潜孔钻在碳酸岩深地下水地区岩土施工勘察中的应用

槐以高，许汉华，刘文连，范乾良，肖经光，龚宪伟，闫鼎熠

(中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

潜孔钻钻进是一种以压缩空气为动力源，同时依靠压缩空气的高速气流吹出岩粉、冷却和润滑钻具的无岩心钻进。潜孔钻采用空气正循环钻进成孔，钻进时压缩空气开始循环驱动潜孔锤工作, 对岩石实施冲击回转碎岩钻进[1]。大直径潜孔锤产生的巨大冲击能量使岩石破碎充分, 钻头每颗球齿下的岩石产生体积破碎[2]，尾气通过回气管引入冲击器中心通道从钻头底面排出, 携带岩屑沿着钻具与孔壁环状间隙上返，将岩屑沿冲击器与钻孔环状间隙吹出孔口。

1 潜孔钻钻进判别地层特征

在碳酸岩深地下水地区岩土施工勘察现场工作中不难发现，潜孔钻钻进受其工作原理的制约有如下特征：在碳酸岩钻进过程中，可以控制近匀速稳定的进尺，钻进声音清脆显得有力，岩粉源源不断地吹出孔口；在钻进过程中若遇到粘性土，由于粘性土含水，且具有塑性，压缩空气的高速气流难以将其吹出，因此进尺比较艰难而且缓慢，钻进声音连续、沉闷且显得无力；在钻进过程中若遇到溶洞，钻具会迅速下落，即俗称的“掉钻”。

以上3个特点恰好对应了碳酸岩深地下水地区地基的3种情况：可溶性碳酸岩系岩石；被粘性土充填的溶洞、裂隙或破碎带；没有被充填的溶洞或裂隙。

潜孔钻在成孔过程中根据孔内高压气体吹出的细粒状粉状物和通过钻进速度、声音等钻进情况判别所钻到地层的岩性、坚硬程度和完整程度。一般要求粘性土层不宜太厚、太软，碎石类地层不宜呈松散状态，地下水不宜太多，最好是位于地下水位以上。在成孔过程中根据成孔时高压气体吹出的岩粉性状，如颜色、颗粒大小、含泥量、钻进速度等，可以定性的判别所钻地层的岩性、岩层的风化程度，根据钻进速度和含泥量判别岩层的含泥情况，可间接判别岩体的完整性，喷出物与地层情况对照如表1所示。

充分了解和掌握这些特征后，在碳酸岩深地下水地区进行岩土施工勘察时，需查明碳酸岩深地下水地区地层受力范围内是否存在溶洞、裂隙或断层破碎带等，将潜孔钻应用于碳酸岩深地下水地区岩土施工勘察中可以基本达到要求。

2 潜孔钻与传统钻机比较钻进优势

碳酸岩深地下水地区岩土施工勘察一般采用XY-100(150)型钻机进行钻探，由于XY-100(150)型钻机一般情况是全断面取芯，在较硬岩中钻探时成孔效率低，又受场地条件、工期要求限制及存在交叉作业影响，施工勘察设备不能大量同时进入施工现场开展工作。施工效率低、工期不能满足工程建设要求等制约间接增加了工程建设的成本。

表1 喷出物与地层情况对照表

与传统XY-100(150)型钻机钻进效率低对比，潜孔钻在钻进破碎覆盖层勘探孔施工中平均钻进效率达到了46.85 m/h，是常规传统钻机钻头钻进后采用锤击法下入套管方法的93.7倍[3]。

XY-100(150)型钻机钻进岩石过程中为避免钻头过热，钻进过程中需要加入大量的润滑液冷却、润滑钻头。由于碳酸岩深地下水地区地下水位埋深大、岩溶发育、溶蚀裂隙多等特征，勘探过程中往往润滑液渗漏严重，大部分钻孔钻探过程中泥浆不会返回循环使用，采用泥浆护壁容易造成泥浆散失，需要大量的施工用水和泥粉，施工材料成本较高。且传统钻机钻头在提升与下放的过程中, 由于泥浆液对孔壁的冲刷及负压导致孔壁塌方，而潜孔钻由于采用干孔成孔工艺，避免了冲洗液对孔壁的冲蚀，减少了塌孔事故。

传统XY-100(150)型钻机钻进岩石过程中如遇局部漂石时锤头偏移，钻孔垂直度将难以保证，通过添加碎石块纠斜大大增加了辅助时间, 降低了钻进效率；由于潜孔钻钻进工艺的“小压力、慢转速”和空气正循环的“孔底加压、悬垂钻进”特点，使钻孔的垂直度提高，钻孔垂直偏差≤1%[3]。由于采用了新型旋翼式偏心跟管钻头，潜孔钻高效碎岩的同时同步跟进套管，降低了劳动强度，减少了钻具损坏的概率。

当然，潜孔钻由于采用空气正循环排渣，孔口排出粉尘量很大，将对当地环境造成很大的污染。对降尘措施，根据多喷嘴引射器原理，利用压缩空气高速喷射在孔口部位形成真空负压，抽吸孔口粉尘沿着一定管路排出并收集[4]。

3 结 语

本文探索了在碳酸岩地区地下水位埋深较大时，潜孔钻在岩土施工勘察中的一种新思路，在保证勘探孔质量达到技术要求的同时，极大地提高了岩土施工勘察的工作效率、节约了工期、减少了钻具损耗、降低了劳动强度、有效地降低了施工勘察成本。潜孔钻应用于潜孔钻在碳酸岩深地下水地区岩土施工勘察中是一种操作简单、施工方便、缩短工期、保证质量、节省投资的好方法，具有极高的推广价值，必将有广阔的市场前景。

潜孔钻应用于在碳酸岩深地下水地区岩土施工勘察是一种创新，其很多方面均具有很多值得进一步研究的必要。今后将更多在碳酸岩深地下水地区有条件的岩土施工勘察项目中推广应用潜孔钻，总结完善潜孔钻运用经验，使各项工作更加条理化、标准化及程序化。