岩溶地区岩土工程勘察钻探技术分析

2021-12-02胡学山

商品与质量 2021年44期

关键词：卵石岩溶套管

胡学山

山东省地质矿产勘查开发局第四地质大队山东潍坊 261021

岩土工程具有技术要求高、关联性强等特征。为保障项目工程施工品质，减少项目施工过程中的阻力，须做好勘探技术应用要点的梳理和整理。

1 岩溶地区地质环境条件

岩溶地区地基岩层主要以可溶性石灰岩和白云岩为主，也称之为喀斯特地貌。就我国地理环境分布基本情况而言，西南地区是岩溶的主要分布区域。此类岩溶地形地貌复杂，生态环境脆弱，交通基础设施相对阻塞。

结合我国岩溶地区地质环境考察具体状况，可将岩溶地区地质环境条件形成的原因归纳为：①岩石的可溶性。硅质岩层中含有丰富的燧石结核或条带石灰岩，石灰岩溶解性较高。石灰岩在长期受到外部高压作用时，岩层外部将逐步溶解；②岩石的透水性。岩层表面上有许多小孔，随着裂缝风化数量的逐步增加，裂缝深度逐步加强，外部水分浸入的可能性也在扩大，出现了地下水和断层区域岩层渗透性增强的状况；③水溶蚀和流动作用。水与空气中CO2成分结合为碳酸。同时，水源流动也会在岩层表面形成痕迹，继而也就出现了区域岩层外层侵蚀。

2 岩土工程勘察工作简介

岩土工程工作的开展，运用相应的勘查技术，目的是科学合理的运用工程地质有关学科理论和技术成果，并借助先进的勘查技术设备和手段，了解和掌握岩土工程项目区域有关地质参数以及岩土结构特性，详细预测和分析区域当中岩土结构出现的发展变化趋势，科学合理的指导岩土工程勘察有关方案的制定，确保更加科学合理的应用施工技术，而且在预测预报各种地质灾害方面，也能提供相应的支持。在勘察工作当中，会应用到很很多知识和技术，包括地质，物理化学等各个方面。同时，随着现代科学技术高速发展，岩土工程勘察技术越来越多，其完善性也在不断提高。在当前岩土工程勘察工作实际主要涉及取样划分层位，进行鉴定描述以及测试，同时还包括爱钻探以及室内试验等各方面内容，就岩土工程勘察工作而言，其存在的技术方法非常多，具体工作实际，必须要充分考虑工程现状科学合理的进行选取，在野外进行岩土工程勘察工作当中，来科学合理的整理相关资料与数据，确保设计方案更加科学有效，进而大幅提高岩土工程勘察效率和质量，保证岩土工程勘察工作持续稳步发展，以免由于不合理的施工，引发工程隐患，并科学合理的预防和控制各种地质灾害的发生，避免造成巨大的经济损失，因此对于岩土工程勘察工作给予充分重视，采取切实有效的措施提高岩土工程勘察水平，意义重大。

3 岩土工程勘察中钻探的重要性

在岩土工程勘察工作当中，钻探施工是非常重要的组成内容，钻探施工具有很强的实用性与技术性，能够更加准确地开展地质勘查工作，获取更加全面详实的勘察数据。不论是在开采地下水还是进行工程地质勘察，以及勘查矿产资源过程当中，钻探技术都发挥着非常重要的作用，对于推动岩土工程勘察工作的顺利健康发展意义重大。钻探施工过程当中，利用钻探技术进行开钻孔，能够有效采集岩层深部的岩土土样，结合土样进行认真的分析和研究，进而科学合理的判断地下岩土的性质与其结构，确保地质结构更加的合理，充分了解其特性。所以在岩土工程勘察工作当中，钻探技术占据着核心地位，能够为各项工程的顺利开展奠定坚实的前提与基础。近年来，伴随经济社会不断发展以及岩土工程建设工作的快速推进，在钻探技术方面的要求日渐提高，怎样在确保勘察效率和质量的同时，来有效创新钻探技术，是当前岩土工程勘察工作当中面临的最为重要的问题。

4 岩溶地区岩土工程勘察钻探技术

4.1 工程概述

为合理解决岩溶地区环境问题，需系统分析岩土工程勘察实际状态。本工程项目勘察地区为T地区，施工区域属云贵高原斜坡地带，勘察地区地势较高，中部地区江河低谷纵横分布，盆地地貌，周围海拔最高点为1140m，最低点为200m。结合当地地区范围内勘察结果，将岩溶地区岩土工程勘察结果确定为。①工程勘察建设区域地下水较为丰富，且地下岩层活动频繁，个别地段底下暗河涌动，上层由粘土层和冲击砂卵石层铺砌而成，地下水位环境相对复杂。②主要选择基岩作为地基基础受力支持层。各部分地区岩层基础形式，以人工挖孔灌注桩为主。此外，为保障项目工程竣工后，各部分灌注桩地质勘察区域内，建设区域的整体稳定性和夯实性得到保障，现场采取岩溶发育圈孔法，对工程建设地质环境进行综合剖析。③结合工程建设前期收集到的资料，查明岩溶位置、形态、规模、充填状况、岩石结构的完整度，应进行桩基、桩长度、嵌岩深度等方面的相应分析，以保障桩端持力与整体建设之间能保持协调的状态。

4.2 做好前期准备活动

岩溶地区岩土工程活动顺利实施的前提，应从做好工程前期操作准备条件开始。结合工程建设和开发的具体情况，工作人员可将前期准备环节内容分为技术、设施及人员3个方面。技术部分是指针对岩溶地区工程建设基本状况，采取特殊的技术操作工作。设施部分是指选取与工程工作活动相互对应的设备手段。人员部分是指从岩溶地区建设和开发的具体环境出发，采用专业视角进行多样性工作探索。

工程具体推进和探索时，为适应当前工作开展的具体建设需求，将前期准备活动的探索要点归纳为。①技术人员对岩溶地区地表、地下环境进行详细考察，系统实行各项岩土勘察因素的系统化整合。同时，针对性做好套管法、多层套管法等方面的剖析，做好工程建设技术结构的安排与调整。②为确保项目工程实施活动合理化展开，工程勘察设备选择时，钻探设备选用型号以GXY-150、XY-1002种型号为主；同时，项目工程开展前期，应准备好不同型号的套管、金刚石钻头、水泥、高粘性粘土等材料。③工程项目施工建设人员准备时，一方面结合工程建设设计图，对施工区域、重点施工领域进行综合控制；另一方面结合以往工作经历，做好项目工程推进系列活动方面的详细勘察，以保障项目工程人员系列操作可循序渐进展开。前期准备环节操作充分，基础设备、资源安排合理，后续出现岩溶地区规整品质不佳的可能性就会大幅降低，项目实施品质自然也会实现最优化控制。

4.3 卵石层钻进技术

（1）当厚度较小时，可采用泥浆护壁旋挖钻机或旋挖钻机钻进。钻穿该地层后，下套管以保护井壁。

（2）如果有大厚度和高密度，可以旋转。卵石层中通常含有一定量的地下水，且存在空隙。在钻井施工过程中，孔内经常出现漏水现象，容易造成孔壁坍塌。粘土可以加进去保护墙壁。旋挖施工过程中，如无塌孔，应继续钻进。如果出现塌孔，应进一步提高泥浆浓度。使用套管和管道钻井会导致卵石层致密，颗粒尺寸大。局部出现漂石，下套管时会大大增加钻井主力，此时采用厚壁套管，用重锤完成锤击过程，效果较好。如果选用普通套管，在下井过程中会产生卷边，需要合理增加套管鞋，否则难以满足深度要求。

（3）当存在粒径较大的漂石或卵石层时，由于卵石颗粒之间存在空隙，胶结性较差，可选用旋挖钻机进行钻进。如果遇到大于钻具直径的卵石颗粒，在钻具旋转过程中，卵石颗粒也会旋转，因此有必要扩大泥浆浓度，或者可以通过增加钻具下压力来处理，也可以控制ROP。此外，还可选用金刚石钻头，以提高钻井效果。

（4）在套管掘进过程中，套管中会存在卵石。旋转钻进时，套管和芯管之间会粘上一些卵石，芯管和套管一起旋转。使用正时导线时，螺纹会滑动，套管会脱落。管道接头应采用电焊焊接。

（5）钻入厚芯管。无论卵石有多厚，在钻进卵石层的过程中，选择厚壁芯管，用重锤敲击，效果很好。可以用重锤击碎卵石，起到很好的挤压效果。同时，芯管壁厚且无卷边。击打时可加入粘土，起到良好的护壁效果，达到相应深度后，拔出芯管，取出芯，反复循环，达到预期效果。由于采用了泥浆护壁，不会造成塌孔。如果发生井眼坍塌，可下入主套管，下一进尺可使用小直径芯管。

4.4 软土钻孔技术

任何钻井技术的选择速度都非常快。如果有土洞和填料，将导致钻孔损失。淤泥质土壤塑性低，非常软。在提升钻进过程中，会产生缩径问题。再次钻孔时，无法达到原始深度。如果土孔中填充物很少或没有填充物，则会有一定的空间，再次下钻时会造成原位孔偏移。当土洞被填满时，由于土洞与下部灰岩的关系非常密切，且地下水变化很快，在该层钻进过程中会大量漏水，极易造成孔壁坍塌。因此，在软土层钻进时，可选择大孔径钻进，或采用肋形钻头下套管，以加强对孔壁的保护。

4.5 泥浆球护壁与套管技术相结合

泥浆球墙加套管技术主要用于岩溶地区裂缝漏浆问题的调查分析。其技术原理是由工作人员控制一定的设备将湿粘土球灌入钻孔。在充填过程中，钻具来回移动，压实土球，用泥浆充填岩溶裂隙。在外力作用下，土球逐渐进入岩溶裂隙内部形成一层泥；泥浆形成后，工作人员需要检查泥浆。一旦某些孔隙未被泥浆覆盖，应及时反馈，以便进行二次填充。在确保泥浆完全成型后，工作人员应使用钻具清理间隙，使泥浆球能够深入孔内。经过多次清孔，最终在孔外形成泥壁，达到回填裂缝的目的。泥浆球护壁与套管技术相结合，能在短时间内快速掌握裂缝的发展，在多次充填过程中，工作人员可根据充填量和充填次数，对岩溶地区裂缝漏浆的基本情况进行评价，为岩溶区后续开发提供数据参考，明确开发环节岩溶裂隙处理的基本要求。考虑到泥浆护壁与套管技术相结合的应用场景，工作人员应仔细准备粘土。在制备过程中，应保证粘土具有较大的塑性、附着力和较强的抗冲刷性。只有这样，才能全面完成充填任务，实现对岩溶地区裂缝发育和充填性的准确评价。

4.6 针对岩溶地区差异选择技术形式

①针对浅层基岩部分岩溶发育状况，对基岩面部分基岩层漏浆隐患问题的防护。考虑到以前岩溶风化可能性较高的问题，尽量避免多层套管护壁法进行溶洞处理期间，技术人员先应用软塑–流塑管解决孔内投泥球困难的问题。钻孔时，依据地层部分的复杂度，按照由小到大的顺序钻进。当第1根管嵌入后，第2根使用DN75的粗套管进行衔接套用，并在钻孔框架确定后，对直径较大的衔接套管进行上层覆盖，再利用金刚石双管钻进，溶洞形成后，取下所有设备与额外岩芯。针对上层建设区域进行岩层开发时，为避免局部坍塌影响项目施工建设，表层部分需采用泥球套管处理法，做好表层和基层的衔接，以避免套管衔接期间出现局部漏浆等问题。②粘土层钻进环节操作时，考虑岩溶地区地势环境复杂，地下粘土层部分的环境勘察处理环节阻力重重。为适应岩溶地区整体建设需要，岩溶层粘土区域钻进主要利用土洞、土层自重状态下掉落的特征，做好岩溶地区环境的综合勘察和自主规整性处理。技术人员应先在土洞和石灰岩衔接层部分进行夯实性检测与控制，以确定周围区域范围内不会出现粘土层脱落等，用肋骨钻头钻孔，并通过增加孔径，利用套管设定法进行钻孔。