鉆孔電視在巖土工程勘察的應(yīng)用
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摘要:通過對碳酸鹽巖地區(qū)巖土工程勘察鉆探中存在的主要問題進行總結(jié)和分析，結(jié)合工程實踐對鉆孔電視在碳酸鹽巖地區(qū)巖土工程勘察中的應(yīng)用進行了探索性研究，針對其適用性、優(yōu)勢和不足之處提出了一些見解，可為相關(guān)技術(shù)人員提供一些參考。
關(guān)鍵詞:碳酸鹽巖，鉆探，潛孔錘，鉆孔電視
0引言
貴州是我國最典型、最復(fù)雜的喀斯特地區(qū)，碳酸鹽巖及夾層狀碳酸鹽巖分布面積最廣［1］，占全省總面積的71．7%［2］。區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，基巖埋深較淺，在該區(qū)域進行巖土工程勘察時，查明巖溶發(fā)育情況是其工作重點之一。巖溶地區(qū)就區(qū)域而言，巖溶的發(fā)育規(guī)模、發(fā)育深度和發(fā)育方向是有一定規(guī)律可尋的，可以通過鉆探、物探和地質(zhì)調(diào)繪等手段對其進行區(qū)域性的確定;但是在工程建設(shè)中，需要對某一點或某個樁位的巖溶發(fā)育情況，特別是巖溶的橫向發(fā)育情況進行查明時，巖溶的發(fā)育規(guī)律就變得無規(guī)律可尋了，這也正是巖溶勘察的難點之所在［3］。針對上述問題，單一的傳統(tǒng)巖芯鉆探遠遠達不到新時代的要求，須加強勘探測試手段的多樣性和綜合性。在工程實踐中井下電視與傳統(tǒng)鉆探手段相結(jié)合可以取長補短，取得了較好效果。本文通過對碳酸鹽巖地區(qū)巖土工程勘察鉆探中存在的主要問題進行總結(jié)和分析，結(jié)合工程實踐對鉆孔電視在碳酸鹽巖地區(qū)巖土工程勘察中的應(yīng)用進行了探索性研究和總結(jié)。
1鉆孔電視工作原理
鉆孔電視主要由一體化主機、絞車及通訊線、深度計數(shù)器、全景攝像頭組成。鉆孔電視是采用特殊光學(xué)成像技術(shù)，通過全景攝像頭對鉆孔孔壁情況進行觀測并錄制孔內(nèi)全景視頻。全景攝像頭具有全景觀察的能力，且范圍廣、距離遠。對于破碎和較破碎地層、有軟弱夾層的地層、或巖芯采取率較低的地層，采用鉆孔電視對鉆孔側(cè)壁巖體的完整狀態(tài)、節(jié)理裂隙發(fā)育情況及裂隙內(nèi)的充填物情況等進行觀測，能清晰、直觀地獲取鉆孔側(cè)壁信息。觀測數(shù)據(jù)可通過分析軟件生成孔壁2D(二維平面)孔壁模型和3D(三維立體)管孔壁模型。
2碳酸鹽巖地區(qū)巖土工程勘察中常見的幾個典型問題
2．1石灰?guī)r地層回轉(zhuǎn)巖芯鉆探存在的主要問題
石灰?guī)r屬于碳酸鹽巖，巖溶是該地層最典型的地質(zhì)現(xiàn)象。石灰?guī)r地區(qū)(特別是巖溶強發(fā)育區(qū))的地質(zhì)條件非常復(fù)雜，主要表現(xiàn)為巖面起伏大和巖溶洞穴、溶溝(槽)發(fā)育，相鄰鉆孔間所揭露的地質(zhì)情況都可能存在較大差異。回轉(zhuǎn)巖芯鉆探是目前巖溶地基最主要勘探手段之一，且貴州巖土工程勘察地方標(biāo)準(zhǔn)針對巖溶地基的勘察要求是“一樁一勘察鉆孔”，同時給出了“單獨基礎(chǔ)當(dāng)預(yù)估基底面積不大于2m2時布置1個鉆探孔，大于2m2時布置2個鉆探孔”的規(guī)定［4，5］。但由于地勘鉆探孔直徑(90mm)僅為樁基礎(chǔ)直徑(800mm～1500mm)的1/9～1/17，“一樁一勘察鉆孔”顯然難以查明樁側(cè)及基底巖溶發(fā)育情況。因此碳酸鹽巖地區(qū)工程勘察鉆探主要存在以下幾個問題:1)碳酸鹽巖地區(qū)巖溶現(xiàn)象通常具有發(fā)育不均勻性、形態(tài)復(fù)雜性、分布隱蔽性，而鉆探揭露的地質(zhì)情況僅代表勘探點未能向兩側(cè)擴展。更有甚者，雖取出完整巖樣，但是周邊巖體仍然存在較多巖溶裂隙。因此，僅憑單一的巖芯鉆探難以準(zhǔn)確判斷巖層的完整性。2)貴州巖土工程勘察地方標(biāo)準(zhǔn)針對巖溶地基的巖土工程勘察布孔原則一般為“一樁一勘察鉆孔”。在巖溶強發(fā)育場地，當(dāng)樁基施工采用機械成孔施工工藝時，針對樁端面積大于2m2的樁規(guī)范要求布置4個鉆孔［5］。該規(guī)定提高了地勘建議基底標(biāo)高的準(zhǔn)確性、減少樁底持力層存在隱伏溶洞的概率，但是，高密度的布置鉆探孔，由于鉆孔間距過小，加之巖溶場地巖土體的不均勻性突出、巖面起伏大，鉆探過程中鉆孔的垂直度難以保證，特別是在巖土接觸面處鉆孔極易發(fā)生傾斜，從而可能發(fā)生鉆孔串孔現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆探顯示的地層信息與實際不符。
2．2白云巖地層回轉(zhuǎn)巖芯鉆探存在的主要問題
由于受到地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、鉆探工藝、鉆探技術(shù)水平以及工程造價等因素的影響，巖芯鉆探過程中取出的芯樣常常呈碎塊狀或砂狀，不能滿足規(guī)范對巖芯采取率的要求，也為地質(zhì)技術(shù)人員判斷巖層完整性造成了較大困擾。特別是在較破碎的白云巖、泥質(zhì)白云巖等地層中，此類現(xiàn)象尤為突出，巖芯采取率非常低，更有甚者出現(xiàn)整個場地難以取出一個滿足室內(nèi)單軸飽和抗壓強度試驗尺寸要求的巖樣。
2．3現(xiàn)階段巖溶地基工程勘察的特點
由于受到整個大環(huán)境的影響和技術(shù)規(guī)范的要求，現(xiàn)階段巖溶地基工程勘察項目具有地質(zhì)條件復(fù)雜、鉆孔數(shù)量多、工作量大、工期緊、工程單價低的共性。
3鉆孔電視在碳酸鹽巖地區(qū)巖土工程勘察中的應(yīng)用
3．1準(zhǔn)確判別巖(土)層界面和地層巖性
采用巖芯鉆探進行工程勘察時，對巖(土)層界面和地層巖性的判斷依據(jù)主要為:1)鉆探取出的巖土芯樣;2)鉆機鉆進速度的快慢;3)鉆孔過程中鉆孔孔口返水的情況。但上述判斷依據(jù)均存在一定的局限性。當(dāng)遇到破碎巖層、節(jié)理裂隙發(fā)育巖層、軟弱夾層(如圖1所示)時，巖芯鉆探工人很難發(fā)現(xiàn)或取出便于技術(shù)人員辨別的巖土芯樣。在回轉(zhuǎn)巖芯鉆探的基礎(chǔ)上，采用鉆孔電視對鉆孔進行孔內(nèi)攝像，則可以不受以上因素的干擾，能夠直觀準(zhǔn)確的根據(jù)孔壁情況判別巖(土)層界面、巖層破碎帶(如圖2所示)和各種地層巖性。
3．2測量結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀
針對覆蓋層厚度較大、周邊無基巖露頭或雖有露頭但巖層面不明顯的場地，通過鉆孔電視的測試成果，可以測量結(jié)構(gòu)面的傾向和傾角(見圖3)。比如結(jié)構(gòu)面與鉆孔軸線垂直，則在鉆孔二維展開圖中顯示的是一條水平直線，其結(jié)構(gòu)面的傾角為0°，如果結(jié)構(gòu)面與鉆孔軸線平行，則在鉆孔二維展開圖中顯示的是一條垂直直線，其結(jié)構(gòu)面的傾角為90°［6］?，F(xiàn)今，鉆孔電視分析軟件可以直接計算結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，并進行標(biāo)記。3．3判斷鉆孔周邊巖層完整性和巖溶裂隙發(fā)育情況在貴州的巖溶地區(qū)，溶穴、溶溝、溶槽、溶洞非常常見，其在巖層中的分布形態(tài)奇形怪狀。通過個別鉆孔鉆取的芯樣很難較好的判斷巖層的完整性。在工程實踐中，曾出現(xiàn)過根據(jù)鉆探資料顯示巖層完整性較好，主要呈短柱狀和柱狀，且?guī)r芯采取率也達到規(guī)范要求(見圖4)。但是通過鉆孔電視觀測，該鉆孔巖層的巖溶極為發(fā)育，呈串珠狀豎向發(fā)育，鉆孔剛好穿過巖柱(見圖5)。采用鉆孔電視對鉆孔進行孔內(nèi)攝像，能直觀的了解到巖層的情況，避免了對樁底持力層的誤判。
3．4氣動潛孔錘鉆進結(jié)合鉆孔電視勘探方法在巖溶地基勘察中的應(yīng)用
氣動潛孔錘鉆進是用潛孔錘配合鉆機和鉆具進行的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進的鉆探方法。潛孔錘接在鉆桿的最下端，鉆機帶動鉆桿回轉(zhuǎn)，壓縮空氣通過鉆桿進入潛孔錘產(chǎn)生一定頻率的沖擊力，對巖石進行破碎，同時利用排出的廢氣對錘頭進行冷卻，并將鑿下的巖屑排出孔外。該工藝具有適應(yīng)地層多、場地地形條件適應(yīng)性強、鉆進效率高、鉆孔垂直度高等特點，但無法采取巖土芯樣是其使用于巖土工程勘察中的最大障礙和缺點［7］。然而孔內(nèi)電視測試速度快、測試成本低、測試成果直觀、測試精度高等特點能有效的彌補氣動潛孔錘鉆進無法采取巖土芯樣的缺點。巖溶地基工程勘察的目的和任務(wù)要求除了需要查明現(xiàn)行規(guī)范要求的內(nèi)容外，“一樁一勘察鉆孔或多鉆孔”的布孔原則，最主要的目的就是查明擬建建筑基礎(chǔ)所在位置的巖土界面和溶洞發(fā)育情況。針對現(xiàn)階段巖溶地基工程勘察項目鉆孔數(shù)量多、工期緊的特點，采用回轉(zhuǎn)巖芯鉆探+氣動潛孔錘鉆進結(jié)合鉆孔電視勘探方法，能有效的解決工期、工作量和成果質(zhì)量的矛盾，獲取較好的工程應(yīng)用效果。
4鉆孔電視在使用過程中的特殊情況處理
4．1采集到的鉆孔內(nèi)孔壁圖像不清晰
通過對孔內(nèi)電視采集到的鉆孔內(nèi)圖像不清晰的問題進行分析總結(jié)，主要由以下幾個因素引起:1)鉆孔電視在進行鉆孔觀測過程中，由于地表和地下(鉆孔內(nèi))的溫度和濕度差異，下放攝像頭的過程中導(dǎo)致攝像頭防護玻璃內(nèi)外部出現(xiàn)了溫度和濕度差異，通常就會在防護玻璃上產(chǎn)生一層薄霧，導(dǎo)致觀測圖像不清晰，甚至導(dǎo)致觀測成果不能使用;2)鉆孔內(nèi)在某一深度處都會存在水體，因鉆探原因或外界影響在水體表面形成一層薄薄的泥皮或油污漂浮物。當(dāng)攝像頭進入水面時，水體表面的這層泥皮或漂浮物就會將攝像頭的防護玻璃糊住，從而影響攝像效果，導(dǎo)致孔壁成像模糊;3)采用氣動潛孔錘鉆進的鉆孔，孔壁被巖粉覆蓋;4)鉆孔垂直度不高，且黏土層厚度較大，探頭下放過程中與土層接觸后防護玻璃被遮擋;5)探頭下放速度過快。為了獲取高質(zhì)量孔壁成像數(shù)據(jù)，針對第1)和第2)種情況，可先采用洗滌劑與清水調(diào)制成一定比例的溶液，然后使用配置好的溶液對攝像頭外殼進行濕潤處理，并將一定量的溶液倒入孔內(nèi)，使孔內(nèi)水體表面的泥皮或漂浮物散開;針對第3)種情況，在觀測前采用清水對鉆孔進行沖洗，如果孔內(nèi)積水較多，可抽出孔內(nèi)積水或待孔內(nèi)積水清澈后再開展觀測工作;針對第4)種情況，可采用根管鉆進，將套管下至基巖面，但是該種處理方式經(jīng)濟成本和時間成本都較高，一般只用于關(guān)鍵性重點鉆孔;針對第5)種情況，只要按照設(shè)備使用要求規(guī)定的速度下放攝像探頭就能解決。
4．2如何防止攝像頭被卡在鉆探孔內(nèi)
［1，8］鉆孔電視的全景攝像探頭為圓柱形，鉆探所形成的鉆孔并非能保證呈完全鉛直狀態(tài)，當(dāng)?shù)貙又写嬖谲浫鯅A層、破碎帶或巖溶發(fā)育時，當(dāng)觀測結(jié)束上提攝像頭時，軟弱夾層、破碎帶或溶洞的頂板巖體非常容易卡住攝像頭的上頂面，從而導(dǎo)致攝像頭無法提出。為了解決上述問題，防止攝像頭被卡在鉆探孔中，在攝像頭的上頂面安裝一個用鐵片(不銹鋼)制成的圓錐體，其下底面外徑略大于攝像頭外徑，上底面內(nèi)徑略大于電纜線接頭。通過這個導(dǎo)向防卡裝置，在上提攝像頭時能夠有效的引導(dǎo)攝像頭順利通過軟弱夾層、破碎帶和溶洞。
5結(jié)語
單一的勘察手段和傳統(tǒng)的勘察方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段巖溶區(qū)的巖土工程勘察需求了，應(yīng)積極吸收新技術(shù)新方法與傳統(tǒng)方法進行綜合應(yīng)用和集成創(chuàng)新才能有效的提高巖溶地區(qū)的勘察質(zhì)量水平［3］。本文通過對碳酸鹽巖地區(qū)巖土工程勘察鉆探中存在的主要問題進行總結(jié)和分析，結(jié)合工程實踐對鉆孔電視在碳酸鹽巖地區(qū)巖土工程勘察中的應(yīng)用進行了探索性研究，針對其適用性、優(yōu)勢和不足之處提出了個人見解，可為相關(guān)技術(shù)人員提供一些參考。
作者:龍舉 楊義林 單位:貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院有限公司 貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局111地質(zhì)大隊 貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一0五地質(zhì)大隊