工程勘察钻探技术发展现状探讨

温继伟 刘星宏 白坤晓 张营旭 项 天 胡 萍

（1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043；2.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059；3.北京市工程地质研究所，北京 100048；4.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

0 引言

工程勘察技术手段较多，应根据现场实际情况合理选用，以期达到从点到面、由浅入深的勘察效果。钻探技术能够获取地层岩土心（样），在工程勘察领域得到了广泛应用[1]。主要从取心（样）作业要求、取土器及取心钻具、原位测试及原位监测、高效钻探取心（样）技术和联合勘察技术5 个方面总结、分析了当前工程勘察钻探技术的研究及应用进展，为相关从业技术人员提供参考。

1 取心（样）作业要求

运用钻探技术获取的地层岩土心（样）是工程勘察阶段直观获取地下信息的第一手资料。评价所取岩心（样）的标准主要有以下因素[2]：①岩心（样）的采集率。常用指标有岩心采取率、岩心获得率及岩石质量指标（Rock Quality Designation，RQD），基本原理均为钻进获取岩心长度与钻进进尺之百分比；②岩心的完整性。钻探获取的岩心（样）应使其原生结构未遭到影响或破坏，保证其完整性，避免人为扰动；③纯洁性。钻探获取的岩心（样）应保证其未受到外物的浸浊，避免影响其物理力学指标等特征；④代表性。钻探获取岩心（样）的选择性磨损，可能会导致其物质成分发生改变而失去代表性，为了避免该问题，应采取相应的技术措施，如针对不同土层的取样需求合理选用取土器，避免取土样被污染。为了保证所获取的岩心（样）能够有效反映真实的工程地质条件，应严格遵守取心质量要求。另外，地质因素和钻进技术因素同样会对取心质量产生影响，其中地质因素是客观存在的，需要采取不同的钻进技术来克服其对取心质量的影响，包括反循环连续取心钻进、绳索取心钻进、定向钻进、直推钻进技术等。然而，钻进技术因素属于人为因素，应对其技术工艺、配套钻具进行优化升级，不断推进钻具的智能化进程，减小人为因素的不利影响，从而提升所获取的岩心（样）质量。

2 取土器及取心钻具

取得准确、未被扰动（原状）的岩土试样是直接影响土工试验结果、准确评价岩土特性的基础，对岩土力学参数的选取有较大的影响。

2.1 取土器

取土器是从地层采取试验土样的取土机具；根据其壁厚划分，主要包括薄壁和厚壁取土器两类。就取样效果而言，薄壁取土器的取样效果更佳，对土样的扰动更小[3]。

2.1.1 厚壁取土器

厚壁取土器主要适用于黏性土及粉土、粉砂等土样的取样工作[4]。其主要技术参数和结构示意图分别如表1 和图1 所示。

图1 厚壁取土器结构示意图[4]

表1 厚壁取土器基本参数[4]

2.1.2 薄壁取土器

①敞口薄壁取土器

敞口式薄壁取土器主要适用于部分黏土、粉砂、粉土等土试样的获取工作[5]。其主要技术参数及结构示意图分别如表2 和图2 所示。

图2 敞口薄壁取土器结构示意图[5]

表2 敞口薄壁取土器基本参数[5]

②固定活塞薄壁取土器

固定活塞式取土器主要适用于黏性土、粉砂以及粉土试样获取[6]。其主要技术参数及结构示意图分别如表3 和图3 所示。

图3 固定活塞薄壁取土器结构示意图[6]

表3 固定活塞薄壁取土器基本参数[6]

目前对于原状土取样，固定活塞薄壁取土器是公认的取样质量极高的取土器[7]。但是由于结构复杂导致操作繁琐、成本提高等问题，在实际工程勘察中获取原状土样的最常用工具是敞口薄壁取土器及厚壁取土器。厚壁取土器应用较为广泛，但其对土体的扰动较大，为取得理想的原状土样，应尽快对薄壁取土器进行推广普及。同时由于取样时取土器筒壁处对土体的扰动程度明显大于中心位置，采用直径较大的取土器可以大幅降低土体扰动[8]。但取土器的直径越大，所需的钻探设备功耗越大，故在工程勘察中，应在现场工况允许的合理范围内尽可能使用直径较大的薄壁取土器，以期获得更加准确的工程岩土性质指标。

2.2 取心钻具

取心钻具是用来容纳和保护岩心的专用钻具，以单动双管式、双动双管式、反循环式及密闭式取心钻具较为常用[2,9-15]。

2.2.1 单动双管式取心钻具

①半合式单动双管取心钻具图4 为半合式单动双管取心钻具结构示意图。使用该钻具钻进取样时，经由进水孔将冲洗液送至内管与外管之间的环状间隙流向孔底，在对孔底完成冲洗后经由外管与孔壁之间的间隙返回地表，不会直接对内管的岩心造成冲蚀等不利影响，同时由于钻具转动过程中仅有外管转动，而内管相对不动（单动），不会对岩心产生机械破坏。使用该钻具获取的岩心能够较好地保持样品原本的结构特征，且具有极高的完整性和准确性，该技术主要适用于破碎岩层且节理、裂隙极度发育、含亲水性矿物成分较多、易受冲洗液影响的地层[9]。

图4 半合式单动双管取心钻具结构示意图[9]

②活塞式单动双管取心钻具

图5 为活塞式单动双管取心钻具结构剖视示意图。使用该钻具钻进取样时，钻杆带动外管旋转，钻头对土层进行切削，而内管由于钻探泥浆的液压力及其自重的作用被压入土层，随着钻进持续进行，土样在压力的作用下进入内管下段的衬筒，再进入内管上段（岩心管），并使进入内管的泥浆从排泄孔回流到孔内[10]。

图5 活塞式单动双管取心钻具结构剖视示意图[10]

应注意，该钻具适用于可钻性等级Ⅵ级以内的节理发育较多、松散且怕污染的岩层，在施工过程中，应该不断关注地层的变化，防止对钻具造成损害[2]。

③隔水式单动双管取心钻具

图6 为隔水式单动双管取心钻具结构示意图。该钻具可用于中硬、破碎、节理发育、易流失、怕震、怕磨的岩层中进行钻探取样工作，主要由外管接头、单动装置、内外管、卡心装置和特制隔水钻头等组成；心轴下部设有止水阀，能够有效避免冲洗液对岩心造成的冲蚀等不利影响[11]。

图6 隔水式单动双管取心钻具结构示意图[11]

2.2.2 双动双管式取心钻具

图7 为双动双管式取心钻具结构示意图。内外两层岩心管在钻进过程中会同时发生回转的钻具被称为双动双管钻具；该钻具主要适用于可钻性等级Ⅰ-Ⅶ级的松散、易破碎坍塌、不宜冲洗的地层，钻进过程中可以有效避免冲洗液对岩样的冲刷，同时缓解钻杆内部的压力作用，提高岩样采集率和质量，操作简便且经济[12]。

图7 双动双管取心钻具结构示意图[12]

2.2.3 反循环取心钻具

①喷射式局部反循环取心钻具

图8 为喷射式局部反循环钻具结构原理图。使用该钻具钻进时，在泵压作用下冲洗液进入异径接头后从喷嘴处高速喷出，进入内外管之间的环状间隙，这一过程中会在承喷孔处产生低压区，该低压区通过承喷腔与岩心管产生水力联系，并在岩心管内部和内外管间隙之间形成压力差，使得冲洗液能够从环状间隙进入岩心管，形成局部反循环[13]。

图8 喷射式局部反循环钻具结构原理图[13]

该钻具对于可钻性等级Ⅳ-Ⅵ级的松散、破碎、易发生溶蚀的复杂地层，以及大于Ⅶ级的节理发育较好的硬岩、脆岩均能起到较好的取样效果，并且能够显著提高在复杂地层的岩样采集率[2]。

②泵吸式局部反循环取心钻具

图9 为泵吸式局部反循环取心钻具结构示意图。使用该钻具钻进时，冲洗液从钻杆进入流向孔底，被引导对叶轮产生冲击，使叶轮开始旋转后，再进入内外管环状间隙到达钻头处，旋转的叶轮带动另一面的一对啮合齿轮转动，从而在内管中形成负压，产生负吸效应，可将钻头处的钻井液吸入内管,形成局部反循环，以达到获取岩样的目的[14]。

图9 泵吸式局部反循环取心钻具结构示意图[14]

2.2.4 密闭式取心钻具

图10 为密闭式取心钻具结构示意图。使用该钻具钻进时，在取心钻具和密闭液的作用下，达到钻井液与岩心隔离的效果，从而获取未受到污染岩心的技术被称为密闭取心，其使用的钻具即为密闭取心钻具[15]。

图10 密闭取心钻具结构示意图[15]

密闭取心可以高效地获得未被污染的原始岩心，获取地层原始含油饱和度、油水动态等数据，被广泛应用于特殊地区的工程勘察工作之中。

3 原位测试技术

原位测试技术是一种在岩土体原本位置或者尽可能保持岩土体的应力及其他条件基本处于原位状态下对岩土体的工程性质指标进行测试的技术，具有接近工程实际、可实时测试施工场地围岩力学参数、快速经济等优点[16]。主要对当前工程勘察中常用的静力触探、动力触探及钻孔过程监测技术进行概述。

3.1 静力触探

圆锥静力触探（Cone Penetration Test，CPT）是将内部装有传感器的触探头以机械式、液压式或人力等方式压入土中，通过传感器测得不同土层对触探头的贯入阻力，从而确定土层的变形模量、容许承载力等基本物理力学特性，是一种高效、简便、综合成本低且高度可靠的原位测试方法[17,18]。

孔压静力触探（CPTU）是于20 世纪80 年代国际上兴起的广泛应用于软土工程的新型原位测试技术，通过在CPT 技术的基础上增加测试元件，可用于准确划分土层、土类判别及估算土的不排水抗剪强度、超固结比、灵敏度、压缩模量、不排水杨氏模量、初始剪切模量、固结系数、渗透系数等力学和变形特性，具有理论系统、功能齐全、参数准确、精度高、稳定性好等优点[19-21]。图11 为CPTU 原位测试设备实物照片。刘松玉等[19,22]在CPTU 探头增加了可用于探测电阻率的通道，研制出了电阻率CPTU 探头，同时研制了能够集成电阻率传感器、采集模块、数据采集模块和处理终端、贯入系统等多个模块的数据采集处理系统，建立了基于CPTU 技术的工程设计应用地方规范，形成了我国岩土工程CPTU 测试应用成套成熟技术。图12 是电阻率CPTU 探头结构示意图，图13 是CPTU 内部结构示意图。

图11 CPTU 原位测试设备[21]

图12 电阻率CPTU 探头结构示意图[22]

Akrouch 等[23]、张文伟等[24]在CPTU 探头的基础上，对其结构进行了改造和优化，将测温热电阻加入其中，记录并分析探头与土体摩擦时产生的温度消散曲线，便可估算出土体的热传导系数等性能参数。摩擦型热传导CPTU 探头结构示意图如图14 所示。

图14 摩擦型热传导CPTU[24]

T 型静力触探（全流动触探）是一种新型海洋软土工程勘察原位测试技术，其原理是将传统静力触探用锥尖部分换为一个圆柱型探头，水平压入软黏土中，测试探头的贯入阻力，以不排水抗剪强度与贯入阻力间的解析关系为依据，进而求得软黏土的原位不排水抗剪强度，具有精度和可靠性高、采集数据量大、测试便捷、成本低等优点[25,26]。图15 是T 型、球型与板型全流触探贯入仪实物。

图15 T 型、球型与板型全流触探贯入仪实物[25,26]

3.2 动力触探

动力触探（Dynamic Penetration Test，DPT）简称动探，是应用非常广泛的一种原位测试方法，其利用10 kg、63.5 kg 和120 kg 的重锤击打探头，根据打入的难易程度（锤击数）确定土的密度、承载力以及变形模量等工程特性，并对土体做出评价；近年来DPT技术已广泛应用于地基承载力测算、变形参数及填土密实度等的工程勘察中[27-33]。图16 是DPT 设备及作业场景。

图16 DPT 设备及作业场景[28]

针对地基土相对密实度的判断，目前对DPT 的研究主要集中于石英土，对钙质土的研究相对较少，针对这种情况，林 澜等[29]进行了模型试验研究，分析得到钙质土相对密实度和轻型动探贯入指标之间的关系，并且在量纲分析的基础之上，实现了不同类型贯入指标的相互转化，使其更容易用于工程应用；苏 畅等[30]对不均匀系数、粒径以及相对密实度等因素对贯入指标的影响展开了研究，对建立贯入指标和抗剪强度指标的相互关系做出尝试，拓展了动探在岩土工程勘察的应用范围。

在实际工程勘察应用中，由于动探杆的长度很长，需要对杆长修正，而修正方法是动探应用的主要制约[27]。对此，规范给出了两种方法，分别基于牛顿弹性碰撞理论和弹性杆波动理论，可以适用于不同条件下的杆长修正。在运用该方法对土体的工程特性进行评估时，应该严格按照规范所规定的修正范围、方法、规定等[31,32]。但针对复杂条件下的动力触探试验，国家规范仍亟待完善，如超重型动探实验项目的应用，现行国家规范与研究相对较少[33]。应考虑结合实际工程条件和需求的不断发展，对现行规范进行适当修订和完善。

3.3 标准贯入试验

标准贯入试验（Standard Penetration Test，SPT）是动力触探的一种，常被用于评估土体的密实性和强度特性的判断；该方法适用范围广，可用于确定砂土密实度、岩石风化程度、变形参数、地基承载力及对饱和砂土震动液化做出评价等，为岩土工程勘察工作提供可靠依据[31,32,34]。

3.4 旁压试验

旁压试验（Pressuremeter Test，PMT）也称为横压试验，是通过将圆柱形的旁压器竖直放入土中，利用其扩张对周围土体施加均匀压力，测量径向压力与变形之间的关系，可得到原位土体在较大应变范围的应力应变特性曲线，可提供一个破坏参数（极限压力pL）和一个变形参数（旁压模量EM），并获得土体在水平方向上的应力-应变关系，据此对土体的承载力（强度）和变形性质等进行评价；根据旁压器在土中设置方式不同，可分为预钻式旁压试验（PBPMT）、自钻式旁压试验（SBPMT）及压入式旁压试验3 种类型[35,36]。图17 是法国梅纳G 型自钻式旁压仪示意图及实物。

图17 法国梅纳G 型自钻式旁压仪实物及示意图[35]

3.5 扁铲侧胀试验

扁铲侧胀试验（Flat Dilatometer Test，DMT）是利用贯入设备、钻机或其它现场设备，将扁铲贯入土层中，待达到预定深度后，再用小型气瓶对扁铲加压，使得扁铲上的钢膜片侧向膨胀，分别测得膜片中心侧向膨胀0.05 mm、1.1 mm 时的气压值（可通过蜂鸣器精确判断钢膜片的侧向膨胀量），再测出膜片回缩到0.05 mm 时的气压值，根据气压与变形间的关系，可进行原位测试软土、黏土、粉土、黄土、松散-中密砂土等土体在微小变形情况下的变形和强度等特性参数[37,38]。图18 是扁铲实物照片及其结构示意图。

3.6 钻孔过程监测技术

钻孔过程监测技术（Drilling Process Monitoring，DPM）是一种原位测试技术，可以对钻孔过程的参数数据进行实时连续的记录，DPM 技术克服了穿透速率的随机变化，获得了沿钻孔深度的土层到岩层钻井速度的稳定剖析结果[39]。岳中琦[40]开发了对数据进行记录和分析的实时序列方法，旨在对目标区岩土体的性质、分布及岩石块体界面的情况展开高效、迅速、定量量测，包括断面结构构造和充填物的物理力学性质等。图19 是配备DPM 的液压旋挖钻机作业场景，图20 是安装在液压回转钻机上的DPM 监测仪结构示意图。

图20 安装在液压回转钻机上的DPM 监测仪结构示意图[40]

目前，DPM 技术及其实时序列数据分析方法已被应用于各类钻孔参数的分析中。Wang 等[41]介绍了一种利用钻孔参数实时测试岩石单轴抗压强度的方法；Feng 等[42]使用DPM 系统研究旋转非冲击钻井中最佳钻井效率和岩石强度的估算。

运用DPM 技术及实时序列分析法对岩土体的各项性质展开量测，对地下地质岩体的特性进行分析评价，避免工程事故，是一种十分高效、便捷、准确的技术手段，对钻孔过程实时监测的相关技术及配套设备应加大研发力度，使DPM 技术推动工程勘察作业的快速发展。

4 高效钻探取心（样）技术

4.1 反循环取心（样）钻探技术

根据冲洗介质的不同，反循环可分为空气和水力两种，下面分别阐述两种反循环取心（样）钻探的取样原理、配套钻具及技术特点。

4.1.1 水力反循环取心（样）原理

反循环取样钻探的钻探取样原理是通过压送介质从钻杆环状间隙进入钻孔，参与钻孔循环，从而将岩样从钻杆中心通道带到地表[43,44]。图21 是反循环取心（样）原理示意图。

图21 反循环取心（样）原理示意图[44]

4.1.2 取心（样）配套钻具

水力反循环取心所采用的配套钻具主要有钻机、双壁钻杆、泥浆泵、取心钻头及密封设备等[45]。

①双壁钻杆

双壁钻杆是循环介质进入钻孔的通道，是实现反循环取心的核心钻具之一。图22 是双壁钻杆结构示意图。

图22 双壁钻杆结构示意图[45]

②送水器

双壁送水器在整个钻探循环起关键作用，它将循环介质引入钻杆环状间隙间，同时，将中心通道的岩样和岩屑导出至孔外，是实现该技术的关键[44,45]。图23 是送水器结构示意图。

图23 送水器结构示意图[44]

4.1.3 技术特点

反循环取心（样）钻探技术无需提钻就能实现连续获取实物岩样，极大地提高了钻探的效率，同时可以减少对于钻孔孔壁的冲刷，有利于保持钻孔孔壁的稳定性，操作简单、成本低，但是由于岩样经过钻孔中心通道到达孔外岩土箱，可能会造成岩心卡堵的问题，这也是制约该技术发展的最大难题之一；岩心卡堵主要发生在钻头、水龙头和钻杆接头处等[46]。为了改善这一问题，唐胜利等[47]对钻头循环液的流场进行了数值模拟分析，研究发现钻头拥有6 个内喷孔、2 个底喷孔的组合可以通过增强对岩心的冲击，有效减少卡堵事故的发生，从而对取心及岩心运移情况有较大改善。

4.1.4 空气反循环钻探原理

空气反循环取样钻探（Reverse Circulation，简称RC 工艺）的钻进原理为被压缩后的空气从气盒子进入钻杆内外管中间的间隙中，最终到达钻头，最后通过钻杆内管的通道携带岩石样品（岩屑）回到地表（见图24）。其主要特点包括地质信息获取速率快且结果准确、钻进效率高、取得岩样质量较高、操作简单、成本低、事故少[48,49]。该技术通常搭配潜孔锤钻进，能大幅提高钻进效率，对在松散覆盖、基岩破碎节理裂隙发育、卵砾石等复杂地层及缺水地区的钻进具有较强适应性，可大幅推进勘探进度，用途广泛，目前RC 工艺在我国的应用范围正不断扩大[48-50]。图25 是YSL-500RC型反循环钻机实物照片。

图25 YSL-500RC 型反循环钻机[50]

4.2 绳索取心钻探技术

4.2.1 绳索取心钻探原理

在钻探作业过程中，由于孔内钻具的往复提升或下放会耗费较多辅助时间，严重制约着钻探的作业效率，而绳索取心钻探（Wireline Core Drilling）在地表获取孔底岩心样品时无需整体提出孔内钻具（见图26、图27），仅需通过钻杆中心通道用打捞器把存放岩样的内管提升至地面，具有钻进效率高、取心效果好、钻头寿命长、减轻工人劳动强度、降低钻探成本、有利于复杂地层钻进、孔内安全和便于测斜工作等优势[51-54]。

图26 绳索取心钻具实物图

我国地质系统主要使用“S 系列”、“JS 系列”和“YS60”三大系列的绳索取心钻具，随后又衍生发展出了液动冲击回转绳索取心钻具、绳索侧壁补心钻具、不提钻换钻头绳索取心钻具、孔底冷冻绳索取心钻具、水平孔绳索取心钻具等多种类型；绳索取心钻具主要由专用双管（内、外管总成）和打捞器两部分组成，其中的双管总成主要包括弹卡机构、单动机构、调节机构、悬挂机构、到位报信机构、岩心堵塞报信机构、打捞机构和安全脱卡机构[51,52]。

4.2.2 绳索取心钻探技术的配套设备和机具

绳索取心钻具的配套设备和机具主要有：①绞车（用于升降内管，分为自带动力驱动和由钻机动力传动两类）；②钻杆夹持器（分为脚踏夹持器和球卡夹持器两类）；③提引器（分为手搓式螺纹提引器和球卡提引器两类）；④自由钳（常用φ55/φ52 硬质合金自由钳，用于拧卸钻杆和钻头）、⑤钻杆（要求壁薄、材质好、采用的扣型合理、丝扣加工精度高，并进行调质处理）等。相比于常规提钻取心，绳索取心钻探技术的作业效率高，但由于材料规格和质量难以达到理想的要求、机具的加工精度和热处理水平也有待进一步提升和完善，使得绳索取心钻探技术仍存在较多待解决的问题[51,52,54]。

为了不断拓展绳索取心钻探技术的应用，改善其应用效果，进一步提高钻进效率、岩心采取率和完整性，有必要对该技术配套机具展开进一步研制，并对其材料和加工工艺进行优化，以更适应松散破碎的易垮塌漏失、孔斜、难取心等复杂地层的长时间不停钻钻进取心要求。

4.3 水平定向钻探技术

定向钻进技术（Horizontal Directional Drilling，HDD）是为完成地质勘察的需求，运用技术手段使钻井井身根据预定好的方位和井斜到达目的地层的钻进方法，已在固-液-气三态矿产资源的勘探开发、隧道工程勘察等技术领域得到广泛应用；HDD 技术的有效性很大程度上取决于合理的钻孔轨迹设计，所以需要特殊钻进设备及辅助仪器，并采用适宜的特殊工艺才能顺利实施[55-63]。图28 是水平定向钻机设备构成示意图。

图28 水平定向钻机设备构成示意图[61]

目前为止，在铁路工程勘察工作中，自地表向下垂直孔身勘探依旧是最为常见的方式，但是在地形陡峻、交通困难的地区，大型钻探装备很难到达指定钻探现场，而小型设备又难以满足勘探要求，从而使得查清工程区域内的地质条件变得非常困难，或者取得的地质资料与工程实际情况有较大的出入，导致后续的设计工作很难进行或不符合工程实际，且垂直孔钻探进尺的有效部分并不多，不能十分有效地反映隧道穿越区围岩的地质情况[56-61]。水平定向钻技术对此类问题的解决可起到较好的效果，马保松等[60]针对传统垂直钻探不能达到天山胜利隧道的工程勘察要求，将HDD 技术应用于隧道工程勘察，制作了详细技术方案，并在水平孔中进行取心和孔内电视等测试作业，对隧道围岩地质条件做出了准确判断。HDD技术在隧道勘察中取得了较好成果，故在垂直孔难以布设的位置，可沿隧道轴线布置水平孔，从而查清隧道围岩的实际情况，其主要优势为[60-63]：①在隧道施工期间，勘探时设置的垂直孔易引起钻孔突涌水，水平孔则能较好地避免这一问题；②控制钻探时的轨迹，可以使钻进方向与隧道轴线保持在一定的偏差角度之间，将垂直孔的点变为水平孔的线，提高钻探精度；③为了实现较长距离的水平钻进，钻进时把多种工艺结合使用，相较于垂直孔，水平钻探的设备收到其他外部因素的影响较小，如地形、隧道埋深等，同时钻孔利用率较高；④根据不同的取样需求，使用不同的取样技术，可以实现连续或间断取样，可以准确描述岩石的节理、构造特征，经过物理测试以后，可以获取准确的岩性参数，为隧道围岩分级提供依据；⑤在钻进过程中，为了实现对工程参数的实况监测，运用随钻探测技术，实时获取钻孔内部的温度、水压力等参数，同时建立围岩与钻进参数的关联性模型，为隧道的掘进提供数据支撑。尽管水平定向钻探技术有诸多的优势，可以解决许多垂直孔钻探所不能解决的问题，但是该技术用于工程勘察仍存在一些问题[61]：①在高水压、高地应力的硬岩层和破碎岩层中，水平定向钻探的钻进效率较低，会延长隧道施工的周期，并且在适用性方面，由于还没有完全形成相应的装备和技术，故该技术在深埋、长大隧道勘察方面的应用还存在着许多难点；②工程勘察中运用水平定向钻技术，由于工程实例较少，没有形成相应的技术规范，在选取钻孔参数时较为混乱；③由于现有技术的限制，隧道施工时水平定向钻进在掌子面前方实现超前地质预报，对于平行于隧道轴线的岩体，难以对其结构面进行准确的探测。

针对于上述问题，徐正宣等[62]对超长水平定向勘探技术与装备展开研制与改进，形成了一套较为完善的水平绳索定向钻具、工艺以及绳索取心定向勘探工法，实现国内零的突破，解决了川藏铁路水平深孔钻探装备与工艺难题。千米级水平钻机总体结构示意图如图29 所示。

图29 千米级水平钻机总体结构示意图[62]

同时，为解决绳索取心技术应用于超长水平定向钻探钻孔轨迹偏斜的问题，吴金生等[63]对水平绳索随钻定向钻具及工艺进行研究，形成了一套较为完整的技术体系，并用于川藏铁路隧道的定向纠偏工作中，取得了较好的效果。绳索随钻定向仪输送固定机构如图30 所示。

图30 定向仪输送固定机构[63]

水平定向钻技术在川藏铁路的成功应用，解决了传统垂直钻孔在地理环境复杂地区难以展开有效勘察的工程问题，充分说明该技术结合适当测试手段，钻进距离长且效率高、定位准确、便于机动，因此以水平定向钻机为基础，研究其用于超前地质预报、地质勘察的关键技术，研究具有取心、感知功能的水平定向钻超前地质预报、地质勘察成套装备是可行的，应进一步推进配套钻具设备智能化进程。

4.4 直推钻探技术

直推钻探技术（Direct Push Drilling）源于荷兰，通过运用人力或者机械力直接将钻具压入地下，进行钻探和取样；软土地层阻力较小，通过液压油缸的静压力即可将钻杆按照预设路径无回转推入目标地层；而在砂砾石层和非均质回填层等阻力较大的地层中，仅靠静压力推进困难，此时直推钻机的振动器可释放一定频率的冲击力，再与油缸产生的静压力共同作用实现推进，完成钻探取样目标；该技术无需冲洗介质、操作简单、灵活机动、推进高效、获取样品品质较高且干扰小，得到了广泛运用[64-68]。图31 是Geoprobe 7822DT 型直推式钻机实物照片及结构示意图。

直推式钻机结构紧凑、机动性强、使用简便、功能多样，在其它钻探手段受到限制时，仍然能够完成钻探取样作业；此外，该钻机冲击频率较高，只会对地层产生较小的压缩，可以较好地达到原状分析的效果[67,68]（见图32）。

图32 直推钻具取样效果[59]

目前，我国在直推钻探技术配套设备研发及其原位检测工具、专业技术规范和技术指南等方面并不完善，科技部于2020 年启动了“污染场地土层剖面钻进探测一体化技术与装备”专项，研究直推钻进技术的配套设备，包括精准控制推进系统、钻进探测一体化装备等，同时对该项技术展开应用示范、编制技术规范等相关工作，推动直推式钻探技术的应用和发展。

4.5 组合钻探技术

组合钻探技术是为了提高工程勘察钻探效率，降低工程成本，而将绳索取心钻探与反循环钻探、液动潜孔锤等技术结合起来使用，扬长避短。孙丙伦[69]通过技术经济学和系统分析原理研究了深孔钻机、钻探方法和工艺等因素，发现基于液动锤和金刚石钻探技术组合使用的情况优化发展形成的WL 钻探技术能够充分发挥两种技术的优越性，使得深孔取心钻探的效率显著提升。卢予北[70]也针对液动锤和绳索取心的联合使用进行了研究，发现当二者结合使用时，改变了其碎岩方式，使得钻孔防斜效果显著提升，降低了事故发生的概率，延长了钻头寿命。在钻探过程中，应结合实际情况，分析反循环取心钻探、绳索取心钻探、（水平）定向钻探等不同技术的优劣，结合钻探工程实际工况将其组合使用，在充分发挥各项技术优势的同时，避免短板，为显著提升钻进效率和岩心（样）采取率、降低工程成本、解决施工技术难题提供合理的新方案，同时根据不同的施工环境和地质条件，研究钻探技术不同的组合方式。研发配套的装备、机具和技术也是钻探技术的发展方向。

5 联合勘察技术

联合勘察技术将钻探与物探、化探、遥感等多种技术相结合，实现多种技术的交互，相互印证，取长补短，从而提高工程勘察效率及准确性[71]。物理场无处不在，且会根据介质的物理性质不同而部分发生改变，这种改变被称为异常场，而物探就是通过对异常场进行观测和研究来解决地质问题的一种勘察技术手段。工程物探是在专业仪器的辅助之下，对地球物理场进行整体的观测，同时把握局部变化，抓住异常场，结合相应的地质资料对现场工程地质条件及环境资源进行预测，达到解决具体工程项目地质问题的目的[72-75]。钻探属于直接勘探方法，可以从孔底直接取出岩样观察，但是难免存在一孔之见的局限性，而物探则属于间接勘探方法，这种方法从宏观上把握施工场地周围区域的整体地质情况，可以避免用局部反映总体的局限[74]。物探的主要特点为测试周期短、速度快、范围大，广泛应用于各类工程，在钻探难以发挥作用的特殊环境中，物探是勘察的主要手段。但是物探是一种间接的勘探方式，不能直接获取样品，其勘测结果在反演时存在多解性，对目标地质体的异常情况进行验证较为困难[75]。钻探和物探两种方法都有各自的局限性，仅用单一手段，可能导致结果较为片面，不能查清影响工程施工的所有地质因素，而将钻探技术与物探技术结合使用，相互印证，实现不同种类物探技术的交互，有助于工程勘察工作的高效进行。刘 伟等[76]针对云桂线富宁隧道的地质问题，结合运用了钻探技术与音频大地电磁法等物探手段，高效地查明了该区域的总体地质情况，解决了其地质问题。张 辉等[71]发现尽管通过钻探取样可对地层现状有直接清晰的认识，但是位于不同钻孔之间的地层特征及其变化只能结合邻近钻孔的情况及相关的地质资料进行分析推测，存在多解性，在钻探岩样的基础上利用电磁法与面波法等物探手段，针对特殊地层的厚度、分布以及不良地质构造的发育能够进行有效的探测，同时与钻探成果相互补充和印证，可取得较好的效果。李国圣[77]认为传统铁路边坡勘察和评价手段单一，评价效果不够客观，不能全面有效地反映真实的地质条件。周关学等[78]在安顺至六盘水城际铁路茨冲一号隧道开挖出大型溶洞群之后，运用综合勘察手段，将隧道底部的大型溶洞形态特征和该地区的水文地质条件调查清楚，为后续针对溶洞的整治工作提供了地质依据。

在地形陡峻、地质环境复杂、不良地质发育较多的高山峡谷地区，应广泛使用高分卫星遥感地质解译、合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）、无人机航测、机载激光雷达测量（Light Laser Detection and Ranging，LiDAR）、全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）监测、地面三维激光扫描（Terrestrial Laser Scanning，TLS）等“天+空+地”技术，以及钻探+物探+原位测试等多种方法相结合的综合勘察技术及适宜的评价方法，可为工程勘察的高效实施提供技术支撑[77-79]。

6 结论

（1）通过对取心（样）作业要求、取土器及取土钻具、原位测试技术、高效钻探取心（样）技术以及联合勘察技术进行梳理，总结了各技术的特点及存在的问题，在工程勘察实践中，需要对各种技术的特点准确把握，综合考虑实际工况等多重因素，才能更好地完成工程勘察工作。

（2）尽管我国钻探取心（样）技术取得了许多研究与应用成果，在技术工艺及配套钻具方面均得到大幅提升，但仍需进一步加大研发力度，可针对钻探技术在不同领域和地区的深入应用研制配套钻具，推动钻具模块化、智能化发展，不断拓宽钻探技术在工程勘察中的应用，并对现有钻具进一步优化升级，以期更好地提高钻进效率、取心质量、延长钻具使用寿命并降低综合成本。

（3）不同技术均有其优势及局限性，若将它们割裂开来可能导致所得结果较为片面，难以真实有效地反映工程勘察区域的工程地质条件。通过将钻探、物探、遥感等多种技术和方法进行有机融合，扬长补短，形成联合勘察技术体系，充分发挥各自的优势，不仅能够显著提升工程勘察作业效率和质量，还可有效降低综合成本，这是工程勘察技术的发展方向之一，值得进一步优化与推广。