第四系土层对钻探的影响及其解决方法

曹江涛

（华北地质勘查局五一九大队，河北保定071051）

第四系土层对钻探的影响及其解决方法

曹江涛*

（华北地质勘查局五一九大队，河北保定071051）

第四系土层具有结构性差、土质较松散、力学性质不稳定等工程特性，在钻探前期工作中，由于许多施工单位未能对第四系土层引起重视，导致在钻探施工过程中，钻孔内经常发生掉块、坍塌、缩径、超径等孔壁不稳定现象，影响钻探的进度及质量；通过在第四系土层中易产生施工漏水、成孔困难及第四系土层易对钻探施工安全问题产生影响等几个方面的论述，对第四系土层在钻探施工中造成的不利影响进行了归纳、总结，并对其产生原因进行了分析，介绍了解决该问题的一些经验和做法。

第四系土层；钻探；影响；解决方法

第四系土层是指在新生代（距今一百万年左右）中由原岩风化产物—碎屑物质，经各种外力地质作用（风化、剥蚀、搬运、沉积）形成的尚未胶结硬化的沉积物（层）。按其地质成因不同，可分为残积土、坡积土、冲积土、洪积土、流砂等；按工程分类包括粘性土、粉土、砂土、卵（碎）石土、特殊土等。因其结构性差、土质较松散、力学性质不稳定等因素，导致在第四系土层中进行钻探施工，钻孔内经常发生掉块、坍塌、缩径、超径等孔壁不稳定现象，影响钻探的进度及质量。

在地质矿产勘查钻探中，许多人往往只注重对岩石的钻进，而忽略了第四系土层对钻探造成的影响；即使是在地质矿产勘查及钻探设计过程中，亦是如此，对第四系土层也只是简单地以Q标出而已。正是由于在钻探前期工作中就未能对第四系土层引起重视，最终导致对其第一手资料的缺乏，由此产生的问题也随之而来，对钻探施工产生许多不利的影响。

笔者近年来一直从事岩土工程及地质矿产勘查工作，对第四系土层在钻探中产生的影响及解决方法积累了一定的工作经验，现结合工程实际就第四系土层对钻探产生的不利影响及其解决方法谈点粗浅看法，希望引起同行的重视。

1 第四系土层对钻孔施工的影响

1.1 第四系土层易造成钻孔施工漏水

该问题主要表现在：第四系土层中，粉土、粘性土由于孔隙比相对较小，密实度相对较高，在钻进过程中，一般采用泥浆护壁即可；而对于卵（碎）石土等孔隙度大的土层而言，采用泥浆护壁很难取得理想效果，常常导致钻孔漏水严重，随钻随漏，给继续钻进造成困难。

原因分析：

（1）卵（碎）石土孔隙度大，采用泥浆护壁时，泥浆的相对密度偏低，起不到护壁作用。

（2）泥浆漏浆时补浆不及时，造成泥浆面过低，孔压不够。

（3）卵（碎）石土中卵（碎）石的块体大小不一，形状不规则，密实程度差，导致孔内经常发生掉块、坍塌等现象，亦导致采用泥浆护壁失败。

解决方法：采用泥浆护壁堵漏与下套管相结合的方法。

（1）调整泥浆的粘度和相对密度，塌孔地层变化时要随时调整泥浆相对密度，漏浆时应及时补充泥浆，保持泥浆面在钻孔孔口标高范围以内。

（2）在采用粘土泥浆护壁堵漏失败后，可采用普通硅酸盐水泥泥浆护壁堵漏，而普通硅酸盐水泥标号应为32.5#、42.5#以上，可用于护壁堵漏的水灰比为0.4～0.5，并适量加入速凝早强剂，其优点是可泵性好、护壁堵漏效果好，缺点是凝固时间较长，一般候凝24h以上；亦可采用801随钻堵漏剂、PHP、锯末联合堵漏，又可防止渗水。

（3）采用调整后泥浆或硅酸盐水泥泥浆护壁堵漏后，应及时下入套管，此时下套管的作用是隔离漏水或涌水层对泥浆的不利影响，防止孔壁坍塌。

1.2 在第四系土层中施工成孔困难

该问题主要表现在：在钻探施工中，开孔经常会遇到砂土层或卵（碎）石土，而其厚度、松散程度，往往对钻进产生一定的影响。在遇到较厚的松散状态的砂层时，采用泥浆护壁达不到预期效果，经常出现钻具不到底，无法下套管，钻孔超径严重，甚至导致已下好的套管被埋，有时不得不移动孔位重新钻探。

在遇到较厚的松散状态的卵（碎）石土，在提钻后孔壁易坍塌，引起埋钻或严重超径引起断钻杆事故频繁发生，给继续钻进造成困难。

原因分析：

（1）缺乏第一手的第四系土层的资料，未了解钻孔处及其四周土层的岩性、厚度、松散状态等，对第四系土层施工较盲目。

（2）由于砂层或卵（碎）石土处于松散状态，钻孔内砂层或卵（碎）石土随着钻进提钻而不断坍塌，孔径越来越大，无法下套管，最终导致在浅部的第四系土层成孔失败。

解决方法：

（1）尽量掌握矿区第一手的第四系土层的资料，了解钻孔处及其四周土层的岩性、厚度、松散状态等，做到对浅部第四系土层施工时具有一定的针对性。

（2）对于松散状态且厚度较大的砂层或卵（碎）石土，可采用泥浆护壁、套管跟进的方法，必要时可采用设计四级钻进，三层套管护壁的方法，以避免在钻进过程中无法预见的情况，又可为事故处理留有更多的空间和余地。

笔者曾在某矿区进行钻探施工，开孔1.20m后即为松散状态的砂层，由于设计中未能准确提供该砂层的厚度、松散状态等参数，在钻进过程中，孔内砂层不断坍塌，始终无法下套管，最后经设计人员同意后，向后平移3.00m后重新开孔，采用四级钻进，三层套管护壁的方法才解决该问题，具体步骤如下：一开，直径Ø146mm开孔，下入Ø127mm套管；二开，直径Ø110mm钻进，下入Ø108mm套管；三开，直径Ø91mm钻进，下入Ø89mm套管；四开，Ø75mm钻进至终孔。

本孔由于前期工作的不到位，影响了施工进度，对工程造成了不必要的损失。

2 第四系土层对施工钻机的影响

该问题主要表现在：松散状态的第四系土层对钻机基础产生影响，可导致钻机发生倾斜，对钻探产生一定的影响。

原因分析：在山区，由于第四系土层大多为残坡积或风积而成，密实程度不高，多呈松散状态，许多施工人员只是对钻机平台只是进行简单的挖填后即进行钻探施工，在施工过程中，由于钻机不断地震动，导致局部土体下沉不均匀，钻机产生倾斜较大时，可导致设计钻孔的方位角及倾角偏离原有设计，进而对矿体的控制产生一定的影响，严重时可导致整个钻孔报废。

解决方法：

（1）平整、夯实、加固钻机平台处的第四系土层某矿区钻探施工，设计钻孔为一斜孔，设计倾角为76°，位于一半山坡上，山坡上第四系土层相对覆盖较厚，钻机平台为半挖半填而成，由于工期紧张，对于填土也未进行夯实就急于施工；在50.0m处进行测斜测量，测量结果偏差不大，满足设计要求，而在100.0m处进行测斜测量时，发现孔位已偏离设计勘探线20°，超出了规范及设计要求范围，查其原因，发现位于填土一侧，由于钻机不断震动，边坡处松散状态的填土不断被压实并向坡下扩散，填土已下沉较明显，导致钻机发生倾斜，致使孔位偏离设计勘探线较多。查明原因后，对钻机平台进行了夯实加固，并及时采取了纠偏措施，才使工程继续施工。

（2）对调平后的钻机在四角处下入地锚，固牢钻机，以避免钻机在钻进过程中因反向力而产生位移。

3 第四系土层对钻探施工安全造成的影响

该问题主要表现在：由于第四系土层的大部分为松散状态，导致土体在重力及钻机不断震动作用下，常可发生滑坡或崩塌等自然或人为灾害，尤其是在雨季施工时，更易对施工人员的人身安全造成伤害，对设备造成破坏。

原因分析：产生滑坡与崩塌的因素（或条件）是十分复杂，主要分为内部条件和外部条件2个方面，不良的地质条件是产生滑坡或崩塌的内因条件，而人类的工程活动和水的作用则是触发并产生滑坡或崩塌的主要外因条件。产生滑坡或崩塌的原因主要有：

（1）斜坡上土体本身存在倾向相近、层理发达、破碎严重的裂隙，或内部夹有易滑动的软弱带，如软泥、粘土质岩层，受水浸后滑动或塌落。

（2）土层下有倾斜度较大的岩层，或软弱土夹层；或土层下的岩层虽近于水平，但距边坡过近，边坡倾度过大，在地表水作用下，增加了土体的负担，降低了土与土、土体与岩面之间的抗剪强度，而引起滑坡或崩塌。

（3）边坡坡度不够，倾角过大，土体因雨水或地下水浸入，剪切应力增大，粘聚力减弱，使土体失稳而滑动或崩塌。

（4）挖填钻机平台，不合理的切割坡脚；或坡脚被地表、地下水已掏空；或斜坡地段下部被冲沟所切，地表、地下水浸入坡体；使坡体坡度加大，破坏了土（岩）体的内力平衡，使上部土（岩）体失去稳定而滑动或崩塌。

总之，当钻孔都设计在山脚下或半山坡处的第四系土层上时，受钻探场地地形条件的限制，需对斜坡进行人工开挖整平钻机场地；当人工开挖坡脚，过度切坡，当坡度破坏了土体的极限平衡状态，或超过它的休止角时，使上部土体失去支撑而产生滑坡或崩塌，尤其是雨季，对土体的影响更大，当边坡遭受大雨、暴雨时，使土体的容重骤增，加大滑动力，导致产生滑坡或崩塌。所以人工开挖坡角是引起滑坡、崩塌的触发因素之一。

解决方法：

（1）在钻探前期，应对第四系土层进行详细调查，对于拟施工钻孔位置及四周更应如此（尤其是在雨季施工），应把钻孔施工与周围的地质环境有机地结合在一起进行综合考虑，充分认识到四周环境对施工安全的影响。

（2）对设计钻孔周围各种潜存的滑坡或易崩塌的土体面应进行详细的调查，采取预防措施，对已存在的大型滑坡或易崩塌的土体面处，在可能的情况下，尽可能避绕或躲开。

（3）保持边坡有足够的坡度，避免随意切割坡脚。整平场地必须切割坡脚，且不设挡土墙时，应按切割深度，将坡脚随原自然坡度由上而下削坡，逐渐挖至要求的坡脚深度。

对于滑坡或崩塌而言，对有松散土体组成的坡地，在施工时应尽量减小钻机平台处的坡角，一般坡角不宜大于30°，如次生黄土结构疏松，一般在30°左右即可产生崩塌。对因切坡而易产生的滑坡，则应以减小坡角，并辅以拦挡为主。严禁钻机周围出现直立的土体面，避免上部土体失去支撑，而产生土体滑坡或崩塌造成施工人员伤害及设备损失。

（4）做好泄洪系统，尤其是雨季施工时，当某一钻孔的深度大，施工时间较长，更应及时地做好泄洪措施，如：在滑坡范围外设置多道环形截水沟，以拦截附近的地表水，在滑坡区域内，修设或疏通排水系统，疏导地表水或地下水，阻止其渗入滑坡体内。主排水沟宜与滑坡滑动方向一致，支排水沟与滑坡方向成30°～45°斜交，防止冲刷坡脚。

由此可见，浅部第四系土层是整个钻探工程的基础工程。在钻探施工中，能否在第四系土层中顺利成孔，成孔质量的好坏，直接影响着对后续基岩的钻进。

4 结语

（1）第四系土层对钻探施工有着直接的影响，是整个钻探工程的基础。

（2）在钻探施工中，必须对第四系土层引起足够的重视，且在设计及施工过程中，应把钻孔施工与周围的地质环境有机地结合在一起进行综合考虑，充分认识到第四系土层及四周环境对钻探施工的影响。

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1004-5716(2015)05-0045-03

2014-05-14

曹江涛（1972-），男（汉族），河北保定人，高级工程师，现从事岩土工程与地质矿产勘查工作。