王迎兵
（ 成都华丰工程勘察设计有限公司 四川成都 610042 ）
摘要：合理的利用地质钻探的钻进技术和方法是保证第一手地质资料的准确、齐全，同时也是做好高速公路工程设计与施工的前提。本文结合某高速公路项目区内自然地理及工程地质等资料的基础上，从地质因数、机械破坏、钻进方法与规程、钻具结构以及操作技术等五大因数方面对影响项目区的岩芯采取率进行较详细研究探讨，切实有效地解决项目区岩芯采取率偏低问题，同时也为相似的工程提供参考。
关键词：钻探技术；高速公路；地质勘察；应用研究；
Abstract：Reasonable use of geological drilling technology and method is to ensure the accuracy of first-hand geological data, complete, but also do a good job of highway engineering design and construction of the premise. In this paper, combined with a highway project in natural geography and on the basis of engineering geological data from the geological factor, mechanical damage, drilling method and procedure, drilling tool structure and operation technology and so on five big factor affecting the project area of the core rate was taken to study detail and effectively solve the problem of project area core take rate is low, at the same time provide a reference for similar engineering.
Key word：Drilling technology; Expressway; Geological investigation; Applied research;
1引言
随着我国经济的持续高速增长和国家对基础设施投入的不断加大，加强道路交通系统建设，提高交通综合承载能力，促进居民出行高效便捷已经成为我国高速道路建设的迫切需求。2016年我国高速公路里程新增6000多公里，总里程己达到13万公里，我国高速公路的总里程数己持续多年位居世界首位，2017年我国继续新增高速公路里程5000公里。高速公路的持续建设，建设施工中需要面对的质量问题和安全问题也越来越多，尤其对于建设前期的地质钻探工作而言，也必将带来其需求的不断加大。地质钻探作为一种从钻孔中的不同深度处取得岩芯，并对岩芯成分进行分析研究来划分地层、判定地层地质情况的作业技术，在地质勘察中发挥着举足轻重的作用。同时，钻探技术作为地质勘察的主要施工方法之一，不仅可以帮助地质钻探施工队伍和地质从业人员随时掌握项目施工所在地的地质情况，还能提高工程项目的建设完成效率以及确保总体工程的质量。在地质钻探过程中，孔内事故在实际的钻探施工过程中时常发生，严重影响到钻孔钻进作业的正常进行，并对钻探工程的质量和施工进度产生很大影响，易造成钻探工程所投入的人力、物力、财力等发生严重的损耗和浪费，不仅增加工程项目的施工成本，而且还延长施工工期，降低工程项目的施工效率。
2项目区工程地质概况
2.1 地质构造
本项目区内大地构造属于秦岭--昆仑维向构造带东端，该构造带自陕西延入河南后分为南北两支，其北支为小秦岭--嵩山东西构造带，南支为伏牛--大别弧形构造带。小秦岭－嵩山东西构造带横贯河南中部，规模巨大，经历了长期复杂而强烈的构造运动，是河南省的基础构造带，主要构成了一系列近东西走向的褶皱带、冲断带、挤压片理化带和古老隆起带。伏牛--大别弧形构造带，斜贯河南西南部，规模巨大，十分醒目，是构成河南省基本构造格架的主要构造带之一。主要由一系列北西西－近东西向的压型、亚扭性断裂带、挤压带及褶皱带、变质岩带、岩浆岩带及挤压片理化带，以及中新生带的断陷盆地和航磁异常带等组成。岩浆岩与变质岩带均呈弧形展布，为弧形构造带的组成部分。以上两组构造形迹构成了本项目区的基本构造格架，在本评估区域，以小秦岭－嵩山东西构造带最为发育。
2.2 地层岩性
本项目区位于华北地层区，新生界第三系：主要分布在线路北段，岩性以棕红色粉质黏土及不同胶结程度的红色泥岩、砂岩、泥质砂岩、砾岩、角砾岩等为主。沿线部分丘陵顶部及部分沟谷底部因剥蚀作用、侵蚀作用有基岩出露。质地较坚硬－较软，风化程度不同，工程地质性质差异较大。新生界第四系：第四系松散堆积物主要分布在线路北段沿线及山前坡麓、山间低缓地以及洛河、伊河及其支流冲沟中，为一套冲积、冲洪积、坡洪积的堆积物，其分布连续性差。各地厚度不一，岩性以碎石土、砂卵石土为主，表层多被耕种等，组成河流一、二级阶地。
2.3 不良地质
不良地质现象是指地壳上部岩土体受内外力地质作用和人类工程活动的影响而发生变化，这些变化又使原有宏观地质、地貌和地形条件发生改变，如崩塌、岩移、滑坡、泥石流、岩溶、地震等，这些变化对工程的使用和安全会造成不同程度的不良影响，常给工程建筑物的稳定性和正常使用造成较大危害，同时也会给人类的生命财产安全造成很大的威胁％。不良地质的发育与地形、地貌、地层岩性、水文地质及人类的工程活动有关，通过对项目区的现场踏勘发现本项目区涉及到的不良地质有：滑坡、崩塌、泥石流、采空区、地面塌陷等几类。现对项目区涉及到的各种不同类型的不良地质分述如下：
（1）滑坡
边坡岩土体性质的变化、坡体介质内部的结构构造和边坡体的空间形态的改变是滑坡产生的根本原因。地层岩性、地质构造、地形地貌等内部条件和水作用、地震以及其他人为因素等外部条件是滑坡形成的催生剂，造成滑坡现象的发生主要因数。项目区的地形主要以山地为主，其表层多覆盖松散层，局部较厚实，岩性多以花岗岩和片岩、片麻岩为主，受风化作用影响，易形成浅表地层的强风化层，形成滑坡体产生的物质基础。在进行本项目区的滑坡勘察过程中应当查明滑坡的类型、产生的要素、区域的范围、地质背景及其产生的危害程度，并分析滑坡的成因，判断坡体的稳定程度，并预测其发展趋势，提出预防对策以及整治方案。
（2）崩塌
崩塌现象是指在陡峭的山坡上，巨大的岩体、土体或碎屑层在自身重力作用下，突然发生沿坡面向下急剧倾倒、崩落并在边坡脚处形成倒石堆或岩屑堆的情况。崩塌现象形成的因数主要有地形、地貌、地质和气候条件等。危岩和崩塌多发生在中低山区的沟谷两岸，两侧山体多陡峭，受物理风化作用影响，岩体多呈强风化形态，掩体破碎，稳定性差，易发生崩塌现象。崩塌后出露出来的新鲜岩层经过风化形成新的危岩，对高速公路安全运营具有潜伏的危害，是运营期主要的地质灾害现象。
（3）采空区沉陷
项目区中在矿山、煤炭开采过程中，采空区的顶板发生脱落后，顶板以上的岩石稳定性会受到破坏，并逐步向上影响到地面，连续沉降易在地面形成沉降盆地，不连续沉降则会形成间断式沉降区，进而影响上部建筑物的安全稳定性，建议在考虑其可能产生的影响，并采取预防措施，以保证建成后的高速公路运行安全。
（4）岩溶塌陷
在隐伏岩溶分布区，由于自然条件和人为活动的影响，改变了地下水动力条件，可溶岩上覆土体发生下落的一种地质灾害现象，形成的主要原因是大规模采排地下水，使得岩溶地下水位大幅度下降，形成岩溶塌陷区，由于其具有不稳定性，多处坍塌则不断重复的发生。
（5）泥石流
泥石流的形成和发展与流域的地质、地形和水文气象条件密切相关，同时也受到人类活动的影响，其产生的主要因素在于有便于集物的地形，上部有大量的松散物质，短时间内有大量水的来源。项目区的路线区内冲沟发育，冲沟内堆积有松散堆积物和大块石。根据外业调查情况，在洪水期时易形成稀性泥石流，洪水期携带较多的泥砂、碎石随水流而下。野外调查发现泥石流１处，规模为小型。
2.4 项目区钻探难点
查明和评价项目区段内地层结构、各层土的物理力学性质指标以及不良地质和特殊性土是本次勘察钻探的主要内容。同时，由于项目区地质条件较复杂，在本次勘察钻探过程中存在如下难点：（1）项目区相关的区域资料较少，特别是缺乏1:5万区域资料等相关资料，勘察所能利用的资料不足。（2）项目区属豫西山区地貌，山地、河川地貌交错分布，沟谷纵横，峰峦叠嶂，覆盖层分布及厚度变化大，勘探布属工作难度大。（3）项目区内地质条件较复杂，地形类型较多、岩性变化复杂，存在滑坡、崩塌、采空区等不良地质现象。（4）项目区松散块石、砂卵石层分布范围广、变化大，难钻点多，岩芯采取率偏低，护壁与堵漏难，如何提高岩芯采取率、预防和处理钻孔事故、提高钻探质量、缩短施工工期和控制施工成本是本项目区钻探过程中需着重解决的问题。
3. 钻探取芯技术研究
3.1 钻进方法
由地质调绘结果可知本区松散砂卵石，采用金刚石钻头加植物胶能满足钻探要求，并同时跟管钻进。
3.2 岩芯采取技术研究
在对本区域先期开工段的研究中发现，采取一回次进尺为3m进行钻探施工，岩芯采取率偏低问题，结合现场的施工经验，对造成岩芯采取偏低的因数进行分析研宄，并就如何提高岩芯采取率的技术措施进行总结归纳研宄，为未实施钻探的钻孔以及整个项目区还未实施钻探的钻孔在提高岩芯采取率方面提供技术支持与帮助。现从地质因数、机械破坏、钻进方法与规程、钻具结构以及操作技术等五大因数方面对影响项目区的岩芯采取率进行较详细研究探讨：
（1）地质因数的影响
卵石层根据充填物的不同可分为砂卵石和泥卵石。砂卵石为散胶结局部有架空层，渗透性强、漏失严重、质地坚硬、结构复杂。松散和软硬不均，颗粒级配无规律，取芯取样困难。常规钻探只能取出部分大粒径的卵石，细颗粒被冲洗液冲失，因而要查明其结构与颗粒级配结构关系极为困难。泥卵石质地坚硬、结构复杂，漏失情况相对砂卵石层较轻，但容易出现鳖泵现象。针对本项目区卵石层，采取直径130mm套管跟管钻进的方法，阻隔周边卵石层对钻孔的影响。
（2）机械破坏作用
在对卵石层的钻进施工过程中，钻具往往采取回转运动，这种快速的回转运动往往会对卵石层产生水平震动和离芯力，当钻具不能很好地克服摩擦阻力时，整个卵石层在横向和纵向上都会发生强烈的振动，这些强烈的的振动有可能引起孔底和钻具之间的剧烈振动，产生相互之间的撞击和敲打，在严重的情况时，不仅会造成岩芯的磨损，而且还会造成岩芯的震碎和振断。在钻具钻进岩石层的过程中，冲洗液可以通过岩石层管壁和岩芯之间的细小空隙流出，使得钻具底部的液体流动速度很高，对岩芯产生巨大的冲击，钻具的钻头位置会被岩石层的岩芯碎末堵塞，加剧岩芯之间的相互摩擦，形成粉末状不断流失，造成岩芯的严重损坏，从而影响岩芯采取率的质量。针对本项目区卵石层，采取下列方式减小机械破坏作用：a、使用减振器防振，减振器装于岩心管和钻杆之间，钻杆的振动被减振器的弹簧吸收，从而减轻岩心管和钻头的振动，增加钻具的稳定性。 b、使用稳定接头减振，稳定接头用以增加粗径钻具的稳定性。c、不使用已经弯曲和磨偏的岩心管，不使用磨钝磨偏的钻头d、适当加长岩心管。e、使用减振润滑剂，在钻杆柱上涂防振润滑剂，不仅可吸收钻杆对孔壁的冲击能，起到防振作用。g、选用具有抵消振动的金刚石钻头。
（3）钻进方法与规程
不同的钻进规程，对提高岩芯采取质量也有很大的影响。钻进压力过大，给进速度过快，对松散、粘性大的地层，容易造成糊钻、堵塞和烧钻。对于硬质岩层，容易使钻头发生变形，引起岩芯的破碎。同时钻进压力过大，不仅会加剧孔底钻具的弯曲和振动，而且还会使岩芯受到强烈的机械破坏。当钻进压力不足时，会发生进尺速度慢，延长了岩芯受破坏作用的时间。当钻具转速过高时，钻具受到的离心力作用就大，其振动也大，会加剧岩芯的破坏；反之，钻具转速过低时，则钻速也低，延长了岩芯受破坏作用的时间。同时冲洗液量过大，流速增加，冲力加大，也会加剧岩芯被冲毁和磨耗的破坏作用。针对本项目区卵石层，采取的钻进压力为5--8kn，转速500--850r/min，冲洗液量25―30l/min，泵压0.5mpa。
（4）钻具结构的影响
钻具结构的选择对提高岩芯采取质量也有很大影响。如果选用的钻具钻头直径较大，在采取岩芯过程中，其抗破损能力和抗冲击能力就越强，取出的岩芯就越完整，能够保障岩芯采取率的质量。选用的钻头直径越大，则取得的岩芯就越粗，抗破碎能力越强，易于保持岩芯的完整性，也便于卡取，所以在一定的孔径内，岩芯截面与孔径的比值越大，则岩芯采取率就越高，反之就越低。但是钻头直径越大，孔底面积愈大，所需的孔底压力相应的增加，钻进时钻具的振动加剧，对岩芯的破坏作用也大。同时，当面积大时，钻速往往也会降低，延长了岩芯在孔底被破坏的时间，对取芯不利。针对本项目区卵石层，采取的是SD94钻具外管规格 为4> 89 mm X 3.00 m,内管规格为77 mm X 1.50 m,它是一套两级单动的双层岩芯管钻具，包括五大机构:导 正除砂机构、单向阀机构、双级单动机构，内管机构及外管机构，本次采用平底热压孕镶金刚石钻头，其技 术参数为：金刚石目数为60 ~ 80混合目，金刚石硬度 100%,金刚石品级为SMD优质级，胎体硬度35 ~ 46HRC 10。
（5）操作技术
在钻进过程中如果钻机司机操作不当或操作方法不正确，会造成岩芯的破坏，降低岩芯的取芯质量。在钻进中提动钻具次数过多、过高，也会使岩芯脱出岩芯管或被破坏。在钻进操作中若盲目地追求进尺，回次时间过长，提钻又不及时，在岩芯堵塞后仍继续钻进，不仅会增加岩芯在孔底被破坏的时间，而且还会造成岩芯采取率过低。在采取岩芯过程中如果选用的采芯方法不当，或卡取不牢，或提钻过猛，会造成岩芯脱落，再次套取时，岩芯会受到重复破坏。干钻时方法掌握不当，会使岩芯受到严重挤压或烧灼变质。在退芯时，过分地敲打岩芯管，容易使岩芯紊乱，造成岩芯的人为破碎和上下顺序颠倒，不仅影响了岩芯的完整性，而且还歪曲了岩芯的层次，易造成地层层次不清，不能准确掌握地层情况。针对本项目区卵石层，采取的操作技术为以下9点：①开孔应下入适当的套管，以不塌孔为原则。②钻具下入孔内，先用低压慢转扫空到底，孔内钻头阻力不大时才能转入正常钻进，如果孔内阻力大不能强行开高转速。③钻头正常钻进时不得任意改变钻进参数，也不要提动钻具，防止岩芯堵塞。④发现岩芯堵塞时可适当提动钻具，若处理无效应立即提钻。⑤地层松散，砂卵石粒径很小取芯困难时应降低泵量。⑥砂卵石钻进如钻速突然加快可能是钻进砂层或小粒径砾石层，不必改变钻进参数，但要尽量降低泵量。⑦为保证岩芯采取率在钻进薄砂层和泥层时最好在钻穿后，进入卵石层10 cm以上再提钻。如砂层较厚，一个回次钻不穿时回次末应停泵干钻10 cm以上再提钻以防止岩芯脱落。⑧钻进时应精心操作，经常观察供水系统是否畅通，水泵运转是否正常。孔内不返浆时应防止断浆。如发现泵压突然增高时应立即提钻检查以防烧钻。⑨在重要孔段钻进取样时应慢速提升、拧卸钻杆时应平稳防止岩芯脱落，退芯时应卸掉钻头然后轻轻倒出岩芯。
4.结束语
本文结合某高速公路项目区内自然地理及工程地质等资料的基础上，从地质因数、机械破坏、钻进方法与规程、钻具结构以及操作技术等五大因数方面对影响项目区的岩芯采取率进行较详细研究探讨，切实有效地解决项目区岩芯采取率偏低问题，同时也为相似的工程提供参考。
参考文献
[1]杜平，张立新，杨丽．钻探工程学[M]．成都：电子科技大学出版社，2014.
[2]冉恒谦，张金昌，谢文卫等．地质钻探技术与应用研究[J]．地质学报，2011,85（11）：1806-1822.
[3]谢雄，郭鹏浩．难取芯地层的钻探技术研究[J]．西部探矿工程，2017,5：70-73.
作者：王迎兵，身份证号：140226198209023513，工作单位：成都华丰工程勘察设计有限公司。