻杆将取土筒压入土内。（二）不扰动土试样的采取方法钻孔中采取不扰动土试样的方法有：1、击入法按锤击次数分为：（1）轻锤多击法是用人力或机械力操纵落锤。锤的质量轻，锤击次数多，其速度及下击力往往不均匀，钻杆的摆动也大，故对土试样的扰动较大，一般不采用。（2）重锤少击法是用重锤以少击快速将取土器击入土中。根据取样试验比较，重锤少击比轻锤多击取土质量好，而又以重锤一次击入更好。2、压入法1）慢速压入法是用杠杆、千斤顶、钻机手把等加压，慢速压入法取样对土试样有一定程度的扰动，不过扰动的程度较轻锤多击法要轻。2）快速压入法是将取土器快速、均匀地压入土中，采用这种方法对土试样的扰动程度最小。目前较普遍使用的方法有两种：活塞油压筒法：采用比取土器稍长的活塞油压筒通以高压，强迫取土器以等速压入土中。纲绳、滑车组法：借机械力量通过钢绳、滑车装置将取土器压入土中。注：1不扰动土试样系指虽原位应力状态改变，但土的结构，密度、含水量变化很小，能满足各项室内试验要求的土试样；2因无法取得I级土试样而必须使用II级土试样进行强度、变形、固结压密参数试验时，应结合地区经验慎重使用试验成果。（三）取样质量要求1、土试样质量等级按照取样方法及试验目的，《岩土工程勘察规范》对土试样的质量等级作如下规定2、取样技术要求钻孔中采取I－III级土试样，操作方法应符合以下要求1）在地下水位以上钻进遇水易于浸湿而影响土试样质量的土层，不允许向孔内注水或使用冲洗液2）在地下水位以下的软土、粉土及砂土中钻进宜采用泥浆护壁。如使用套管，应始终保持孔内水位等于或稍高于地下水位，且取样位置至少应低于套管底部1m。3）采用冲击、振动等方法钻进，至少应在预计取样位置以上1m开始改用回转方式钻至取样位置4）放取土器之前应仔细清孔，孔底残留浮土厚度不得大于取土器上端废土段长度，下放取土器时禁止冲击孔底5）采取土试样宜用快速静力连续压入法；条件不允许时也可采用重锤少击方式，但应有良好的导向装置，避免锤击时摇晃。6）对粘性较强的土层，上提取土器之前可回转3圈，使土试样从底端断开。3、土试样封装、保存及运输土试样的封装、保存及运输应符合下列要求：1）取出土试样应及时妥善密封，以防止湿度变化，并避免曝晒或冰冻。2）土试样运输前应妥善装箱、填塞缓冲材料，运输途中避免颠簸。对易于振动液化、水分离析的土试样宜就近进行试验。3）土试样采取后至试验前的存放时间不宜超过3周。五坑探(一)探槽槽探适用于覆盖层不厚的地方。常用来追索构造线、破碎带宽度、不同地层的分界线等。布置槽探时一般应与岩层的走向线或构造线成正交。(二)探坑坑探适用于在不含水或地下水量甚小的较稳固的地层中进行。一般用来了解覆盖层厚度和性质、滑坡的滑动面、观测地下水位及毛细水上升高度、采取原状土样等。试坑的断面一般采用0.6-1,0m的矩形或直径为0.8-1.0m的圆形。在挖探过程中，对坑壁易坍塌和较深的试坑应采取支护措施，以策安全。(三)洞探洞探适用于覆盖层较厚的地方，能直接观察地质情况，详细描述岩性和进行地质分层，掌握地下水的水量等。利用洞探能取出接近实际的岩样及原状土样等。其工期长，费用高，一般在地质条件复条，用其它手段难于查明情况时才采用。洞探的宽度和高度一般均为2-3m，长度可根据所要了解的地质条件而定。洛阳铲（单位：cm）六小型勘探(一)洛阳铲勘探洛阳铲勘探是借助洛阳铲的重力冲入土中，完成直径较小而深度较大的圆形孔。可采取扰动土样，冲击深度一般为10m，在黄土层中可达30m。洛阳铲勘探每次冲进不超过10-20cm，为便于随时掌握冲进中的地层情况，宜在铲柄和绳索上作好尺度标记。(二)锥探锥探是用锥具向下冲入土中，凭感觉探找较疏松覆盖层的厚度或基岩的埋藏深度，一般探深可达10-15m。利用锥探查明沼泽、软土的厚度及其基底的坡度、黄土陷穴和黄土层下的掏沙洞等，效果良好。(三)小螺纹钻勘探小螺纹钻是由人工加压回转钻进，能取出扰动土样。适用于粘性土和砂类土地层，一般探深在6m以内。