复杂地质条件下岩土工程勘察技术的运用分析

摘 要：某公路桥梁工程的岩土地质条件较为复杂，以丘陵和流水侵蚀堆积地层为主，同时存在滑坡、采空区塌陷、泥石流等不良地质因素。在工程勘察工作中，采用钻探取样技术分析钻进工艺、钻探设备选型以及钻探施工的相关计算。将岩芯单回次进尺深度设计为3.0m，随着钻孔深度增加，岩芯采取率逐渐下降，并且整体偏低。通过改进技术措施，将单次进尺深度改为2.0m，同时减少钻进压力和降低速度。经检测，岩芯采取率升至76.5%以上，达到规范要求。地质钻探是岩土工程勘察的重要技术手段，当地质条件较为复杂时，需要结合实际情况，合理选择钻探工艺，同时根据钻进效率、钻进质量、岩芯采集率，调整部分工艺参数，降低扰动因素的影响。

关键词：复杂地质条件；岩土工程勘察；钻探取芯

中图分类号：U 412 " " 文献标志码：A

1 公路桥梁工程复杂地质条件概况

某公路桥梁工程全长为40km，桥梁段长度为1.22km。作业区地形地貌以丘陵和流水侵蚀堆积形成的碎石土、卵石土为主。丘陵的海拔在400～600m，分布有大量的“V”形或“U”形沟谷。根据现有资料，该项目地层编号为全新统、上更新统、中更新统以及下更新统。路基施工范围存在较多的不良地质因素，具体包括滑坡、泥石流、采空区沉陷以及熔岩塌陷区。整体地质条件较为复杂。

2 岩土工程勘察技术运用方法

在公路路基岩土工程勘察中，可采用多种技术，例如物探法、钻探法。为了提高地质勘察的准确性，该项目拟定运用钻探法获取岩土样本。

2.1 土壤水腐蚀性分析

腐蚀性分析是在岩土工程中评估土壤或地下水对金属结构、管道或设备腐蚀程度的过程。从电化学腐蚀的视角来看，在土壤或地下水中，金属结构可能成为阳极并发生氧化反应，而其他物质（例如水中的氧气）则在金属表面作为还原剂参与阴极反应。其中，铁的电化学腐蚀过程如下。

阳极反应：Fe→Fe2++2e-

阴极反应：O2+2H2O+4e-→4OH-

综合反应：4Fe+O2+2H2O→4Fe（OH）2

从化学腐蚀的视角来看，土壤或地下水中的化学物质直接与金属发生反应，可能出现腐蚀问题。例如硫酸根离子（SO42-）和氧气（O2）可与铁发生化学反应形成铁酸盐，加速金属腐蚀。该反应过程如下。

Fe+H2SO4+1/2O2→FeSO4+H2O

基于上述化学反应，施工人员可以更好地评估腐蚀对金属结构的影响，并采取适当的防护措施。

2.2 钻探施工设计

2.2.1 钻孔结构

在传统的浅孔钻探设计中，等径圆孔是较为常用的一种钻孔结构，这种设计在实践中存在一些明显的不足。由于地质条件的复杂性和多变性，因此等径圆孔在钻探过程中往往容易引发孔壁陷落、孔径变形以及卡钻等问题。这些问题不仅会影响钻探工作的顺利进行，还可能对钻探设备造成损害，增加钻探成本。为了克服这些困难，本项目提出一种创新的钻孔结构设计方案。该方案将钻孔结构分为三级，每一级都有不同的孔径。第一级孔径为168mm，这种孔径设计目的是快速穿透较软的地层，提高钻探效率[1]。第二级孔径为136mm，这种设计能够在进入较硬地层的过程中保持钻孔的稳定性，减少孔壁陷落的风险。将第三级孔径缩小至53mm，这种设计能够保证钻探到目标地层时获得高质量的岩心样本。这种三级钻孔结构设计不仅考虑了地质条件的复杂性，还充分利用了不同孔径在钻探过程中的优势。通过合理的孔径变化，该设计方案能够在保证钻探效率的同时，有效避免孔壁陷落、孔径变形以及卡钻等问题。

2.2.2 钻进工艺

2.2.2.1 钻进方法选型

当地层的可钻性在7级以下时，提钻金刚石岩芯钻是一种非常有效的钻探方法。这种方法利用金刚石钻头的高硬度和耐磨性，能够在多种岩石地层中实现高效钻进，同时保证岩芯的完整性和采样率。然而，在实际工程中，往往会遇到更为复杂多变的地质条件。特别是在一些特殊路段，例如采空陷落区、熔岩塌陷区等，地层结构往往松散破碎，这为钻探工作带来了极大的挑战。在这些区域，传统的提钻金刚石岩芯钻探方法可能会遇到钻进效率低、岩芯采样率低等问题。这不仅影响钻探工程的进度，还可能对后续的路基施工带来安全隐患。为了应对这些挑战，施工企业通过现场测试，探索了一种更为适应复杂地质条件的钻探方法，即跟管钻进与泥浆护壁相结合法。这种方法结合跟管钻进技术的高精度以及泥浆护壁技术稳定性的优势，有效解决了松散破碎地层中钻探效率低、岩芯采样率低的问题。跟管钻进技术通过在钻进过程中不断跟进套管，保证钻孔的垂直度，有效防止了地层坍塌。而泥浆护壁技术则通过在钻孔中注入特制的泥浆，形成一层保护壁，防止地层颗粒的流失和坍塌，进一步提高了钻进效率和岩芯采样率。

2.2.2.2 钻具选型

用钻具连接钻杆和钻头，该项目可采用ø75、ø130两种规格的钻具，材质为合金[2]，对应的钻杆为ø42、ø50岩芯钻杆。

2.2.2.3 钻头选型

钻头选型主要受到基岩类型、基岩完整度的影响，上覆层通常硬度较低，随着钻孔深度增加，基岩的破碎程度逐渐降低，钻进难度持续上升。当选择钻头时，需要综合考虑岩石粒度、钻头级别、钻进效率以及地层破碎程度等因素。结合该项目实际情况，选取金刚石钻头和复合片钻头。

2.2.2.4 钻进参数

钻进参数设计的重点是钻进压力、钻头转速以及冲洗液量。钻进压力与金刚石钻头的类型相关，对表镶钻头来说，钻进压力P=δ×G×f，其中，P为钻进压力，δ、G、f分别为岩石抗压强度、钻头底唇面金刚石的数量、单颗金刚石与岩石的接触面积。可通过查表获得参数δ和f，以岩石抗压强度δ为例，可根据表1取值。在该项目中，基岩类型主要为砂岩，δ为100MPa，单颗金刚石与岩石的接触面积为0.14mm²，参数G为0.75，代入公式，计算出P为10.5MPa。钻头转速应该与钻头直径相适应，直径和转速之间的对应关系见表2。钻头钻进过程不断生热，用冲洗液冷却钻头，其用量Q=6VF，F为钻头环状面积，V为环状间隙反流速度。

2.2.3 钻探设备选型

2.2.3.1 钻机

钻机类型多样，主要区别是钻孔直径、钻进深度，公路路基勘察施工多为浅孔作业，宜采用汽车钻，当岩芯硬度较大时，可改用岩芯钻。经过对比，拟定采用GSD-Ⅲ型汽车钻和XY-1型岩芯钻。GSD-Ⅲ型汽车钻的钻孔直径在120～1500mm，最大钻孔深度为40.0m。XY-1型岩芯钻的最大钻孔深度为100m，终孔直径为75mm。

2.2.3.2 钻塔

常用的钻塔分为直塔、斜塔和人字塔，当选择钻塔时，需要计算钻塔的高度，其计算过程如公式（1）所示。

H=k（lCB+lk） （1）

式中：H为钻塔高度；k为钻具高度的调节系数，取值为1.2～1.5；lCB为钻杆立杆的长度；lk为提升工具组的长度。钻探应满足钻机的使用需求，该项目大部分钻机为XY-1型岩芯钻，与之适应的钻塔为人字形钻塔[3]。经计算，钻塔高度为13m。

2.2.3.3 水泵

水泵是钻孔过程中供应冲洗液的主要设备，当选择水泵时，需要计算泵量QH，其计算过程如公式（2）所示。

（2）

式中：F为活塞面积；f为拉杆面积；S为活塞的行程；nx为活塞每分钟的往返次数；a为水泵的充满系数，取值为0.8～0.9。水泵的单位时间供水量应不低于QH。

2.2.4 钻探相关计算

2.2.4.1 套管作用载荷计算方法

套管的作用是钻进导向、保护孔口以及防止孔壁坍塌，通常采用钢制套管。采用公式（3）计算套管上的拉力。

（3）

式中：pk为套管柱上产生的拉力；g为重力加速度；q为每米套管的质量；L为套管的总长度；ρ为冲洗液的密度，通常采用清水；ρM为管材密度。钻探施工中对套管柱的下放深度提出了严格的要求，如果下放深度过大，就容易造成套管失稳[4]。将套管的极限下放深度记为Znp，则该参数的计算过程如公式（4）所示。

（4）

式中：F0为套管车扣部分的危险断面；σT为管材的屈服极限。

2.2.4.2 水泥固孔计算

岩土工程钻探勘察可在路基上形成较多的浅孔，在岩芯取样结束后，应该对钻孔进行处理，以提高路基的稳定性，常用的处理措施为向孔内灌注水泥。采用公式（5）计算钻孔内灌注水泥浆液的体积。

（5）

式中：VH为钻孔灌注泥浆的用量；V1为管外水泥浆液的体积；V2为管内水泥浆液的体积；K1为调节系数，用于抵消水泥浆液向孔内渗漏造成的损失，取值为1.2～1.4；Dc为钻孔直径；D和d分别为套管外径、套管内径；h1为套管外水泥浆液的高度；h2为套管内水泥浆液的高度。

2.3 岩芯取样技术

2.3.1 岩芯采取率计算方法

以高速公路桥梁段地质钻探为例，钻孔数量为10个，编号为ZK21650C、ZK21800C、ZK23070C等。在钻进过程中，将一个回次的进尺深度设计为3.0m。根据相关技术规范，对完整或较完整的岩体来说，岩芯采取率不得低于80%，对较破碎或破碎的岩体来说，岩芯采取率不得低于65%。岩芯采取率=岩芯长度/取岩芯进尺深度×100%。

2.3.2 岩芯采取率数据

每个钻孔都可产生相应的岩芯采取率数据，由于钻孔较多，因此仅展示钻孔ZK21650C的岩芯采取率数据，从中可知，随着钻孔深度增加，岩芯采集长度、岩芯采取率以及累计平均采取率均呈下降趋势。统计前3个钻孔的岩芯采取率，总钻孔深度均为60m，共计20回次，10～20回次的岩芯采取率大多低于65%，不符合要求。岩芯采取率数据示例见表3。

2.3.3 提高岩芯采取率的技术措施

2.3.3.1 适当降低回次进尺

在钻探的前3个钻孔中，单回次进尺深度均为3.0m。在此深度下，随着钻孔深度增加，取样行程也相应增加，提升过程中的扰动因素也随之增多，这些因素都可能引起岩芯脱落，导致采取率偏低。为了解决这个问题，施工人员需要考虑适当降低单回次进尺深度，控制取样长度，从而减少岩芯的自重。当岩芯的自重减少时，就不容易在提升过程中脱落。因此，在后续的钻孔施工中，施工人员决定将单回次进尺深度缩减为2.0m。除了降低单回次进尺深度外，还有其他一些方法可以防止岩芯脱落。例如，可以增加岩芯管的直径，减少岩芯与管壁的摩擦力。此外，还可以在岩芯管内部添加一些润滑剂，进一步减少岩芯与管壁的摩擦。这些方法都可以有效地提高岩芯的采取率，降低岩芯脱落发生概率（表4）。

2.3.3.2 合理配置泵量、钻速以及钻进压力

钻进速度、钻进压力以及单位时间内的冲洗液用量均属于扰动性因素，为了提高岩芯采取率， 可适当降低钻进速度和减少钻进压力，相应的泵量也需要同步降低（表5）。

2.3.4 岩芯采取率提升效果

在采取改进措施后，以ZK23580C钻孔为例，孔深度同样为60m，钻孔回次增至30个，单回次进尺深度为2.0m。统计每个回次的岩芯采取率，最低值为76.50%，最高值为92.50，采取率显著提高，并且满足技术规范[5]。

3 研究结果讨论

该项目为高速公路工程，部分路段为公路桥。地质条件较为复杂，涵盖丘陵、流水侵蚀堆积地层，施工范围内具有多种不良的地质因素，例如采空区沉陷、滑坡、泥石流等。在岩土工程勘察阶段，采用钻探取样的技术方案。

研究过程分析了钻进方法、钻具、钻头、钻机、钻塔的选型方法，指出套管作用载荷和水泥固孔的理论计算方法。

岩芯采集是分析路基工程特性的关键工序，在桥梁段路基钻孔勘探的初期阶段，单回次进尺深度为3.0m，导致整体岩芯采取率偏低，未达到规范要求。改进措施为降低单回次进尺深度、适当降低钻进压力和速度，合理设置泵量。

4 结语

该项目为公路桥梁工程，地质条件以流水侵蚀堆积地层和丘陵地貌为主，作业区附近存在采控陷落区、熔岩塌陷区，为保证施工质量，采用钻探采样的技术方法，勘察工程地质特性。研究过程分析了钻进工艺方法、钻探设备选型，提出关键工程参数的理论计算方法。通过减少单回次进尺深度、钻进压力和降低钻进速度，提高了岩芯采取率。

参考文献

[1]刘智勇，左战旗，吴辉，等.复杂地质条件下定向连续取芯钻探难点及对策[J].路基工程，2022（6）：175-182.

[2]周渊.高速公路软土路基勘察及加固措施研究[J].建筑技术开发，2024，51（1）：120-122.

[3]白小龙.矿区高速公路勘察设计中的关键技术问题初探[J].世界有色金属，2019（19）：234，236.

[4]宋澍.市政道路喀斯特路基病害勘察工作中地质钻探法的应用[J].工程技术研究，2021，6（16）：91-92.

[5]党政.高速公路岩溶路基塌陷地质勘察及处治研究[J].黑龙江交通科技，2019，42（9）：79，81.