浅谈工程地质钻探新技术的应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：张雷（1992），男，壮族，广西桂平人。-158-浅谈工程地质钻探新技术的应用 张 雷 柳州市勘察测绘研究院有限公司，广西 柳州 545001 摘要：摘要：在随着社会经济的快速发展的背景下，房建类项目中的高层建筑，市政类项目中桥梁、城市轨道等项目日益增多，荷载更大，结构更复杂，岩土工程勘察亦进入一个高速发展的时期，推动行业创新成为下一个行业发展周期的必然选择。而工程地质钻探技术对于岩土工程勘察质量而言，其重要性不言而喻。故此，本文对于出现的钻探新技术就其原理及应用进行介绍，以期提高钻探质量，促进工程勘察行业的发展。关键词：关键词：工程勘察；工程地质钻探；工程物探；采取率 中图分类号：中图分类号：P634 步入 21 世纪以来，我国经济建设迈入高速发展阶段，其中，建筑工程行业更是蓬勃发展，对各专业的要求愈来愈高。对于工程勘察行业而言，钻探技术是勘察成果质量的保证，取芯率是衡量钻探技术的重要指标，对于不同的岩土层，应选取对应的机械和技术进行取芯。对比发达国家，我国的地质钻探技术方面仍处于一个相对落后的水平，为了节省成本，选择落后钻探工艺和钻探设备，常常会出现由于钻探工艺不满足要求的情况。虽然国家在此方面加大了力度投入，但我国地质钻探技术目前依然需要大幅提升。另现阶段各国对于矿产资源的需求愈演愈烈，钻探技术的提升对于国家的经济发展而言必定会产生更为深远的影响。中央、国务院及各部委的领导历来都高度重视和关心勘察设计咨询工作，正是在这种条件下，我国勘察设计咨询从无到有，从小到大，从计划到市场，从没有规范到逐渐规范，从重视经济效益到经济效益、环境效益、社会效益并重，从单一链条到全过程，从学习国外技术到自主创新，从追求速度到注重质量、问责，逐渐创造一个个中国工程。1 液动潜孔锤钻探技术 本质上也是回转钻进技术的一种，系利用冲洗液驱动潜孔锤循环运动，产生冲击能冲击碎岩，进行岩芯提取。与传统的回转钻进相比，液动潜孔锤钻探技术突破了传统的理论，成本降低，工作高效且更为耐用，应用更为广泛。2 反循环钻探技术 正循环钻进时冲洗液经泵进入钻具，流经钻头至孔底，再从孔底返出地面，冲洗液返上后再次处理，又进行循环，故而形成循环的钻进过程。反循环钻进与正循环钻进正好相反。正循环钻进时多采用泥浆循环，孔壁稳定；孔深不能过大且钻孔直径偏大时，泥浆循环返上流动速度过低，排渣困难。反循环钻探技术不同于一般的岩石钻探取芯，它的取芯是岩屑，本法可取上质量有保证的样本，钻进施工速度快，场地要求低、成本低并对环境影响较小。3 复杂地质条件下新技术应用能力 利用数值模拟、孔内成像、管波探测等技术手段，构建多源数据与多方法集成的岩土工程分析评价技术体系，高效集成溶洞、破碎带、岩溶裂隙等各类岩土工程的分析方法，针对岩溶地区复杂地质条件，重点解决地下基础埋深、持力层选择、地基承载力、不良地质发育、基坑边坡支护、建筑边坡、挡土墙支护等工程技术难题。4 钻孔数字成像技术应用 钻孔数字成像采用原位拍照的方式对钻孔孔壁进行成像，使人们能直接观测到钻孔的内部结构，通过转换技术对地下岩土层进行统计分析。其成果资料能提供钻孔孔壁精细结构的图形化描述、如实地反映测试范围内连续孔壁原位特征，具有高分辨率、高井壁覆盖率，资料直观、详实、可信。钻孔数字成像可直观、清晰的反映不良地质体的原位的实际性状。岩体中发育的细小裂隙，是影响岩体的强度和稳定的重要因素，通过钻孔成像技术可以识别出 0.3mm 的裂缝；对于岩芯破碎段，可有效区分岩芯破碎的成因是钻进过程中机械扰动破碎或是岩体原生破碎，可准确测量岩体内裂隙的产状以及裂面的光滑程度，充填情况，中国科技期刊数据库 工业 A 准确测量破碎带的厚度，精确计算岩心质量系数 RQD值；可对地层进行精确分层，可识别断层的原生性状(断层角砾、产状、垂直向厚度等)；可精确得到泥化夹层、溶洞、破碎带、岩溶裂隙等不良地质体的范围、方位、规模；为岩溶的评价、治理提供准确的依据；同时，该技术可直观观测地下水出露点的位置。5 三维地质模型技术应用 三维地质模型的应用是岩土勘察工程发展的方向，做为新兴技术，通过拟建物在三维模型中的应用，更直观了反映了场地的三维地质信息。根据实际情况，特殊地质段可根据地形地貌、钻孔资料建立三维模型，为拟建项目的边坡开挖、路基回填、基础持力层的选择等提供科学依据。针对所在城市特点，利用互联网、地理信息、BIM等技术，对岩土工程勘察数据的采集、建模、存储、管理、可视化及网络化服务的全过程开展深入的信息化挖掘。综合运用岩土勘察内外业一体化系统、工程地质数据库及地下空间集成管理平台等信息化系统，实现岩溶城市工程勘察成果的集成化高效管理，并建立工程勘察 BIM 模型，重点解决现有工程勘察二维图纸表现形式单一，可视化不够形象等问题。6 3S 技术(RS、GPS 和 GIS)技术应用 3S 技术是指 RS、GIS 及 GIS 的统称。RS 是遥感技术（Remote Sensing）、GIS 是地理信息系统(Geography Information Systems)、GPS 是全球定位系统(Global Positioning Systems。是计算机技术、通讯技术、传感器技术相结合，多学科高度集成的的现代信息技术。利用 3S 技术(RS、GPS 和 GIS 技术)，对工程地质条件、地质灾害(滑坡、崩塌等不良地质现象)等进行辅助评价。遥感图像处理：数据获取与准备：遥感图像处理的第一步是获取遥感数据，并进行必要的准备工作。这包括选择合适的遥感传感器、采集项目遥感图像数据，校对数据并进行配准处理等。特征提取：地物特征具有区分性、辨识性，可从图像中对地物特征进行提取，从而进行辨别和分类 常见的分类方法包括最大似然法、支持向量机（SVM）、随机森林等。分类结果可以用于制作土地利用/覆盖分类图、目标检测等。地物提取与定量分析：地物提取是指从遥感图像中提取出感兴趣的地物对象，如建筑物、道路、水体等。定量分析则是对提取出的地物进行数量、面积、形态等方面的定量分析。三维重建与模拟：利用多视角遥感图像可以进行三维重建和模拟，生成真实感的三维地理环境模型。数据融合与集成：数据融合是将多源、多尺度、多空间的遥感数据进行融合，进而提高信息采集和处理的可靠性和精确度。数据集成则是将遥感数据与其他地理信息数据（如地理信息系统数据）进行集成，以实现更全面的空间分析和决策支持。结果评价与应用：对处理结果进行评价和验证，以确保处理方法和结果的准确性和可靠性。同时，将处理结果应用于具体问题中，为环境监测、资源管理、城市规划等领域提供支持。结合场地地形地貌，利用遥感技术和三维地质模型、VR 运用到地质钻探过程中，以此可更直观的了解场地的工程地质情况。对于场地的工程地质条件的评价由定性转为定量，对于行业本身而言是较大的进步。7 GGIS 技术应用 岩土工程勘察是服务于工程建设全过程的一项工作，不仅正确规划、设计、施工、使用工程建筑所需的地质资料是由此得到，而且对场地地基岩土体的整治、改造利用也要在勘察报告中得到分析论证。通过对岩土工程勘察过程的研究，分析勘察主要内容的要点及易出现的问题，对设计工程基础方案提出合理化的建议。在岩土工程勘察施工前，先根据本次勘察工程的勘察任务、目的、技术要求以及要达到的预期质量目标编制勘察纲要。编制勘察纲要由工程技术负责人编制，项目技术负责人组织有关人员进行会审，并审批。在编制勘察纲要过程中，应根据本工程的特点、重点和难点，找出每一工序每一勘察阶段的质量关键点，提出该项目的特殊过程质量保证措施，对质量计划会审重点为勘察工作量和勘察手段是否能满足勘察要求，勘察过程中质量保证措施是否可行，能否保证质量目标的实现。在项目勘察过程中，将 GGIS(工程地质数据信息系统)技术应用于工程勘察行业，可将工程地质调绘、野外钻探、现场的原位测试、室内试验等工程地质数据集成于系统中。GGIS 具有以下功能：提供多种方法查询要找的工程；按查询条件生成159中国科技期刊数据库 工业 A 成果图平面图、柱状图及剖面图；生成各类成果表:勘探成果一览表、地层统计表、土工试验物理力学指标；图文档管理功能方便用户对原始工程资料的保存、管理、维护和查询；生成所需的平面图、柱状图及剖面图)、勘探点一览表、地层统计表、物理力学指标汇总表及各类统计表等各类成果表；生成区域的各种等值线(可彩色填充)第四纪土等深线、等厚线，基岩等高线、等深线；各种地层等值线(底高程或深度、层顶高或深度、层厚)；地下水的等值线(水位面高程、含水层厚度、压力水头高度、水温等)；各种物理力学指标等值线(常规试验指标、湿陷性黄土指标、颗粒分析、固结试验、直剪试验、三轴试验等)。8 管波探测技术应用 我国地大物博，岩溶发育广泛，是全球岩溶发育最为广泛的国家之一，管波探测是一种应用型的地球物理勘察方法，就是多年来在岩溶地区勘察的勘察工作中由实践经验得出并发明的专利。管波探测技术作为“中国创造”的物探方法，主要是由李学文和饶其荣两位正高级工程师(单位：广东省地球物理探矿大队)带领的团队研究发明的。管波探测法的工作方法很简单，即“一发一接”，先进行钻孔，后在其中放置发射换能器及接收换能器，由前者发射一定频率的脉冲信号（低频、高能），在孔壁和孔液的界面产生“管波”，“管波”传播一定距离后，在传播至阻抗存在差异处反射，后者进行接收记录，并呈现在主机界面上，可在不同深度进行数据采集，形成波形参数、时程信号等，可由此有效、快速地判断探查出岩土界面、破碎岩与完整岩界面、溶槽（洞）、风化裂隙破碎带及软弱夹层等不良地质情况所处的位置、分布范围及发育规模等。故应用于岩溶勘察、基桩检测等方面。管波探测技术与其他物探方法比较，其具有成果直观准确、快速、识别难度低、异常的地质解释具有唯一性、所得成果可靠性高、探查岩溶的分辨能力强、垂向探测精度高、仪器设备成本低、不受工作场地条件限制等突出的优势。管波探测技术还可作为作为基桩检测的方法，可用于检测各类桩基础，评价桩身质量、桩长、沉渣厚度及桩基持力层是否满足要求。近年来，高速公路、高速铁路、高层建筑、城市轨道交通超千项工程，超二十万桩位岩溶勘察，超万条桩的检测，足以可见其应用较广，取得了良好的经济效益和社会效益。9 探地雷达技术应用 探地雷达是以介质的介电常数差异为基础，利用高频电磁波的反射成像原理来探查的一种物理探查手段。另 依 据 岩 溶 地 区 工 程 物 探 技 术 规 范 DBJ/T45-098-2020）中 5.5.1 节第三条规定：当采用物探方法辅助钻探进行独立基础、条形基础、筏板基础和箱形基础、基坑底部、已存在的岩溶异常部位等进行施工勘察时，应确保场地平整，并优先选用探地雷达、地震反射法等进行综合探测。10 多专业协同勘察能力 岩溶区域因其工程地质条件和水文地质条件在平面和纵向延伸上复杂多变，且溶洞、岩体破碎带发育具有不确定性、无规律性，导致理论推导的地质边界条件、岩溶破碎带等不良地质体的发育范围和规模难以确定。针对岩溶地区特殊的工程地质条件和城市工程建设中的工程勘察问题，结合现代遥感、地理信息、工程勘察、岩土设计以及工程检测监测方面的大量工程实践，研究并构建一套适用于岩溶地区复杂地质条件下的工程综合勘察成套技术流程与体系，以实现多专业协同的工作机制，解决岩溶地区工程勘察关键环节存在的成本高、时效性差、风险高等缺点，可极大提高工程勘察质量、提升工程管理水平。对各类相关信息进行搜集、调研和持续性跟踪，并分类建立信息数据库，保证信息高效利用。勘察技术装备和技术水平一直在不断创新发展中，尤其是工程物探技术更是日新月异，工程地质调绘、勘探、槽探、物探、原位测试和室内试验相配合的综合勘察方法在不同项目中都得到了充分利用，也取得了较好的效果。至于文中提到的“引导勘察企业优先采用 GPR、TEM、克里格法、多道瞬态面波勘探等先进技术”的提法缺少针对性，不是所有项目都适用的，要考虑项目性质、场地条件、探测介质属性，还要考虑工期和费用，好一点的勘察单位都在合理选择勘察方法，提高勘察效果和勘察成果质量的。在今后的发展中，利用新科技、新理论提升钻探技术，是行业提升的重中之重。地质钻探不应仅限于本专业的应用，更应拓展至更多的行业，特别是对于矿产资源的开发与利用而言，地质钻探水平有着深远的意义。虽然我160中国科技期刊数据库 工业 A 国工程地质钻探技术的发展面临着各式各样的问题，但仍应该坚持创新与研发，才能缩短我国此方面与发达国家的差距，促进社会的经济与繁荣。参考文献 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