钻探技术在工程地质勘探中的应用

谌 笛

（安徽省地质矿产勘查局324地质队，安徽池州 247100）

随着我国城市化进程加快与工程建设需求量加大，土地资源的合理利用已经引起广泛重视，地质勘探技术可以利用技术手段实现对土地资源情况的全局把控，为后续施工工程提供安全性与实用性的保证。钻探技术作为地质勘探技术的主要技术手段，利用钻头等工具对施工现场进行多维把控，为施工方案的设计提供依据。但由于我国经济发展不平衡，部分区域在工程地质勘探中的钻探技术还有待提高，亟须总结相关经验理论以提供指导。因此，本文此次研究的内容和提出的策略对工程建筑建设现代化发展具有理论性意义，对推动我国地质勘探与钻探技术发展具有现实意义。

1 工程地质勘探中钻探技术概况

1.1 工程地质勘探

在工程施工环节中地质勘探的作用在于摸清工程施工前发展目标施工场地基层情况与地质隐患，为了能探测更深层的地质情况往往需要搭配钻探技术来完成。随着现代化工程施工的工艺与难度不断加大，完备的工程地质勘探工作将为建筑工程的稳定性与安全性提供支撑，在现代地质勘探中勘探内容越发细致、测绘记录越发精准、误差分析越发完善。钻探技术作为勘探工作的重要手段，提高了地质勘探工作的效率、准确度与代表性[1]。通过地质勘探中的钻探技术使用，施工人员除了可以得到以水体、岩体数据为代表的地质参数，也可以通过相关的数据分析找到施工场地的环境变化特征，以向工程建设设计提供合理的参考并针对区域特点做出相应的风险预案。

1.2 钻探技术特点

在工程地质勘探中，钻探技术通过钻探目标场地进行取样与数据测量的方法展现出极强的效率性、准确性与代表性，因此也成为了工程地质勘探工作中的常用技术与代表技术。首先，钻探技术讲求钻孔作业位置的专业性。钻孔作业作为钻探技术的基础环节是钻探技术对于整体施工地质环境把握的窗口与途径，科学的钻孔位置选择决定了整体地质勘探工作的质量，相关技术人员应当统筹把握施工环境，通过精密的计算提前控制钻孔位置，钻孔位置不得偏离整体工程结构以确保最终勘探结果的代表性与有效性。其次，钻探技术讲求钻孔作业深度的专业性。工程地质勘探作业具有极强的目的性，相较于以科研为目的的地质研究，工程地质勘探作业深度受到目标施工工程的功能影响，除了需要综合考量深层地质结构的大型水利工程外，一般的工业或民用工程勘测深度不超过10m，同时由于工程地质勘探的侧重点更加单一，多以地质稳定性为主，其勘测工艺更加粗略简单且具有较强的针对性。再次，钻探技术讲求钻探施工的严谨性。需要在施工勘测中严格控制回进次尺的长度，使其长度最小不低于2m 且最高不超过3m，在钻孔过程中相关人员应根据钻孔的结构进行观测、编录工作，并设置专人对于操作过程进行全面观察，提高施工的专业性[2]。最后，钻探技术讲求钻探作业的综合性。钻探作业的综合性要求根据目标施工现场的实际环境做到因地制宜的差异化钻探工作，在钻孔环节开始前施工人员应当做好关于现场历史数据的调查工作，其数据包含但不限于施工环境内部的水体分布、岩层布局以及地形地质分层情况等。在此基础上所进行的钻孔取样环节中，施工人员应当确保取样成分的清洁性与完整性，在作业进行中应当将工程对环境的影响最小化，避免钻孔破坏岩层的稳定性或污染地下水。

1.3 钻探技术现状

在工程地质勘探过程中钻探技术可以直接将地下土层结构取样至地面，借此向施工团队提供较为直观的地质结构图示。帮助相关施工企业对地基进行深入地了解，判断是否存在一些不稳定因素影响建筑施工的质量与安全[3]。但随着我国现代化建设的不断发展，建筑工程的类型功能日益丰富，同时扶贫工程的推进使得在地质基础环境较差的区域也开始开展工程建设，这无疑对目标施工环境以及工程地质勘探技术的水平造成了一定的压力。钻探技术作为工程地质勘探的代表技术优先传递出现代化转型的信号，传统钻探技术已经无法满足钻孔施工的安全性、代表性与清洁性，因此现阶段钻探技术所面临的最重要问题在于技术的改变与方法的升级，目前我国钻探技术在发展中已经做出了相应的改变。

首先，在大型基础设施建设工程中提升工程钻探技术可勘探的最大深度。结合具体施工情况将AI技术与工程地质勘探技术相结合，使用自动化辅助钻探技术的勘探精度与下沉力度，利用计算机实时监控工程地质勘探工作进程，大幅提升了勘探工作的专业性与技术性。其次，利用发达地区成熟经验与先进技术带动地方勘探施工技术的发展。施工单位可以通过大数据与互联网云上数据共享技术获取施工现场的历史勘测数据，同时部分区域也可以利用发达地区勘测的成功技术经验弥补区域发展不平衡的问题，向共同富裕总目标进发。最后，钻探技术的科技含量被不断增强。现阶段我国施工行业现代化转型升级仍在路上，相应时代创新发展的热潮与实际工作的要求，工程施工单位关注与科研机构与高校的合作，以获得最先进的技术设备以及与之配套的人才。

2 工程地质勘探中钻探技术方法

2.1 钻探方法

根据目标施工现场环境的差异性，所执行的钻探方法也有所不用，根据我国地形总体特点在工程地质勘探中常用冲击钻探或回转钻探完成钻探作业，在此基础上为了工程施工管理的便利性钻探方法又可细分为人力钻探与机械钻探两大类别。其中机械回转钻探钻孔深度较大，可直达地基岩石中心，并展现出极高的工作效率[4]。随着科技的发展与全球化水平的提高，现阶段在跨国工程建设中的加工成地质勘探钻探方法更加强调综合性，目前已有将液压驱动、智能仪表、地质试验与地质勘探结合的融合倾向。

2.2 取土方法

地质土壤取样是工程地质勘探中钻探技术的中心环节，通过观察地质样本不仅能直观地获取基层土层构成结构，也可以通过样本试验模拟工程土体在工程竣工后的物理力学作用下所发生的变动，可以基于地质成分的取样调查，分析地质层的硬度[5]。但由于土层的含水量与密度不同，在取土器取样过程中难免会出现由于土壤流动性所带来的误差，为了确保样本的严谨性与针对性，现代工程主要采用三种固定原状土样的取土方法。第一，击入法，击入法适用于在土层较坚硬的目标环境中，取土器外设小孔同内外小锤共同深入地下，在具体取土过程中内外锤通过锤击的方式交替使用轻锤多击与重锤少击的方式将取土器外土壤锤击入取土器内，该方式的优势在于取土过程中对土壤环境影响较小，且取土器械力度较大具有较高的取土效率。第二，压入法，压入法尤其针对软基土壤，利用压力作用通过取土器内的活塞与滑轮系统利用物理原理人为改变区域内部压强，或是通过持续压入或是通过断续压入的方式，将目标区域的土壤样本压入取土器内，该方式的优势在于利用软土层的性质使用较少的动力能源，起到最优的作用效果，需要注意的是为了最小限度地搅动土壤并保证取样的连贯性，应当优先采用持续压入的方式，在不能一次性持续压入的情况下再采用断续压入的方式。第三，振动法，振动法主要利用振动机械对土壤周遭进行搅动进而将目标松散土样利用取土器收集。

3 工程地质勘探中的钻探技术应用

3.1 反循环钻探技术

反循环钻探技术根据循环介质的不同可以细分为水力反循环技术与空气反循环技术，由于其低廉的成本与较丰富的使用经验在现阶段的钻探技术中使用广泛。在水力反循环技术中，水与泥浆构成循环介质，并在实际的钻探作业中将有心钻头与泥浆与水的混合介质相融合，再一同传输至目标土壤井底后将柱状岩芯挤回地面，并利用浮力进行钻头的回收。该项技术属于逆向循环技术，可以通过较低的力量得到完整的岩体，且效率较高[6]。其使用优势在于巧妙利用压强、密度等物理原理，没有运用较强的动力驱动就可以得到完整的岩体土壤样本，整体而言勘探样本取样量大且样本完整度较好。该项技术的使用局限性在于循环介质中使用的水资源数量巨大，在一定程度上会造成资源浪费，且在实际使用过程中由于对于钻探使用动力不足其钻探速度较慢。空气反循环技术是水力反循环技术的升级版，克服了水力反循环对于水资源依赖与需求并采用空气作为循环介质，其主要通过压缩空气的冲击力诱导目标岩体附近的锤击系统发挥作用，同时利用压缩空气的膨胀推力改变井底压强，进而将岩体土壤样本带上地面。

3.2 绳索取芯钻探技术

绳索取芯钻探技术利用可重复拉起并下放的绳索完成岩芯的取样，相比于传统通过钻杆取芯的方式避免了钻探工程的重复搭建从而提高工作效率，同时使用绳索取芯为整体施工增加了更多的灵活性。在该技术中钻杆与岩芯管长期非固定以持续发挥其应有的效应。该项技术的使用优势在于钻探技术使用过程中的持续性与稳定性，一般情况下使用绳索取芯钻探技术无需将钻杆深入较长的岩体中，绳索可以辅助钻杆进行岩体样本的抓起与挑选，避免了单一依靠井底冲力或吸力造成的管道堵塞或动力不足，在保证工程安全性的同时降低了工程成本[7]。同时钻杆不进行与岩层过度深入与直接接触，符合现阶段可持续发展的理念，将施工工程对于自然的影响降到最低，因此该项技术尤其适用于一些对洁净度要求较高且施工环境较为不稳定的探测项目。

3.3 液动潜孔锤钻探技术

液动潜孔锤钻探技术依赖于由冲击液所驱动的液压潜孔锤，其技术原理与传统旋转钻技术类似，但其动力更足且工作效能更高。冲击液冲击液压锤的同时激发液压锤子内部的冲击力与回转力，并最终将能量导向至钻头处，强大的回转力可以击碎较为坚硬的岩石，适用于地质条件复杂且坚硬的区域[8]。该项技术的使用优势在于其较强的钻探力度与高效简便的工作方式，在坚硬的岩石结构中展现出独到的自我优势。该项技术的使用局限性在于设备较为笨重，且在实际操作过程中机器工作负荷较大，因此为了延长设备寿命提高工作效率，在施工过程中需要选用具有顺滑度较高且黏度较低的液压泥浆充当润滑剂以降低液压锤的磨损消耗。

3.4 组合钻探技术

组合钻探技术强调以上三种技术的有机结合，在钻探施工过程中产生优势互补的协同效应。该项技术的使用优势在于：①在节约人力物力的前提下最大化实现钻探工作效率[9]。该技术将三种技术有机组合，最大化利用水力与压缩空气等可再生资源，减少驱动大型机械设备的能源浪费，解放劳动力与生产力；②可以根据施工现场实际特点，提高勘探技术在使用过程中的灵活性[10]。在对岩体土壤进行取样时，由于工程要求差异与实际情况的多样，将三种方式有机结合灵活运用可将三者取长补短，大幅提高工作效率，如若工程所要求的钻孔深度较浅，虽然一般使用液动潜孔锤与钻杆的配合将样本压出，但若岩体结构较易阻塞管道则可以利用绳索取芯钻探原理将样本取出，实现了真正意义上的优势结合。

4 结束语

钻探技术在工程地质勘探中具有复杂性与技术性，针对不同工程要求与条件选择的科学钻探技术将成为工程施工水平的体现与施工质量的保障。通过本文研究得知工程地质勘探与钻探技术的特点为二者的结合提供了可能性，目前在工程地质勘探中常用的钻探方法有钻探方法与取土方法，常用的钻探技术有反循环钻探技术、绳索取芯钻探技术、液动潜孔锤钻探技术、组合钻探技术。基于以上方法，本文提出了相应的技术要点。