鉆探技術(shù)在工程地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

諶 笛

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局324地質(zhì)隊(duì)，安徽池州 247100）

隨著我國城市化進(jìn)程加快與工程建設(shè)需求量加大，土地資源的合理利用已經(jīng)引起廣泛重視，地質(zhì)勘探技術(shù)可以利用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)土地資源情況的全局把控，為后續(xù)施工工程提供安全性與實(shí)用性的保證。鉆探技術(shù)作為地質(zhì)勘探技術(shù)的主要技術(shù)手段，利用鉆頭等工具對(duì)施工現(xiàn)場進(jìn)行多維把控，為施工方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。但由于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，部分區(qū)域在工程地質(zhì)勘探中的鉆探技術(shù)還有待提高，亟須總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)理論以提供指導(dǎo)。因此，本文此次研究的內(nèi)容和提出的策略對(duì)工程建筑建設(shè)現(xiàn)代化發(fā)展具有理論性意義，對(duì)推動(dòng)我國地質(zhì)勘探與鉆探技術(shù)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程地質(zhì)勘探中鉆探技術(shù)概況

1.1 工程地質(zhì)勘探

在工程施工環(huán)節(jié)中地質(zhì)勘探的作用在于摸清工程施工前發(fā)展目標(biāo)施工場地基層情況與地質(zhì)隱患，為了能探測更深層的地質(zhì)情況往往需要搭配鉆探技術(shù)來完成。隨著現(xiàn)代化工程施工的工藝與難度不斷加大，完備的工程地質(zhì)勘探工作將為建筑工程的穩(wěn)定性與安全性提供支撐，在現(xiàn)代地質(zhì)勘探中勘探內(nèi)容越發(fā)細(xì)致、測繪記錄越發(fā)精準(zhǔn)、誤差分析越發(fā)完善。鉆探技術(shù)作為勘探工作的重要手段，提高了地質(zhì)勘探工作的效率、準(zhǔn)確度與代表性[1]。通過地質(zhì)勘探中的鉆探技術(shù)使用，施工人員除了可以得到以水體、巖體數(shù)據(jù)為代表的地質(zhì)參數(shù)，也可以通過相關(guān)的數(shù)據(jù)分析找到施工場地的環(huán)境變化特征，以向工程建設(shè)設(shè)計(jì)提供合理的參考并針對(duì)區(qū)域特點(diǎn)做出相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案。

1.2 鉆探技術(shù)特點(diǎn)

在工程地質(zhì)勘探中，鉆探技術(shù)通過鉆探目標(biāo)場地進(jìn)行取樣與數(shù)據(jù)測量的方法展現(xiàn)出極強(qiáng)的效率性、準(zhǔn)確性與代表性，因此也成為了工程地質(zhì)勘探工作中的常用技術(shù)與代表技術(shù)。首先，鉆探技術(shù)講求鉆孔作業(yè)位置的專業(yè)性。鉆孔作業(yè)作為鉆探技術(shù)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)是鉆探技術(shù)對(duì)于整體施工地質(zhì)環(huán)境把握的窗口與途徑，科學(xué)的鉆孔位置選擇決定了整體地質(zhì)勘探工作的質(zhì)量，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)統(tǒng)籌把握施工環(huán)境，通過精密的計(jì)算提前控制鉆孔位置，鉆孔位置不得偏離整體工程結(jié)構(gòu)以確保最終勘探結(jié)果的代表性與有效性。其次，鉆探技術(shù)講求鉆孔作業(yè)深度的專業(yè)性。工程地質(zhì)勘探作業(yè)具有極強(qiáng)的目的性，相較于以科研為目的的地質(zhì)研究，工程地質(zhì)勘探作業(yè)深度受到目標(biāo)施工工程的功能影響，除了需要綜合考量深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的大型水利工程外，一般的工業(yè)或民用工程勘測深度不超過10m，同時(shí)由于工程地質(zhì)勘探的側(cè)重點(diǎn)更加單一，多以地質(zhì)穩(wěn)定性為主，其勘測工藝更加粗略簡單且具有較強(qiáng)的針對(duì)性。再次，鉆探技術(shù)講求鉆探施工的嚴(yán)謹(jǐn)性。需要在施工勘測中嚴(yán)格控制回進(jìn)次尺的長度，使其長度最小不低于2m 且最高不超過3m，在鉆孔過程中相關(guān)人員應(yīng)根據(jù)鉆孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測、編錄工作，并設(shè)置專人對(duì)于操作過程進(jìn)行全面觀察，提高施工的專業(yè)性[2]。最后，鉆探技術(shù)講求鉆探作業(yè)的綜合性。鉆探作業(yè)的綜合性要求根據(jù)目標(biāo)施工現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境做到因地制宜的差異化鉆探工作，在鉆孔環(huán)節(jié)開始前施工人員應(yīng)當(dāng)做好關(guān)于現(xiàn)場歷史數(shù)據(jù)的調(diào)查工作，其數(shù)據(jù)包含但不限于施工環(huán)境內(nèi)部的水體分布、巖層布局以及地形地質(zhì)分層情況等。在此基礎(chǔ)上所進(jìn)行的鉆孔取樣環(huán)節(jié)中，施工人員應(yīng)當(dāng)確保取樣成分的清潔性與完整性，在作業(yè)進(jìn)行中應(yīng)當(dāng)將工程對(duì)環(huán)境的影響最小化，避免鉆孔破壞巖層的穩(wěn)定性或污染地下水。

1.3 鉆探技術(shù)現(xiàn)狀

在工程地質(zhì)勘探過程中鉆探技術(shù)可以直接將地下土層結(jié)構(gòu)取樣至地面，借此向施工團(tuán)隊(duì)提供較為直觀的地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖示。幫助相關(guān)施工企業(yè)對(duì)地基進(jìn)行深入地了解，判斷是否存在一些不穩(wěn)定因素影響建筑施工的質(zhì)量與安全[3]。但隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，建筑工程的類型功能日益豐富，同時(shí)扶貧工程的推進(jìn)使得在地質(zhì)基礎(chǔ)環(huán)境較差的區(qū)域也開始開展工程建設(shè)，這無疑對(duì)目標(biāo)施工環(huán)境以及工程地質(zhì)勘探技術(shù)的水平造成了一定的壓力。鉆探技術(shù)作為工程地質(zhì)勘探的代表技術(shù)優(yōu)先傳遞出現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型的信號(hào)，傳統(tǒng)鉆探技術(shù)已經(jīng)無法滿足鉆孔施工的安全性、代表性與清潔性，因此現(xiàn)階段鉆探技術(shù)所面臨的最重要問題在于技術(shù)的改變與方法的升級(jí)，目前我國鉆探技術(shù)在發(fā)展中已經(jīng)做出了相應(yīng)的改變。

首先，在大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中提升工程鉆探技術(shù)可勘探的最大深度。結(jié)合具體施工情況將AI技術(shù)與工程地質(zhì)勘探技術(shù)相結(jié)合，使用自動(dòng)化輔助鉆探技術(shù)的勘探精度與下沉力度，利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控工程地質(zhì)勘探工作進(jìn)程，大幅提升了勘探工作的專業(yè)性與技術(shù)性。其次，利用發(fā)達(dá)地區(qū)成熟經(jīng)驗(yàn)與先進(jìn)技術(shù)帶動(dòng)地方勘探施工技術(shù)的發(fā)展。施工單位可以通過大數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)云上數(shù)據(jù)共享技術(shù)獲取施工現(xiàn)場的歷史勘測數(shù)據(jù)，同時(shí)部分區(qū)域也可以利用發(fā)達(dá)地區(qū)勘測的成功技術(shù)經(jīng)驗(yàn)彌補(bǔ)區(qū)域發(fā)展不平衡的問題，向共同富?？偰繕?biāo)進(jìn)發(fā)。最后，鉆探技術(shù)的科技含量被不斷增強(qiáng)。現(xiàn)階段我國施工行業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型升級(jí)仍在路上，相應(yīng)時(shí)代創(chuàng)新發(fā)展的熱潮與實(shí)際工作的要求，工程施工單位關(guān)注與科研機(jī)構(gòu)與高校的合作，以獲得最先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備以及與之配套的人才。

2 工程地質(zhì)勘探中鉆探技術(shù)方法

2.1 鉆探方法

根據(jù)目標(biāo)施工現(xiàn)場環(huán)境的差異性，所執(zhí)行的鉆探方法也有所不用，根據(jù)我國地形總體特點(diǎn)在工程地質(zhì)勘探中常用沖擊鉆探或回轉(zhuǎn)鉆探完成鉆探作業(yè)，在此基礎(chǔ)上為了工程施工管理的便利性鉆探方法又可細(xì)分為人力鉆探與機(jī)械鉆探兩大類別。其中機(jī)械回轉(zhuǎn)鉆探鉆孔深度較大，可直達(dá)地基巖石中心，并展現(xiàn)出極高的工作效率[4]。隨著科技的發(fā)展與全球化水平的提高，現(xiàn)階段在跨國工程建設(shè)中的加工成地質(zhì)勘探鉆探方法更加強(qiáng)調(diào)綜合性，目前已有將液壓驅(qū)動(dòng)、智能儀表、地質(zhì)試驗(yàn)與地質(zhì)勘探結(jié)合的融合傾向。

2.2 取土方法

地質(zhì)土壤取樣是工程地質(zhì)勘探中鉆探技術(shù)的中心環(huán)節(jié)，通過觀察地質(zhì)樣本不僅能直觀地獲取基層土層構(gòu)成結(jié)構(gòu)，也可以通過樣本試驗(yàn)?zāi)M工程土體在工程竣工后的物理力學(xué)作用下所發(fā)生的變動(dòng)，可以基于地質(zhì)成分的取樣調(diào)查，分析地質(zhì)層的硬度[5]。但由于土層的含水量與密度不同，在取土器取樣過程中難免會(huì)出現(xiàn)由于土壤流動(dòng)性所帶來的誤差，為了確保樣本的嚴(yán)謹(jǐn)性與針對(duì)性，現(xiàn)代工程主要采用三種固定原狀土樣的取土方法。第一，擊入法，擊入法適用于在土層較堅(jiān)硬的目標(biāo)環(huán)境中，取土器外設(shè)小孔同內(nèi)外小錘共同深入地下，在具體取土過程中內(nèi)外錘通過錘擊的方式交替使用輕錘多擊與重錘少擊的方式將取土器外土壤錘擊入取土器內(nèi)，該方式的優(yōu)勢在于取土過程中對(duì)土壤環(huán)境影響較小，且取土器械力度較大具有較高的取土效率。第二，壓入法，壓入法尤其針對(duì)軟基土壤，利用壓力作用通過取土器內(nèi)的活塞與滑輪系統(tǒng)利用物理原理人為改變區(qū)域內(nèi)部壓強(qiáng)，或是通過持續(xù)壓入或是通過斷續(xù)壓入的方式，將目標(biāo)區(qū)域的土壤樣本壓入取土器內(nèi)，該方式的優(yōu)勢在于利用軟土層的性質(zhì)使用較少的動(dòng)力能源，起到最優(yōu)的作用效果，需要注意的是為了最小限度地?cái)噭?dòng)土壤并保證取樣的連貫性，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用持續(xù)壓入的方式，在不能一次性持續(xù)壓入的情況下再采用斷續(xù)壓入的方式。第三，振動(dòng)法，振動(dòng)法主要利用振動(dòng)機(jī)械對(duì)土壤周遭進(jìn)行攪動(dòng)進(jìn)而將目標(biāo)松散土樣利用取土器收集。

3 工程地質(zhì)勘探中的鉆探技術(shù)應(yīng)用

3.1 反循環(huán)鉆探技術(shù)

反循環(huán)鉆探技術(shù)根據(jù)循環(huán)介質(zhì)的不同可以細(xì)分為水力反循環(huán)技術(shù)與空氣反循環(huán)技術(shù)，由于其低廉的成本與較豐富的使用經(jīng)驗(yàn)在現(xiàn)階段的鉆探技術(shù)中使用廣泛。在水力反循環(huán)技術(shù)中，水與泥漿構(gòu)成循環(huán)介質(zhì)，并在實(shí)際的鉆探作業(yè)中將有心鉆頭與泥漿與水的混合介質(zhì)相融合，再一同傳輸至目標(biāo)土壤井底后將柱狀巖芯擠回地面，并利用浮力進(jìn)行鉆頭的回收。該項(xiàng)技術(shù)屬于逆向循環(huán)技術(shù)，可以通過較低的力量得到完整的巖體，且效率較高[6]。其使用優(yōu)勢在于巧妙利用壓強(qiáng)、密度等物理原理，沒有運(yùn)用較強(qiáng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)就可以得到完整的巖體土壤樣本，整體而言勘探樣本取樣量大且樣本完整度較好。該項(xiàng)技術(shù)的使用局限性在于循環(huán)介質(zhì)中使用的水資源數(shù)量巨大，在一定程度上會(huì)造成資源浪費(fèi)，且在實(shí)際使用過程中由于對(duì)于鉆探使用動(dòng)力不足其鉆探速度較慢?？諝夥囱h(huán)技術(shù)是水力反循環(huán)技術(shù)的升級(jí)版，克服了水力反循環(huán)對(duì)于水資源依賴與需求并采用空氣作為循環(huán)介質(zhì)，其主要通過壓縮空氣的沖擊力誘導(dǎo)目標(biāo)巖體附近的錘擊系統(tǒng)發(fā)揮作用，同時(shí)利用壓縮空氣的膨脹推力改變井底壓強(qiáng)，進(jìn)而將巖體土壤樣本帶上地面。

3.2 繩索取芯鉆探技術(shù)

繩索取芯鉆探技術(shù)利用可重復(fù)拉起并下放的繩索完成巖芯的取樣，相比于傳統(tǒng)通過鉆桿取芯的方式避免了鉆探工程的重復(fù)搭建從而提高工作效率，同時(shí)使用繩索取芯為整體施工增加了更多的靈活性。在該技術(shù)中鉆桿與巖芯管長期非固定以持續(xù)發(fā)揮其應(yīng)有的效應(yīng)。該項(xiàng)技術(shù)的使用優(yōu)勢在于鉆探技術(shù)使用過程中的持續(xù)性與穩(wěn)定性，一般情況下使用繩索取芯鉆探技術(shù)無需將鉆桿深入較長的巖體中，繩索可以輔助鉆桿進(jìn)行巖體樣本的抓起與挑選，避免了單一依靠井底沖力或吸力造成的管道堵塞或動(dòng)力不足，在保證工程安全性的同時(shí)降低了工程成本[7]。同時(shí)鉆桿不進(jìn)行與巖層過度深入與直接接觸，符合現(xiàn)階段可持續(xù)發(fā)展的理念，將施工工程對(duì)于自然的影響降到最低，因此該項(xiàng)技術(shù)尤其適用于一些對(duì)潔凈度要求較高且施工環(huán)境較為不穩(wěn)定的探測項(xiàng)目。

3.3 液動(dòng)潛孔錘鉆探技術(shù)

液動(dòng)潛孔錘鉆探技術(shù)依賴于由沖擊液所驅(qū)動(dòng)的液壓潛孔錘，其技術(shù)原理與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)鉆技術(shù)類似，但其動(dòng)力更足且工作效能更高。沖擊液沖擊液壓錘的同時(shí)激發(fā)液壓錘子內(nèi)部的沖擊力與回轉(zhuǎn)力，并最終將能量導(dǎo)向至鉆頭處，強(qiáng)大的回轉(zhuǎn)力可以擊碎較為堅(jiān)硬的巖石，適用于地質(zhì)條件復(fù)雜且堅(jiān)硬的區(qū)域[8]。該項(xiàng)技術(shù)的使用優(yōu)勢在于其較強(qiáng)的鉆探力度與高效簡便的工作方式，在堅(jiān)硬的巖石結(jié)構(gòu)中展現(xiàn)出獨(dú)到的自我優(yōu)勢。該項(xiàng)技術(shù)的使用局限性在于設(shè)備較為笨重，且在實(shí)際操作過程中機(jī)器工作負(fù)荷較大，因此為了延長設(shè)備壽命提高工作效率，在施工過程中需要選用具有順滑度較高且黏度較低的液壓泥漿充當(dāng)潤滑劑以降低液壓錘的磨損消耗。

3.4 組合鉆探技術(shù)

組合鉆探技術(shù)強(qiáng)調(diào)以上三種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，在鉆探施工過程中產(chǎn)生優(yōu)勢互補(bǔ)的協(xié)同效應(yīng)。該項(xiàng)技術(shù)的使用優(yōu)勢在于：①在節(jié)約人力物力的前提下最大化實(shí)現(xiàn)鉆探工作效率[9]。該技術(shù)將三種技術(shù)有機(jī)組合，最大化利用水力與壓縮空氣等可再生資源，減少驅(qū)動(dòng)大型機(jī)械設(shè)備的能源浪費(fèi)，解放勞動(dòng)力與生產(chǎn)力；②可以根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際特點(diǎn)，提高勘探技術(shù)在使用過程中的靈活性[10]。在對(duì)巖體土壤進(jìn)行取樣時(shí)，由于工程要求差異與實(shí)際情況的多樣，將三種方式有機(jī)結(jié)合靈活運(yùn)用可將三者取長補(bǔ)短，大幅提高工作效率，如若工程所要求的鉆孔深度較淺，雖然一般使用液動(dòng)潛孔錘與鉆桿的配合將樣本壓出，但若巖體結(jié)構(gòu)較易阻塞管道則可以利用繩索取芯鉆探原理將樣本取出，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的優(yōu)勢結(jié)合。

4 結(jié)束語

鉆探技術(shù)在工程地質(zhì)勘探中具有復(fù)雜性與技術(shù)性，針對(duì)不同工程要求與條件選擇的科學(xué)鉆探技術(shù)將成為工程施工水平的體現(xiàn)與施工質(zhì)量的保障。通過本文研究得知工程地質(zhì)勘探與鉆探技術(shù)的特點(diǎn)為二者的結(jié)合提供了可能性，目前在工程地質(zhì)勘探中常用的鉆探方法有鉆探方法與取土方法，常用的鉆探技術(shù)有反循環(huán)鉆探技術(shù)、繩索取芯鉆探技術(shù)、液動(dòng)潛孔錘鉆探技術(shù)、組合鉆探技術(shù)?；谝陨戏椒?，本文提出了相應(yīng)的技術(shù)要點(diǎn)。