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强岩溶场地岩土工程勘察中的钻探技术

发布时间:2019/8/27 17:15:59   阅读:

摘要:由于岩溶的发育和分布具有较高的隐蔽性和不均匀性,在强岩溶场地进行岩土工程勘察钻探施工是一项非常复杂和特别重要的工作。需要多积累钻探施工经验、提高钻探施工技术,确保岩土工程勘察质量。结合贵阳新世界3F地块岩土工程勘察项目钻探施工实践,针对强岩溶场地岩土工程勘察中的钻探施工遇到的漏浆、卡钻、垮孔、埋钻、地表塌陷、岩芯采取率低等常见问题及其产生原因进行了总结,并对其相应的处理方法进行了讨论。

关键词:岩溶场地;岩土工程勘察;钻探技术;处理方法

贵州地处我国西南山区,地层从南华系到下志留统层位齐全,以浅海碳酸盐岩分布最广,其中岩溶普遍发育。由于地质条件复杂多变,且岩溶的发育和分布具有隐蔽性和不均匀性的特点,《贵州省建筑岩土工程技术规范》规定岩溶场地采用“一桩一孔”的布孔方式;对于已揭露有岩溶洞隙的孔位,根据实际情况增加钻孔。因此在强岩溶区开展岩土工程勘察工作,钻探工作量非常之大,如果没有对场地地质条件进行充分的认识,岩溶钻探技术方案将缺乏科学性和实用性,钻探工期将得不到有效保证,同时也可能会埋下严重的质量隐患和潜在的经济风险。本文结合贵阳新世界3F地块岩土工程勘察项目钻探施工经验,就强岩溶场地钻探施工的几个问题浅谈一下认识和经验性建议。

1工程概况

项目位于贵阳市观山湖区,场地西侧为云潭北路,北侧为金岭路。拟建项目总用地面积约36000m2,总建筑面积150000m2,由12栋住宅楼和连片地下车库组成,地上31层和32层,设有3层地下室。建筑结构为框支剪力墙结构,最大单柱荷载为1200kN。

2地质条件

2.1地质构造

建筑场地处于黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区,位于贵阳向斜西部次级构造单元———牛角坡背斜东翼。场地附近无断层通过,次一级构造亦不发育,出露地层为三叠系下统大冶组(T1d)薄-中厚层岩,岩层倾向100°,倾角10°。

2.2地层岩性

场地地层由素填土、残坡积红黏土及下伏基岩组成,场地岩土单元细分如下:(1)素填土(Q4ml):厚0.4-8.7m,由黏土夹少量碎石块及个别建筑垃圾组成,结构松散,力学强度低,厚度变化较大,分布于场地的大部分区域。(2)红黏土(Q4el+dl):整个场地均有分布,褐黄色,土质均匀细腻,局部存在少量的风化石块。据状态可分为硬塑、可塑、软塑三个亚单元层;硬塑红黏土厚度0.5~10.0m,可塑红黏土分布于硬塑红黏土层之下,厚度0.4~17.0m,软塑红黏土分布不连续,位于硬塑红黏土层之下,厚度0.3~11.2m,主要分布在场地中基岩面、溶沟、溶槽或溶洞、裂隙中。(3)基岩(T1a):场地基岩岩性为三叠系下统大冶组(T1d)灰岩,节理裂隙较发育,基岩面起伏较大,据风化程度可分为强风化和中风化两个亚单元层。强风化灰岩,厚度变化较大,分布不连续,仅有少量钻孔分布,钻进较快,岩芯呈碎块状、砂砾状。中风化基岩连续分布于整个场地,岩质较硬,岩芯多成长柱状及短柱状,个别呈块状及碎块状,本次钻探未揭穿。

2.3水文地质条件

场地地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水。第四系松散岩类孔隙水位于覆盖层中,分布不均匀,受季节及降水量影响大,且无统一水位。碳酸盐岩岩溶裂隙水赋存于三叠系下统大冶组(T1d)灰岩的岩溶裂隙中,富水等级为中等—丰富。灰岩中的溶蚀裂隙为地下水赋存、转移提供了条件,岩溶洞隙较发育地段,水量相对较大,水量及水位受季节及岩溶发育程度影响较大。通过在现场进行抽水试验,测得场地下伏基岩渗透系数k=1.20m/d。

3工程钻探情况

工程钻探是岩溶地基勘察工作的主要手段,通过钻探用以查明钻孔处以及场地的地层变化情况,获取准确可靠的岩土信息。同时也是对物探测试发现的异常地段或不良地质现象进行钻探验证。

3.1岩溶发育情况

该场地完成的1011个钻探孔中有351个钻孔见溶蚀洞隙,钻孔见洞隙率为34.7%,其中2#和12#楼所在区域钻孔见洞隙率超过60%,属岩溶强发育。场地的岩溶形态主要为溶洞、溶沟(槽)、裂隙等,被软-流塑状黏土或黏土夹风化石充填。遇溶洞钻孔主要为单层溶洞,少量钻孔遇两层以上溶洞,溶洞隙高度主要集中在1~3m范围内,也存在发育深度超过20.00m的串珠状竖向溶洞。

3.2岩面起伏情况

根据钻探数据,建立了该场地基岩面的三维模型,见图1。从图1中可直观了解基岩面起伏较大,存在大量的石牙,相邻钻孔基岩面起伏高差较大。

4钻探施工遇到的主要问题及处理方法

4.1钻孔漏浆

钻孔漏浆时岩溶区钻探施工常见的问题。它主要是由于岩层岩溶裂隙发育引起,特别是钻探遇到较大溶洞或岩溶管道时,钻探浆液流失速度非常之快,孔口无法返浆。因此将导致岩粉无法从孔口外排,可能会发生埋钻和烧钻问题。当溶洞或岩溶管道流通性好,浆液流失较快时,钻探岩粉会随浆液一起流走,不会发生埋钻事故,但是由于钻头得不到有效冷却,极易发生烧坏钻头的事故,导致钻头的有效使用寿命减少,成本增加。该场地钻探钻孔漏浆问题主要为溶蚀裂隙漏浆问题和溶洞漏浆问题两种。针对溶蚀裂隙漏浆问题,可向钻探孔内投入调和好的黏土球,然后采用钻具进行挤压、扫孔,使黏土将钻孔孔壁的裂隙封堵住,起到堵漏和护壁的作用。该场地上覆土层厚,且为红黏土,材料方便获取;红黏土塑性大,粘结性强,堵漏效果较好。针对溶洞漏浆问题,体积较小的溶洞参考溶蚀裂隙漏浆问题的处理方法,体积较大的溶洞是通过采用套管来起到堵漏的效果。

4.2垮孔

场区内存在较厚的红黏土层,且为岩溶强发育场地。由于红黏土具有“反剖面性”,因此在红黏土层下部以及溶沟溶槽和溶洞中存在着软塑-流塑状红黏土。软塑-流塑状红黏土强度低、自稳性差,在钻探施工的扰动下,很难保证钻孔孔壁的稳定性。常常出现垮孔现象,提钻后钻具无法再次放至钻探深度处。通过采用向孔内投入黏土球的方法,用钻具进行挤压、扫孔,获得了较好的护壁效果。但是对于软塑-流塑状红黏土层厚度较大的钻孔,以上方法效果较差,都是需要采用跟管钻进的方法。

4.3卡钻埋钻

场地岩面起伏较大,存在大量的石牙,同时发育有大量的溶沟、溶槽、溶洞和溶蚀裂隙,且存在深度超过20.00m的串珠状竖向溶洞。卡钻埋钻的原因主要有如下几个方面:(1)岩面起伏大,且石灰岩强度高,当钻探钻头到达岩面时,极易顺着岩面产生倾斜,难以垂直入岩,导致钻孔倾斜而出现卡钻事故,特别是钻穿一层溶洞后再遇陡顷岩面时,卡钻事故尤为严重;(2)溶蚀裂隙,岩体破碎但岩块强度高,当钻进过程中出现孔壁掉块时,极易造成卡钻事故;(3)溶洞发育,洞内被软塑-流塑状红黏土或洞底堆积有松散岩块碎屑,在溶洞底部钻探过程中,常因冲洗液无法返至孔口而使岩粉、溶洞充填物落入钻孔内出现埋钻事故。针对上述问题,具体的解决方法为:(1)通过在钻探遇岩后控制钻速和钻压,待钻具进基岩后再使用正常速度和压力钻进;(2)当钻进过程中发现有破碎带时,通过往孔内投入粘土球进行护壁;(3)当钻探孔穿越溶洞,且出现垮孔和轻微埋钻现象时,采用跟管钻进法,将套管加至溶洞底部稳定地层。

4.4穿越多层溶洞

套管通常只打到基岩面,继续加长需钻机进行预钻孔。场地发育有深度超过20.0m的串珠状多层竖向溶洞,钻具在钻穿溶洞顶板后,由于缺乏导向,再次下钻具时找不到原钻孔。重新钻孔,此类问题还会重复出现,并易发生卡钻、埋钻和钻具折断的事故,在工期和经济上造成浪费。针对上述问题,具体的解决方法采用多层套管、变径钻进的方法。首先用108mm的钻具钻至基岩面,并钻人岩石20~30cm;然后将套管打至基岩面;再用89mm的钻具继续钻进。当钻探过程中遇到溶洞时,钻穿溶洞,进入溶洞底板基岩20~30cm后提起钻具,取出芯样后将此岩芯管当作套管,再用73mm的钻具继续钻进。实际工作中可按照这个原则根据钻探深度内溶洞的个数,选定岩芯管的管径和分级。当溶洞高度不大时,一级套管可穿几层溶洞,达到经济高效的目的。

4.5地表塌陷

当钻探场地的覆盖层厚度较薄、下伏基岩存在较大的溶洞、溶沟(槽)和岩溶管道时,在钻探施工的振动和钻探浆液的冲蚀下,孔内土层和基岩面软塑状土层将被冲洗液带走,形成地表塌陷、卡钻、埋钻事故。因此钻探时要将套管下至基岩面,防止冲洗液冲蚀的导致地表塌陷。同时在钻探施工过程中应随时观察地表的变化情况。

4.6岩芯采取率低

由于岩溶场地溶洞较多,溶蚀裂隙发育,常规的单动单管钻进获取的岩芯样会影响岩石的采取率和质量指标,特别是遇到多层溶洞时,问题更为突出。因此,可通过改变钻探工艺来解决此类问题。比如采用单动双管钻具钻进和适当减小回次进尺等。

5结语

(1)由于岩溶的发育和分布具有较高的隐蔽性和不均匀性,在强岩溶场地进行岩土工程勘察钻探施工是一项非常复杂和特别重要的工作。我们应多积累钻探施工经验、提高钻探施工技术,确保岩土工程勘察质量。(2)本文结合岩溶区钻探施工的共性问题和贵阳新世界3F地块岩土工程勘察项目钻探施工中的经验,介绍了岩溶地区勘察钻探施工一些经验和方法,以供相关人员参考。

参考文献

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作者:王剑 龙举 李勇 单位:贵州省地矿局地质大队 贵州地质工程勘察设计研究院

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