岩溶地区钻探如何控制地面塌陷问题

黄以光

摘要：岩溶塌陷其形成、发展除与自然条件有关外，与外部条件和人为因素密不可分，在对大型建筑物进行钻探施工前，如果没有制定有效的钻探技术方案，就可能会出现地面塌陷等质量安全隐患。因此，制定有效的钻探技术方案对控制岩溶地区钻探质量和安全十分重要。

关键词：岩溶地区钻探地面塌陷

中图分类号：P642.25文献标识码：A 文章编号：

Abstract: the formation and development of the karst collapse in natural conditions and the outside, and external conditions and human factors are inseparable, of large buildings in drilling before construction, if not to make effective drilling technology plan, it may appear the ground subsidence quality safe hidden trouble. Therefore, to make effective drilling technology solutions in karst region, to control the quality and safety of drilling is very important.

Keywords: karst region drilling surface subsidence

一、引言

在岩溶地层中进行钻探施工，由于地下水和溶洞的存在，大大增加了钻探施工的风险和难度，容易引发工程事故甚至地质灾害；另一方面，由于岩溶地质的复杂性、差异性及高风险性，岩溶地层的钻探施工始终是地铁隧道建设的一项关键技术。广州地铁二、三、五、六号线均通过岩溶发育的石灰岩地区，而珠江新城至赤岗塔过江段、如意坊、水荫路等地岩土工程勘察中，在白垩系红层中也揭示到洞穴。岩溶及红层洞穴对地下线、高架线均带来较大的不良影响。对地下线而言，可能造成盾构机跌落事故，明挖或矿山法施工时岩溶承压水可能击穿隔水底板或者揭露到岩溶含水层，造成岩溶水突涌；对高架线来说岩溶及洞穴导致持力层选择困难、钻桩施工卡钻、漏浆、造成地面塌陷并影响地面建筑和地下管线安全；桩基及隧道下如有隐伏岩溶，受加载影响有可能导致结构下沉；岩溶（尤其是土洞）的发展对地铁的运营也带来不利影响，如土洞发展有可能造成结构沉降，影响地铁工程及环境安全。岩土工程勘察应力求查明溶洞和土洞的分布及水文地质条件。由于钻探具有一孔之鉴的局限性，以及岩溶发育的局部无规律性，必要时钻探应结合物探方法进行综合探查。

二、工程概况

广州某地铁工程地质勘察，从该场地内基岩岩性特征、岩面埋深条件、上覆土层特征、岩溶发育情况、充填物特征和地下水位变化等工程条件分析，在自然条件下，地下水的活动在短期内不致于造成严重地面塌陷，但具备形成塌陷的条件，存在潜在的不稳定因素。

三、钻探现状调查

根据本次勘察和初勘资料，在钻探过程中主要存在以下主要问题：

（1）卡埋钻具与钻具折断。当遇到较大裂隙、溶洞时常被其中的原有充填物（溶洞泥、碎石等）卡埋钻具，当阻力较大或溶洞较大时，常发生折断钻具事故。

（2）钻孔漏失与涌水。岩溶地区尤其是裸露和半裸露岩溶地区，通常钻孔漏水。在低洼地区多涌水，使钻孔无法用泥浆护孔。特大涌水止水难度大。

（3）钻孔偏斜。当岩层倾角大，裂隙、层理发育并且软硬交错时（如有硅化带或卵石层），用常规钻进工艺方法往往钻孔易发生偏斜、影响钻孔质量。

（4）岩芯采取率低。当岩层多溶洞、裂隙或钻遇构造破碎带和接触变质带，加上碳酸盐岩性脆，白云岩与大理岩有时呈松软粗粒结构时，用常规取芯钻进工艺都会影响岩芯完整度和采取率，同时，严重影响地质技术人员划分地层的准确性。

（5）钻探场地地基失稳。如设备安装在很不稳定的岩溶地区（有第四系沉积、下伏地形极复杂，溶蚀面和裂隙与溶洞、破碎、漏失等），施工时机械振动，冲洗液将上表覆盖层（未下好表层套管）冲蚀，形成地基失稳或下陷导致设备沉陷。

（6）钻进效率低。当遭遇断层破碎带，特别是破碎的硅质灰岩，采用硬质合金钻进效率低，钻头寿命短，采用金刚石钻头钻进容易漏砂，时效低、难于钻进。

四、原因分析

针对上述情况，经查阅相关规范、手册及文献，结合以往岩土工程勘察方面的经验，总结出溶岩地区影响钻机施工的因素有以下几个方面。

（1）钻探施工方案的编制

针对该工程地区石灰岩地层岩溶蚀变大、串珠状溶洞发育等特点，编制适合本区的施工的钻探施工方案，确定合适的钻探工艺，预测钻探过程中可能出现的问题并作相应的技术准备，最大程度地提高生产效率，减少损失，在保证工程质量的同时，做到安全生产、文明施工。

（2）钻机场地处理

在石灰岩地区进行施工时，由于钻机安装不平、岩面倾斜、水上施工等，易发生钻孔偏斜等现象，在开孔时就要对施工场地进行处理，做到场地平整，钻进过程中随时检查钻机的平整度，把钻孔发生偏斜的概率降到最低。

（3）钻机设备

设备配置工作是钻探施工的关键，能否达到优质高效，与设备的选用有着直接的关系，钻机系统配置的设备、管路在技术参数和性能上应满足石灰岩地区工程钻探的基本要求，同时应根据覆盖层和下伏基岩配备不同的合金钻头和金刚石钻头，并配备不同直径的套管，还应准备一些必要的打捞工具和泥粉，检查每台钻机的管材是否齐全，不齐全的不允许开工。

（4）钻机操作人员的水平

对各施工机长及下属人员进行岗前质量、技能及安全培训，提高钻机操作人员的技术水平、经验及操作的规范性，在钻探施工工程中安排管理工作人员进行监督工作，确保钻探施工合理、安全，并对突发事件安全有效处理。

五、控制地面塌陷的实施对策

（1）编制勘察和钻探施工方案及相关技术交底

制定详细的勘察方案及钻探施工方案，由项目技术负责人编制、总工负责审定。勘察和钻探施工方案应包括：明确该工程勘察的目的；详细了解石灰岩地区工程勘察的难点，做到相应的预防处理；对钻机机长和相关操作人员进行安全、技术和操作培訓，提高钻机操作人员的技术水平和操作的规范性；对钻探施工过程中遇到的疑难问题，应在相关技术人员的协作下进行处理，确保安全生产；在钻探施工过程中要有专人进行现场监督工作，确保钻探施工合理、安全；明确钻探过程中的各项细节，提高生产效率，降低工程成本，提高岩土工程勘察质量，防止地面塌陷事故的发生。同时，针对工程特点，对现场技术人员进行详尽的技术交底，让所有现场作业人员能充分理解相关的技术要求，以便安排和准备现场施工工作。

（2）钻探施工现场处理及出现问题后的事故处理

开钻前，对附近场地进行平整处理，将钻机位置调平、调整，并对机座地面及平台进行加固，水上钻孔，采取打桩等固定钻机平台的方法，确保钻探前和钻探过程中钻机平台稳定，防止发生倾斜等；钻孔击穿空洞、溶洞顶板或所处岩层裂隙发育，连通性好，容易发生漏浆、漏水。当漏浆不严重时应及时增大循环水，必要时可在泥浆中添加护壁剂、锯末等增加泥浆相对密度；如果钻孔漏浆严重，应采取套管跟进或安装多层套管、变径钻进等措施，及时止漏，当漏浆迅速来不及处理时，应立即撤离钻机，防止地陷造成钻机倾覆。当发生卡钻事故时，需继续保持循环水的供给，同时应在缓慢旋转钻具时提升钻具，当此法无效时，改用吊锤反打的方法慢慢提钻，并投黏土球以加大孔壁的维护。当岩层多溶洞、裂隙或钻进遇构造破碎带和接触变质带，在某些钻孔中取出的岩芯在数量上和质量上不能满足地质勘探目的和要求时，要采取相应措施，适当减小回次进尺，或者在溶洞内钻进时采用合金干钻钻进，但必须防止发生烧钻事故，以提高岩芯采取率。由于在不稳定的岩溶地区钻探，施工时机械振动，冲洗液将松散覆盖层冲蚀，或者是钻孔内土层被取出后，表层松散覆盖层沿溶蚀沟槽向钻孔内移动，形成地表塌陷甚至卡钻。为避免此类情况发生，在开钻时要下好井口套管，防止冲洗液冲蚀松散覆盖层导致地表塌陷。钻探完成后，要及时封孔，并在施工中随时观察场地的变化情况，确保人员、机具的安全。

（3）钻机操作人员的培训

考虑到钻探质量的重要性，项目组对钻机机长及操作人员进行相关的安全、生产技能交底或培训，并严格规定按照勘察和钻探施工方案进行施工，对钻探过程中遇到的疑难问题，应及时上报项目组，在相关技术人员的指导和监督下进行处理。

（4）终孔后封孔监督工作及场地清理

钻孔达到设计深度可以终孔时，进行挪机前，要严格按照流程进行封孔，并对施工场地进行清理，避免因钻孔内土层不稳定发生移动而引起地基下陷、坍塌等现象。

六、结论

通过技术人员的共同努力，所制定的对勘察和钻探措施均得以实施，尤其在钻机施工过程中对发生疑难问题的安全、有效处理，取得了较明显的质量控制效果。特别对封孔采取了应对措施，在终孔后先使用木塞封堵灰岩后，再对钻孔进行灌浆封孔，有效地控制了由于钻探而产生的地面塌陷，使钻探施工工作得以顺利进行。本次勘察过程中，取得较成功勘探成果为“岩溶地区钻探如何控制地面塌陷问题”，在以后岩溶勘探过程中值得借鉴和推广。

参考文献：

[1]岩土工程勘察规范(GB50021-2001),北京:中国建筑工业出版社,2009