不同成因深厚覆盖层钻探技术探讨

左重辉

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 深厚覆盖层的概念及特性

地壳表层存在着各种各样的松散层，我们把坚硬岩石表面的松散堆积物统称为覆盖层，包括各类土层、砂卵砾石、淤泥等。

什么是深厚覆盖层？目前未有明确的定义，曾经有人提出大于150 m称为深厚覆盖层。从工程意义上看，应当与工程地质相结合来综合分析，按工程的要求来说，一般存在于建筑物下部，有足够深度，不能清除或清除代价相当大的覆盖层可统称为深厚覆盖层。如果从数量上划分，笔者认为大于30 m就可以称之为深厚覆盖层了。

覆盖层的成因是多种多样的。从沉积环境看，有海相和陆相沉积，陆相沉积又分为河相、湖相、河湖混合相等。从搬运沉积物的地质营力分，有风积、冲积、洪积、冰积等。因沉积环境、沉积方式、沉积地点的不同，其粒径大小、颗粒级配、松散程度、物理力学性质差别是很大的。深厚覆盖层作为建筑物地基，应按照设计结构要求或经过一定技术处理能满足建筑物的应力和防渗等地基要求。

要评价某工程区覆盖层是否满足建筑物对地基的要求，应采取一定的手段和方法，查明覆盖层厚度、颗粒组成、松散程度、承载能力、渗透系数等数据。勘探中，除物探、槽坑探、竖井、试验和等勘探手段和方法外，钻探是必不可少的重要手段，特别是深厚的砂砾石层，对钻进中的钻探工艺有较高的要求。

2 不同成因覆盖层的勘探手段和方法

我国幅员辽阔，气候条件、气象条件、地形地质条件差别十分巨大。不同地区，其覆盖层的厚度、颗粒组成、工程地质性质不同，在设计工程建筑物时，对地基的利用是不一样的。

冲积砂卵砾石是常见的覆盖层类型，分布非常广泛，在大江大河普遍存在，其主要差别在于厚度和粒径大小不同。一般来说，其承载力可达（300~500）kP，一般情况下能满足建筑物对地基承载力的要求。但由于松散程度和颗粒级配不同，渗透系数差别很大，大者渗透系数可达10-1cm/s，小者可能仅10-3cm/s左右。为了解砂砾石的厚度、分布位置和渗透特性等，采用钻探和渗透试验是主要勘探手段和方法。

因不同环境下沉积的覆盖层，其粒径和紧密程度差别很大，承载力难以经验来估算，渗透系数比纯砂砾石差别更大，很难用类比的方法来确定地质参数，只有通过现场标贯、载荷试验和渗透试验才能取得较准确的地质参数。因此，采用钻探和孔内试验是必须的。

为研究和获取覆盖层的深度、物质组成、物理力学性质和水理性质等有关资料，要有一定的勘探手段，传统的钻探和孔内试验是非常有效的方法。但有些钻探工艺和技术已经不能适应时代的需要，从技术进步及经济效益的要求出发，既要满足最大限度获得各种地质参数的要求，又要提高工作效率和经济效益，钻探工艺需要不断改进。

3 不同地区深厚覆盖层钻探工艺实践

近年来，湖南省水利水电勘测设计研究总院在湖南、四川、云南、新疆等省、区从事了许多工程地质勘探工作。遇到了厚度不一、性质差别大的各种覆盖层。厚度从数十米到100多米，砾径从细粒土到巨型漂砾，从紧密到松散，从水上到水下，各种情况都有所涉及。现介绍几个实例与同仁探讨。

（1）新疆塔日勒嘎水电站。

工程位于新疆克州克孜苏河上游，坝址区右岸存在着冲洪积成因的深厚覆盖层，最大深度118 m。

坝址右岸上部为洪积扇，厚度（30～60）m，其浅部（2～7）m范围内结构稍密，下部结构密实。洪积扇内各粒径组平均含量为：漂石（≥200 mm）33%、卵石或碎石（20 mm～200 mm）28%，砾石（2 mm～20 mm）19.7%，砂（0.075 mm～2 mm）9%，泥（≤0.075）10.3%，不均匀系数 Cu=2 000，曲率系数Cc=56.55，为级配不良的混合型含土碎石。漂石、卵石或碎石的主要成分为砂岩，磨圆度较差，以次梭角形为主。下部为被掩埋的古河床及阶地堆积，砂卵砾石厚度（60～70）m，结构紧密，其中各粒径组平均含量为：漂石（≥200 mm）12%、卵石（20 mm～200 mm）5.7%，砾石（2 mm～20 mm）43.3%，砂（0.075 mm～2 mm）24.5%，泥（≤0.075）14.5%。 漂石、卵砾石的主要成分为砂岩，磨圆度相对较好，以椭圆形、浑圆形为主。

覆盖层内钻孔孔径一般采用150 mm开孔，110 mm结束。为了加快进度，降低成本，采用泥浆护壁、旋转钻进工艺。由于颗粒不均匀，漂砾较多，泥浆的质量成为控制钻探进度和钻孔质量的关键因素。经过多次比较和试验，最终采用新疆石河子生产的深井膨润土，加入少量片碱，用土、碱、水混合制成泥浆，其比例为：

土∶水∶碱≈75∶22∶3

这种泥浆具有易调制、稳定性好、护壁牢固、易于冲洗等特点。在该工程7个孔深超过60 m的钻孔钻进中，效果良好。第一是取样方便，用泥浆钻进不需要特殊的钻具，取样时不需要采取特殊措施，工人易于掌握。第二是岩样采取率高，由于护壁牢，岩芯成型好，所有钻孔岩样采取率都超过了90%。第三是钻探用水量大大减少，在新疆戈壁地区，采用节水钻探，是一个十分重要的问题，采用泥浆护壁可大量节水，返水量大约40 L/min左右。第四是洗孔效果好，水利水电勘察需要在钻孔内取得大量地质参数，其中渗透系数是必不可少的，为了分层需要，在本工程还进行了大量声波测试，为了取得真实的参数，需要洗孔，有些材料是无法满足洗孔要求的，如植物胶就很难清洗，有些地区的泥浆清洗效果也不好，但本工程用的泥浆较容易清洗，通过大量声波对比检测，清洗效果良好。

（2）湖南常德沅水大桥勘探。

常德沅水大桥位于常德市区附近，属沅水下游洞庭湖尾闾地区。地势平坦，水流平缓，河床冲积砂卵砾石堆积厚度大。砂卵砾石的粒径不是太大，一般为（20~80）mm，级配较均匀。2008年4月我们承接到河中水上钻探任务，因砂砾石层较深，不可能全部采用套管跟管钻进，水下施工，也不能使用泥浆护壁钻探工艺。经过比较和摸索，最终采用了套管、植物胶护壁、旋转钻进的综合工艺。

为了固定船只，固定孔位，钻孔表部一定深度采用套管护壁、跟管钻进的方法。这在水上钻探是十分有效的方法。当套管下入一定深度后，在采用跟管钻进难度就相当大，钻进速度也明显降低，成本消耗显著提高。采用植物胶护壁是较可靠的方法。材料采用成都勘察院研制生产的SM植物胶，加入少量烧碱，用料比例大致如下：

水∶植物胶∶烧碱=100∶8∶2

使用成勘院生产的专用钻具，采取轻压、高转速、低水量的钻进方法，控制返水量（15~20）L/min。

本工程基本解决了水上钻探因河水的流动无法使用泥浆护壁工艺的问题，常德大桥的最大钻孔深度达80 m，钻进速度也较快，没有出现垮孔等孔内事故，并全部实现取芯，采取率达95%。

（3）四川东风岩航电枢纽。

工程位于岷江干流乐山市下游河段，距乐山市区约20 km。河床分布着大量的第四系全新统冲积砂砾石层，上坝址区河流湍急，砂砾石粒径较粗，（40~150）mm的居多，大于200 mm的漂砾也多见。厚度极不均匀，最大深度20 m左右，虽然算不上深厚覆盖层，但勘探难度还是很大的。

此河段砂砾石的最大特点一是粒径粗不均匀，以粗粒和漂砾最多，二是结构松散，被采砂船反复开挖过，没有胶结。对于这种松散的以砾石为主的砂砾石层，没有办法采取泥浆和植物胶护壁，只能采用传统的套管护壁和跟管钻进方式。过去在湖南地区一般都是使用普通套管（厚度不大于5 mm），这种薄壁套管很难适应这种粗粒松散层的钻进，根据西南地区的经验，主要是要解决套管的厚度和质量问题，我们选择了材质好、管壁厚度（9.3~10）mm的厚壁套管，这种套管在下入过程中，受力好，管脚不易破损，能将粗颗粒挤开或打碎，将套管快速下到孔底。选用厚壁套管提高了钻进效率，取得了很好的效果。

4 结语

深厚覆盖层是各种工程建设中经常遇到一种特殊地基。我国地域辽阔，地形地质条件复杂多样，东部、中部、西南、西北各地区其差异相当巨大，覆盖层的成因决定了不同的工程地质性质，钻探是查明深厚覆盖层厚度和性质的重要勘探手段，如何提高钻探的效率，提高钻探的质量，这与选择不同的钻探工艺密切相关。本文初步总结了我国三个不同地区不同地层的钻探工艺和技术，意在与同行共同探讨，不断提高。