雄安新区工程地质勘察标准钻孔技术控制及施工实践

李 忠，和 新，李艳丽，李晋锐

(1.河北省地质矿产开发局，河北 石家庄 050081；2.河北省地矿局国土资源勘查中心，河北 石家庄 050081)

1 项目概述

2017年4月1日，党中央作出一项重大历史性战略抉择——在河北设立雄安新区，这是千年大计、国家大事,对于非首都功能集中疏解，探索人口经济密集地区优化开发新模式，调整优化京津冀城市布局和空间结构，培育创新驱动发展新引擎，具有重大现实意义和深远历史意义。2017年6月14日，在中国地质调查局统筹安排下，按照“世界眼光、国际标准、中国特色、高点定位”总要求，河北省地质矿产开发局组织实施了雄安新区工程地质勘察大会战，本次会战是21世纪以来全国最大的一次工程地质勘察大会战，雄安新区工程地质勘察项目设计勘察孔、水文地质孔总计496个，总进尺53250 m，勘察面积1770 km2，目的是初步查明规划区工程地质和水文地质条件，分析、评价场地稳定性和工程建设适宜性，为新区总体规划编制提供技术支撑。

河北省地质矿产开发局选调10家地勘单位，投入了200多台套勘察设备，1400多名施工技术人员参加了野外工程勘察工作，为21世纪以来全国最大规模的工程地质勘察大会战(图1)。本次勘察大会战时间短、任务重、标准高，参战人员于2017年6月14日开钻至7月底完工，在规定时间内高质量完成了勘察任务，取得了大量可靠的地质资料。

本文以雄安新区工程地质勘察200m标准钻孔为例,结合雄安首例孔斜达标的标准钻孔施工实践，分析钻探的技术难点和控制措施。

图1 雄安新区工程地质勘察大会战现场Fig.1 Geo-technical investigation borehole drilling site in the Xiongan New Area

2 标准钻孔钻探技术要求

本次勘察任务设计标准钻孔39个，孔深200 m，全孔取心要求进行地层描述，采取原状样、扰动样、易溶盐样及第四系样品，开展标准贯入试验、物探测井和波速测试。

2.1 钻进技术要求

(1)钻孔口径：钻孔口径≮110 mm，一径到底。

(2)钻进取心方法：全孔连续取心钻进，1～10 m无泵钻进，10 m以深采用泥浆护壁正循环取心钻进，Ø108 mm岩心管单管取心。

(3)岩心采取率：粘性土岩心采取率≮90%，砂类土≮80%，卵砾类土≮60%。

(4)回次进尺：严格控制回次进尺，0～20 m深度内回次进尺不超过1.0 m，20～50 m深度内不超过1.5 m，50～100 m深度内不超过2.0 m，100 m以深不超过3.0 m，严禁超管钻进。

(5)孔深与孔斜：每钻进50 m、终孔时进行孔深和孔斜测量。孔深要求用钢卷尺测量，孔深误差≯1‰；孔斜测量采用测斜仪，200 m钻孔终孔孔斜率≯2°。

(6)取出的岩心按地层顺序由上向下依次摆放，严禁上下颠倒，退心时，禁止将岩心管吊离地面敲打。

(7)岩心放入统一制作的PVC管内，每回次用岩心牌隔开，现场标示孔号、钻进回次、深度等信息。

2.2 样品采集要求

(1)原状样取样要求：在粘性土和粉土中采取，样品尽量平均分布。0～40 m土层中取样间距2 m，40～100 m土层中取样间距2～3 m，取样数量约40件；100 m以深土层中取样间距3～5 m，取样数量约20件；厚度<2 m的土层及有意义的夹层取样，厚度>5 m的土层取样间距可适当加大；单孔采取原状样品一般不少于60件，其中20件样品应采取双样(样品长度根据各实验室要求确定)，双样主要在0～100 m采取，100 m以深适当控制。原状样品进行含水量、液限、塑限、压缩、直剪、密度、粒度分析等土工试验；20组双样增加渗透系数试验、三轴剪切试验、高压固结试验。在软土中加做灵敏度试验。

(2)扰动土样取样要求：在粉土和砂土中采取，使用标准贯入器或岩心管取样。单孔采集扰动样品不少于20件,进行颗粒分析。

(3)易溶盐取样要求：在地下水位以上采集易溶盐样品5个，取样位置均匀分布。

2.3 标准贯入试验要求

在0～50 m的土层中进行试验，间距2 m，试验次数25次，50～100 m在主要砂性土层中进行试验，建议试验次数4次。

2.4 岩心编录

按《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001)执行，对取出的岩心进行整理拍照、岩性定名，分层描述。

2.5 综合测井

包括且不少于视电阻率、自然电位测井、自然伽玛测井等3种方法，测井点距5～20 cm。

2.6 波速测试

对200 m标准钻孔0～100 m孔段进行现场剪切波速试验，采用检层法(单孔波速法)向上检层进行测试，主要检测水平的剪切波速。

(1)试验设备。试验设备为SWS-3型多波列数字图像工程勘探与工程检测仪、三分量探头及震源等附属设备，可使用地面激振或孔内激振法。

(2)试验要求。应结合土层布置测点，测点间距一般为1.0～2.0 m，层位变化处加密。

测试应自下而上进行，测试过程中三分量检波器应固定在孔内预定深度处，并紧贴孔壁，在波形记录上应能识别压缩波初至时间和剪切波续至时间。

测试工作结束后，应选择部分测点作重复观测，其数量不应少于测点总数的10%。

2.7 封孔

封孔工作必须在钻探工作结束、孔内原位试验均完成，且量测了钻孔稳定水位后进行。终孔后按要求进行粘土球封孔与泥浆池填埋。对封孔与填埋后的钻探场地进行拍照记录。

2.8 岩心保存

钻孔全孔保留岩心。钻孔验收后，按照验收意见处理岩心。

3 工程实践

3.1 钻遇地层概况

200 m标准孔钻遇地层岩性主要为粘土、粉质粘土、粉土、细砂、中砂、粗砂。以某钻孔为例，地层概况：0～35.90 m为粉土、粉质粘土；35.90～65.50 m为粉质粘土、中砂、粗砂；65.50～87.10 m为细砂、中砂、粗砂；87.10～201.70 m为粉质粘土、细砂、中砂、粗砂互层。

3.2 取心钻进程序

确定孔位→平整场地→安装取心钻探设备→开钻前的准备工作(含技术交底)→取心钻进(开孔、钻进取心、校正孔深、钻孔弯曲度测量、岩心整理与编录、取样、标贯)→钻进至100 m波速测试→终孔→测井→封孔。

3.3 取心设备、测试仪器

3.3.1 投入的主要设备和仪器

本次200 m标准钻孔勘察任务投入的主要设备XY-4、XY-2型系列岩心钻机、BWB250/50型泥浆泵，测试仪器为波速仪、测井仪等见表1。

表1 投入的主要施工机械设备和仪器Table 1 Major construction machinery and equipment input

3.3.2 取心钻具

采用的取心钻具情况如表2所示。

表2 采用的钻具情况Table 2 Drilling tools used

3.4 钻孔质量情况

本例钻孔最终质量等级为优秀，钻孔口径110 mm，终孔孔斜率为1.7°，粘性土岩心采取率达到98%以上，砂类土及卵砾类达到85%以上。

4 钻探主要技术难点

4.1 钻孔防斜难度较大

(1)200 m标准钻孔垂直度要求严格，孔斜率≯1°/100 m，终孔孔斜率≯2°/100 m。

(2)钻孔处于河北中部平原，地层以河流相、泥沼相、河湖相为主，地层岩性以粘土、粉质粘土、砂层为主，层位交替变化大，局部夹软弱地层或存在砂土液化现象，钻进易引起孔斜。

4.2 岩心采取率不易保证

(1)0～10 m上部地层松散，且为取得易溶盐样，采用无泵钻进，提钻退心时易掉心。

(2)钻遇砂类地层时，由于胶结性差，结构松散，取心率难以保证。

4.3 手持拍照无法保证岩心影像资料规范一致性

为了给地层的对比和划分提供可靠依据，要求劈开岩心之后要对岩心进行拍照，留存下规范的影像资料。拍照时每5根岩心管一排进行拍照。岩心管长1 m，传统手持拍照，岩心照片的角度和距离都无法保证一致性。

5 采取的主要应对措施

5.1 采用综合措施，预防钻孔偏斜

(1)地基平整坚固，设备安装周正水平。天车、立轴、孔口三点一线。

(2)根据地层和深度不同，合理选择取心钻进参数。开钻时，轻压慢转，防止偏斜。

(3)使用合格同心度好的钻具，岩心管上方接3 m取粉管，起到导正作用。

(4)每50 m测孔斜一次，发现孔斜及时纠正。定期测量钻机是否水平。

(5)遇软硬互层时，放慢钻进速度。及时调整钻压、钻速等技术参数，要求给进均匀，采取轻压慢钻，同时要适当控制泵量。

5.2 多措并举，提高岩心采取率

5.2.1 无泵钻进

对于0～10 m地层取心，因为要求取盐溶样，为防止泥浆污染岩心，采用无泵压入法取心，无泵钻进也称无水钻进，即在不开泵送冲洗液的情况下，加压慢转取心钻进，对土样扰动程度小，保证了岩心质量。

5.2.2 缩小回次进尺

根据地层情况和技术要求确定合理的回次进尺，减少因钻进回转和冲洗液对岩心的损耗，有助于提高岩心采取率和保证岩心质量。

5.2.3 采用化学冲洗液

冲洗液配方1：1 m3清水+20%钠基膨润土+0.1%～0.5%CMC(纤维素)。性能参数：密度1.13 g/cm3；漏斗粘度25～30 s；滤失量≤15 mL。

冲洗液配方2：1 m3清水+10%钠基膨润土+0.1%～0.3%植物胶。性能参数：密度1.10 g/cm3；漏斗粘度30～35 s；滤失量≤15 mL。

对于采用冲洗液循环取心孔段，在冲洗液中加入植物胶、纤维素等化学处理剂调节冲洗液性能，达到保护岩心作用。植物胶是一种无毒、无污染绿色处理剂，能够提高冲洗液粘度和护壁性，使得冲洗液具有良好的润滑性、降滤失性和悬浮性能，能在孔壁和岩心表面形成一层薄而韧的聚合物粘膜，可有效的防止岩心损坏、碎裂，具有护心作用，从而达到提高采取率和岩心质量问题。

5.2.4 松散地层干钻取心

对于砂层等松散地层，应小泵量钻进，当进尺深度达到要求时采用“停泵干烧”的办法取心，其步骤是：回次终了→关闭泥浆泵→拧开水龙头螺丝→投入取心弹子→干钻0.5 m左右(加大给进压力同时干钻5～10 min，使钻头附近的岩心固结，卡住岩心，防止掉心)→探孔(提出1 m左右下放取心钻具，探测岩心是否装入岩心管，有无残留岩心)→提钻退心。

5.2.5 岩心管内隔离措施

取心钻具下钻前，在岩心管内加软木塞或蛇皮袋，软木塞长度200 mm左右，上部倒角，直径比岩心管内径小5～8 mm,要求木质轻、完整无裂缝。其作用是在取心钻进过程中，软木塞始终位于岩心上部，起到双管钻具作用，隔离冲洗液和套管内岩心，避免直接冲刷岩心顶部，对岩心起保护作用。

5.2.6 采用泥浆泵分流注浆退心

为了保证岩心采取率，同时也避免敲打取心，退岩心时卸掉钻头，将泥浆泵与钻具尾部连接，慢开泥浆泵，利用冲洗液的冲刷压力将岩心缓慢推出，大大提高了岩心的完整程度。

5.2.7 其他措施

根据回次进尺合理调节机上余尺，尽量不在钻进中途加换钻杆，以防岩心脱落，二次套扫岩心破坏岩心柱。提钻速度要慢，防止因速度过快产生抽吸作用而破坏孔壁和岩心，边提钻边往孔内补充冲洗液，以保持液面对岩心的压力。

5.3 特制专用拍照支架，保证岩心拍摄角度与距离的一致性

为了保证岩心拍摄角度和距离的一致性，现场施工人员与加工厂家共同设计了拍摄专用支架(见图2)，该架子下部为4根不锈钢方管焊接的水平平台，长100 cm、宽60 cm，可将岩心放置于此平台，保证岩心的水平。平台一端固定垂直于平台的方管，方管高1.5 m，管上连接可上下移动的滑块，滑块一段焊接水平导轨，导轨上装相机固定螺丝。使用时将单反相机连接于水平导轨之上，镜头朝下正对岩心，通过上下、左右调节滑块以及相机位置，可以保证对岩心拍摄角度与距离的一致性，图3为岩心拍摄现场，图4为现场岩心照片,由于保证了对每组岩心拍摄的一致性，为后期处理照片奠定了良好的基础，更为第四系地层的对比和划分提供了有力保证。

图2 专用拍照支架Fig.2 Special camera bracket

图3 岩心拍摄现场Fig.3 Core shooting site

图4 现场岩心照片Fig.4 On-site core photographs

6 结语

(1)雄安新区勘察会战时间紧、任务重，主要设备还是以XY-4/XY-2传统机型为主，技术指标主要由钻探技术水平和工艺进行保障，如果能从钻探设备及机具方面着手，增加新技术的应用，势必会提高地质勘察领域整体钻探水平。

(2)雄安新区工程地质勘察高标准、严要求，施工人员在钻探过程中的精益求精、不遗余力，针对孔斜不易控制、岩心采取要求标准较高、为全孔岩心留下完美的影像资料等难点，结合钻探现场实践，采用综合措施防孔斜、泥浆泵分流注浆退心、特制专用拍照支架协助拍摄等手段，提高了施工效率，确保了施工质量，对类似工程具有借鉴和指导作用。

(3)雄安新区工程地质勘察意义重大，为新区规划建设提供了详尽可靠的地质资料，在一定程度上促进了新区发展和城市化进程，为打造“世界一流透明雄安”提供了地质信息基础数据。