钻孔电视在碳酸盐岩地区岩土工程勘察的应用

　　摘要:通过对碳酸盐岩地区岩土工程勘察钻探中存在的主要问题进行总结和分析，结合工程实践对钻孔电视在碳酸盐岩地区岩土工程勘察中的应用进行了探索性研究，针对其适用性、优势和不足之处提出了一些见解，可为相关技术人员提供一些参考。

　　关键词:碳酸盐岩，钻探，潜孔锤，钻孔电视

　　0引言

　　贵州是我国最典型、最复杂的喀斯特地区，碳酸盐岩及夹层状碳酸盐岩分布面积最广[1]，占全省总面积的71.7%[2]。区内岩溶发育，基岩埋深较浅，在该区域进行岩土工程勘察时，查明岩溶发育情况是其工作重点之一。岩溶地区就区域而言，岩溶的发育规模、发育深度和发育方向是有一定规律可寻的，可以通过钻探、物探和地质调绘等手段对其进行区域性的确定;但是在工程建设中，需要对某一点或某个桩位的岩溶发育情况，特别是岩溶的横向发育情况进行查明时，岩溶的发育规律就变得无规律可寻了，这也正是岩溶勘察的难点之所在[3]。

　　岩土论文范例： 岩土工程勘察数字化技术与实现

　　针对上述问题，单一的传统岩芯钻探远远达不到新时代的要求，须加强勘探测试手段的多样性和综合性。在工程实践中井下电视与传统钻探手段相结合可以取长补短，取得了较好效果。本文通过对碳酸盐岩地区岩土工程勘察钻探中存在的主要问题进行总结和分析，结合工程实践对钻孔电视在碳酸盐岩地区岩土工程勘察中的应用进行了探索性研究和总结。

　　1钻孔电视工作原理

　　钻孔电视主要由一体化主机、绞车及通讯线、深度计数器、全景摄像头组成。钻孔电视是采用特殊光学成像技术，通过全景摄像头对钻孔孔壁情况进行观测并录制孔内全景视频。全景摄像头具有全景观察的能力，且范围广、距离远。对于破碎和较破碎地层、有软弱夹层的地层、或岩芯采取率较低的地层，采用钻孔电视对钻孔侧壁岩体的完整状态、节理裂隙发育情况及裂隙内的充填物情况等进行观测，能清晰、直观地获取钻孔侧壁信息。观测数据可通过分析软件生成孔壁2D(二维平面)孔壁模型和3D(三维立体)管孔壁模型。

　　2碳酸盐岩地区岩土工程勘察中常见的几个典型问题

　　2.1石灰岩地层回转岩芯钻探存在的主要问题

　　石灰岩属于碳酸盐岩，岩溶是该地层最典型的地质现象。石灰岩地区(特别是岩溶强发育区)的地质条件非常复杂，主要表现为岩面起伏大和岩溶洞穴、溶沟(槽)发育，相邻钻孔间所揭露的地质情况都可能存在较大差异。回转岩芯钻探是目前岩溶地基最主要勘探手段之一，且贵州岩土工程勘察地方标准针对岩溶地基的勘察要求是“一桩一勘察钻孔”，同时给出了“单独基础当预估基底面积不大于2m2时布置1个钻探孔，大于2m2时布置2个钻探孔”的规定[4，5]。但由于地勘钻探孔直径(90mm)仅为桩基础直径(800mm～1500mm)的1/9～1/17，“一桩一勘察钻孔”显然难以查明桩侧及基底岩溶发育情况。因此碳酸盐岩地区工程勘察钻探主要存在以下几个问题:

　　1)碳酸盐岩地区岩溶现象通常具有发育不均匀性、形态复杂性、分布隐蔽性，而钻探揭露的地质情况仅代表勘探点未能向两侧扩展。更有甚者，虽取出完整岩样，但是周边岩体仍然存在较多岩溶裂隙。因此，仅凭单一的岩芯钻探难以准确判断岩层的完整性。2)贵州岩土工程勘察地方标准针对岩溶地基的岩土工程勘察布孔原则一般为“一桩一勘察钻孔”。在岩溶强发育场地，当桩基施工采用机械成孔施工工艺时，针对桩端面积大于2m2的桩规范要求布置4个钻孔[5]。

　　该规定提高了地勘建议基底标高的准确性、减少桩底持力层存在隐伏溶洞的概率，但是，高密度的布置钻探孔，由于钻孔间距过小，加之岩溶场地岩土体的不均匀性突出、岩面起伏大，钻探过程中钻孔的垂直度难以保证，特别是在岩土接触面处钻孔极易发生倾斜，从而可能发生钻孔串孔现象，导致钻探显示的地层信息与实际不符。

　　2.2白云岩地层回转岩芯钻探存在的主要问题由于受到地质构造、地层岩性、钻探工艺、钻探技术水平以及工程造价等因素的影响，岩芯钻探过程中取出的芯样常常呈碎块状或砂状，不能满足规范对岩芯采取率的要求，也为地质技术人员判断岩层完整性造成了较大困扰。特别是在较破碎的白云岩、泥质白云岩等地层中，此类现象尤为突出，岩芯采取率非常低，更有甚者出现整个场地难以取出一个满足室内单轴饱和抗压强度试验尺寸要求的岩样。

　　2.3现阶段岩溶地基工程勘察的特点由于受到整个大环境的影响和技术规范的要求，现阶段岩溶地基工程勘察项目具有地质条件复杂、钻孔数量多、工作量大、工期紧、工程单价低的共性。

　　3钻孔电视在碳酸盐岩地区岩土工程勘察中的应用

　　3.1准确判别岩(土)层界面和地层岩性

　　采用岩芯钻探进行工程勘察时，对岩(土)层界面和地层岩性的判断依据主要为:1)钻探取出的岩土芯样;2)钻机钻进速度的快慢;3)钻孔过程中钻孔孔口返水的情况。但上述判断依据均存在一定的局限性。当遇到破碎岩层、节理裂隙发育岩层、软弱夹层时，岩芯钻探工人很难发现或取出便于技术人员辨别的岩土芯样。在回转岩芯钻探的基础上，采用钻孔电视对钻孔进行孔内摄像，则可以不受以上因素的干扰，能够直观准确的根据孔壁情况判别岩(土)层界面、岩层破碎带和各种地层岩性。

　　3.2测量结构面产状

　　针对覆盖层厚度较大、周边无基岩露头或虽有露头但岩层面不明显的场地，通过钻孔电视的测试成果，可以测量结构面的倾向和倾角。比如结构面与钻孔轴线垂直，则在钻孔二维展开图中显示的是一条水平直线，其结构面的倾角为0°，如果结构面与钻孔轴线平行，则在钻孔二维展开图中显示的是一条垂直直线，其结构面的倾角为90°[6]。现今，钻孔电视分析软件可以直接计算结构面的产状，并进行标记。

　　3.3判断钻孔周边岩层完整性和岩溶裂隙发育情况

　　在贵州的岩溶地区，溶穴、溶沟、溶槽、溶洞非常常见，其在岩层中的分布形态奇形怪状。通过个别钻孔钻取的芯样很难较好的判断岩层的完整性。在工程实践中，曾出现过根据钻探资料显示岩层完整性较好，主要呈短柱状和柱状，且岩芯采取率也达到规范要求。但是通过钻孔电视观测，该钻孔岩层的岩溶极为发育，呈串珠状竖向发育，钻孔刚好穿过岩柱。采用钻孔电视对钻孔进行孔内摄像，能直观的了解到岩层的情况，避免了对桩底持力层的误判。

　　3.4气动潜孔锤钻进结合钻孔电视勘探方法在岩溶地基勘察中的应用

　　气动潜孔锤钻进是用潜孔锤配合钻机和钻具进行的冲击回转钻进的钻探方法。潜孔锤接在钻杆的最下端，钻机带动钻杆回转，压缩空气通过钻杆进入潜孔锤产生一定频率的冲击力，对岩石进行破碎，同时利用排出的废气对锤头进行冷却，并将凿下的岩屑排出孔外。该工艺具有适应地层多、场地地形条件适应性强、钻进效率高、钻孔垂直度高等特点，但无法采取岩土芯样是其使用于岩土工程勘察中的最大障碍和缺点[7]。

　　然而孔内电视测试速度快、测试成本低、测试成果直观、测试精度高等特点能有效的弥补气动潜孔锤钻进无法采取岩土芯样的缺点。岩溶地基工程勘察的目的和任务要求除了需要查明现行规范要求的内容外，“一桩一勘察钻孔或多钻孔”的布孔原则，最主要的目的就是查明拟建建筑基础所在位置的岩土界面和溶洞发育情况。针对现阶段岩溶地基工程勘察项目钻孔数量多、工期紧的特点，采用回转岩芯钻探+气动潜孔锤钻进结合钻孔电视勘探方法，能有效的解决工期、工作量和成果质量的矛盾，获取较好的工程应用效果。

　　4钻孔电视在使用过程中的特殊情况处理

　　4.1采集到的钻孔内孔壁图像不清晰

　　通过对孔内电视采集到的钻孔内图像不清晰的问题进行分析总结，主要由以下几个因素引起:1)钻孔电视在进行钻孔观测过程中，由于地表和地下(钻孔内)的温度和湿度差异，下放摄像头的过程中导致摄像头防护玻璃内外部出现了温度和湿度差异，通常就会在防护玻璃上产生一层薄雾，导致观测图像不清晰，甚至导致观测成果不能使用;2)钻孔内在某一深度处都会存在水体，因钻探原因或外界影响在水体表面形成一层薄薄的泥皮或油污漂浮物。

　　当摄像头进入水面时，水体表面的这层泥皮或漂浮物就会将摄像头的防护玻璃糊住，从而影响摄像效果，导致孔壁成像模糊;3)采用气动潜孔锤钻进的钻孔，孔壁被岩粉覆盖;4)钻孔垂直度不高，且黏土层厚度较大，探头下放过程中与土层接触后防护玻璃被遮挡;5)探头下放速度过快。为了获取高质量孔壁成像数据，针对第1)和第2)种情况，可先采用洗涤剂与清水调制成一定比例的溶液，然后使用配置好的溶液对摄像头外壳进行湿润处理，并将一定量的溶液倒入孔内，使孔内水体表面的泥皮或漂浮物散开。

　　针对第3)种情况，在观测前采用清水对钻孔进行冲洗，如果孔内积水较多，可抽出孔内积水或待孔内积水清澈后再开展观测工作;针对第4)种情况，可采用根管钻进，将套管下至基岩面，但是该种处理方式经济成本和时间成本都较高，一般只用于关键性重点钻孔;针对第5)种情况，只要按照设备使用要求规定的速度下放摄像探头就能解决。

　　4.2如何防止摄像头被卡在钻探孔内[1，8]钻孔电视的全景摄像探头为圆柱形，钻探所形成的钻孔并非能保证呈完全铅直状态，当地层中存在软弱夹层、破碎带或岩溶发育时，当观测结束上提摄像头时，软弱夹层、破碎带或溶洞的顶板岩体非常容易卡住摄像头的上顶面，从而导致摄像头无法提出。为了解决上述问题，防止摄像头被卡在钻探孔中，在摄像头的上顶面安装一个用铁片(不锈钢)制成的圆锥体，其下底面外径略大于摄像头外径，上底面内径略大于电缆线接头。通过这个导向防卡装置，在上提摄像头时能够有效的引导摄像头顺利通过软弱夹层、破碎带和溶洞。

　　5结语

　　单一的勘察手段和传统的勘察方法已经不能满足现阶段岩溶区的岩土工程勘察需求了，应积极吸收新技术新方法与传统方法进行综合应用和集成创新才能有效的提高岩溶地区的勘察质量水平[3]。本文通过对碳酸盐岩地区岩土工程勘察钻探中存在的主要问题进行总结和分析，结合工程实践对钻孔电视在碳酸盐岩地区岩土工程勘察中的应用进行了探索性研究，针对其适用性、优势和不足之处提出了个人见解，可为相关技术人员提供一些参考。

　　参考文献:

　　[1]龙举，帅海乐，张克利.孔内电视在基桩检测中的应用[J].低温建筑技术，2014，36(8):119-121.

　　[2]宋小庆，郑明英.贵州省岩溶地下水资源功能[M].北京:科学出版社，2019.

　　[3]曹聚风，龙举.岩溶地区工程勘察现场质量控制探讨[J].山西建筑，2020，46(7):148-150.

　　[4]GB50021—2001，岩土工程勘察规范(2009年版)[S].

　　作者：龙举1，2杨义林3