复杂地层钻探：双壁钻杆应用效果显著

4.1.3　复杂地层钻探

4.1.3.1　复杂地层中几种常用钻探方法

在岩土工程勘察中，会遇到各种复杂地层，如湿陷性黄土、岩溶、软土等特殊性岩土层，断层破碎带等软弱夹层、砂卵石层等。为了探明复杂地层的空间分布、埋藏情况和采取高质量岩土样品，就必须采用一些针对性很强的特殊性钻探工艺方法。

1.跟管钻进

跟管钻进适用于松散无黏着力的砂层和软土层。所用的钻具结构主要为:①合金钻头岩心管、钻杆或勺钻钻杆跟套管；②管钻（有阀式）掏砂、跟套管。

钻进工艺主要是利用小于套管直径一、二级的钻头在孔内钻进，钻进到一定深度将岩心管提离孔底一定高度，同时立即跟下套管，一般钻具提高不超过套管底部，防止涌砂，但水位高，涌砂严重的地层可采用超前钻进随时跟管，以达到钻孔深度，不断跟管隔砂。

2.优质泥浆护壁回转钻进

（1）适用的地层条件:

①松散砂层；

②一般流砂层虽有土质，但胶结较差，比较松散；

③膨胀岩土层；

④湿陷性黄土地层；

⑤深度较大结构密实的砂、卵石层或松散卵砾石层。

（2）使用的钻具结构主要有:

①合金钻头、岩心管、钻杆钻头（有拦挡设施）；

②膨胀性地层中，肋骨钻头、岩心管、钻杆；

③黄土不取样时，可用翼片钻头；

④砂卵石层可用密集式大八角合金钻头（有拦挡设施）。

钻进工艺主要是利用优质泥浆:密度1.1～1.3g/cm³，漏斗黏度25～30s，失水量10mL以下，使孔内泥浆柱压力通过失水渗透形成泥皮控制孔壁砂层的稳定性；钻进时压力转速等参数不高，钻具提出孔内要回灌浆液，防止柱压不足孔壁坍塌；要保证泥浆的净化，随地层条件变化调整适宜的泥浆性能。

在遇水膨胀或湿陷性黄土层，泥浆保证优质条件，突出降低失水量，以防失水造成孔径缩小和湿陷后坍塌。

渗漏地层，可在泥浆中加入惰性材料，如锯末、蛭石、棉籽壳等，严重渗漏时可用801堵渗剂处理。

表4-4　部分工程勘察钻机的规格和性能

3.无泵反循环钻进

无泵反循环钻进适用于胶结性差的松散、怕水冲刷的软弱地层和缺水地区。在钻进过程中，由于冲洗液的反循环避免了对样品的正面冲刷和冲洗液液柱压力对样品的损坏，从而有利于保护岩土样品，但须注意的是夹层厚度小于0.5m的地层不宜采用。

无泵反循环钻具结构有开口式和闭口式两种。图4-6（a）所示为开口式无泵反循环钻具。图4-6（b）所示为闭口式无泵钻具，这种钻具强度较高，孔底岩粉易清除，适用于破碎、松散、黏性大的地层和较深的钻孔。

图4-6　无泵反循环钻具结构

（a）开口式；（b）闭口式；1-钻头；2-岩心管；3-特制接头；4-接头；5-球阀；6-取粉管；7-水孔；8-挡销；9-钻杆(www.xing528.com)

无泵反循环钻进技术与操作要领:

（1）孔底钻头压力要适当，过大会产生岩心堵塞、粘钻、甚至烧钻头等事故；

（2）依地层松软程度适当选择钻具转数。

4.CSR钻进

CSR（Center　Sample　Recovery的缩写）为反循环中心取样。其工作原理如图4-7所示，由空气压缩机所产生的高压空气，沿气路管，经侧入式水龙头进入双壁钻杆内外管环状间隙下行至孔底，为潜孔锤冲击回转提供动力和冲洗介质，然后大部分高压空气进入内管，以反循环方式携带岩心及岩屑上返（上返速度大于25m/s）到地表，连续取到岩心和岩粉样品。

图4-7　CSR钻进原理示意图

1-压缩空气；2-动力头；3-侧入式气水龙头；4-双壁钻杆；5-排除岩粉

CSR钻进方法主要用于覆盖层、基岩层及风化壳地层钻探，因此在隧道、坝基、岩石滑坡等勘察工程中以及其他岩土工程勘察中均可得到较好的取样和钻进效果。若以水泵产生的高压水流作为动力和冲洗介质，则可进行水力反循环连续取心。

CSR钻进的主要特点如下:

（1）可以连续获取有代表性的高质量样品，且样品不与孔壁地层接触，避免了污染和混淆。

（2）钻进效率高，免去了常规钻进工艺的取心工序，比金刚石取心钻进效率高3～4倍。

（3）有利于钻进复杂地层，因为双壁钻杆形成一个闭路循环，可以不下套管，且循环介质漏失量也少。

4.1.3.2　几种复杂地层中工程勘察钻探的要点

1.软土层钻探

软土层多为淤泥、淤泥质黏性土，含水量较大，呈流动、软塑状态，钻进极不易成孔，易塌孔和缩径。遇有这类地层时，常使用低角度的长螺旋钻探或带阀管的冲击钻探，而且必须跟管钻进。每钻进1m，就可跟进套管1m，跟进套管后可进行超前取样。软塑状态软土中可用泥浆护壁，泥浆的比重要大一些，使其有较大的液柱压力来平衡钻孔孔壁的侧压力，以保持其稳定性。

2.松散砂层钻探

在松散的含水砂层中钻进钻孔极易坍塌，应注意防止发生涌砂现象。这种地层中钻进要解决两个问题，其一是钻孔护壁，保证钻孔结构完整；其二是防止钻进中产生涌砂现象。钻进方法一般采用管钻冲击，冲程不应过大，一般为0.1～0.2m，每回次钻进0.5m左右。为了避免孔内发生涌砂，应采用人工注水，使孔内水位高于地下水位，必要时使用泥浆以增加压力，防止涌砂。用管钻冲击钻进一般跟管钻进，若遇有此松散夹层但不能下入套管时，可用高黏度大比重泥浆护壁。对于需作标准贯入试验的砂层，必须严防涌砂现象发生。

3.大块碎石、砾石地层钻探

卵、砾石层中几乎全由大小碎块岩石组成，有时还存在巨大的漂砾或砾石夹层。此种地层给钻进带来极大困难。常采取以下方法:

（1）当砾径在200mm以下时，先用“一”字型或“十”字型钻头进行冲击破碎岩石，也可用锥型钻头冲击破碎，然后用提筒捞取破碎后的岩屑。

（2）砾径大于200mm的碎石层中，可用钢粒进行钻进穿过大的砾石或漂砾，或者用孔内爆破的方法来破碎孔内漂砾，然后再用提筒捞取碎岩。

不论两种中的哪种情况，为了保证钻孔结构完整，在钻探中均应向孔内投放一定数量的黏土球，以保护孔壁的完整稳定。

4.滑坡体钻探

为保证滑坡钻探的岩心质量，应采用干钻、双层岩心管、无泵孔底反循环等方法进行。钻进中应随时注意地层的破碎、密度、湿度的变化情况，详细观察分析确定滑动面位置。当钻进快到预计滑动面附近时，回次进尺不应超过0.15～0.30m，，以减少对孔底岩层的扰动，便于鉴定滑动面特征。

5.岩溶地层钻探

在岩溶地层中钻进需注意可能发生漏水、掉钻以及钻入空洞后钻孔发生歪斜等情况。钻进时如发现岩层变软、进尺加快或突然漏水或取出岩心有钟乳石和溶蚀等现象，应注意防止遇空洞造成掉钻事故。钻穿洞穴顶板后应详细记录洞的顶底板深度、填充物性质、地下水情况等。为防止钻孔歪斜，可采取下导向管或接长岩心管等办法，当再开始在洞穴底板钻进时宜用低压慢速旋转。若洞穴漏水可用黏土或水泥封闭后钻进。

岩土工程勘察的场地条件复杂，对于一些类别的岩土工程勘察还会在江、河、海等水域进行工程勘察钻探，可依据相关规程规范选择有效的钻探方法。