岩溶专项勘察外业实施过程中的问题及相应对策

来源 :安家(建筑与工程)上旬刊 | 被引量 : 0次 | 上传用户:eagleqizha
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  摘要:在覆盖型岩溶发育地区,基岩顶面及岩溶的发育形态非常复杂,钻探和物探是两种常用的岩溶勘察手段,它们各有优缺点。钻探能够查清岩溶的垂向发育特征,但由于钻孔数量有限,能否碰上溶洞带有很大的偶然性。而且,钻孔资料仅是“一孔之见”,难于反映溶洞的横向分布、形态及连通性,也不能确定钻孔之间是否存在溶洞。物探仅能大致了解岩溶的平面分布及埋深范围,难于详细描述岩溶的形态及垂向发育高度。因此,在岩溶勘察实践中常采用钻探与物探相结合的方法,综合二者的优势,从而经济有效地获得准确的地质资料。本文主要就是分析采用钻探与物探相结合查明岩溶时勘察实施过程中遇到的问题及采取的对策,以供同仁参考。
  关键词:岩溶专项勘察;地面塌陷;护壁管
  中图分类号:G4 文献标识码:A 文章编号:(2021)-9-302
  岩溶专项勘察是指为了查明岩溶的形态、规模、连通性等进行的专项勘察,岩溶勘察实践中常采用钻探与物探相结合的方法,综合二者的优势,从而经济有效地获得准确的地质资料。
  在岩溶专项勘察过程中,经常遇到的问题有:护壁管的选择、护壁管的连接问题、护壁管的上浮问题、钻探过程中地面塌陷的防治、护壁管内淤积土的处理、封孔材料及封孔方式的选择等问题,这些问题的处理的方式往往会影响整个项目的经济状况和技术可行性,笔者结合自身工作实际,对以上存在的问题进行详细的阐述,并就以上问题采取的对策进行分析。
  一、护壁管的选择
  因岩溶专项勘察采用钻探与物探相结合的方法,而地面物探对岩溶的探测精度差,难以反映岩溶发育的实际情况,故杭州地区常采用孔内物探的方式进行岩溶探测。而孔内探测每个钻孔需与相邻的钻孔进行对穿,因此在实施过程中需对已完成的钻孔进行护壁,而护壁的好坏会直接影响物探探头是否能下到孔底,从而影响整个物探成果的精确性。
  1.护壁管的孔径选择
  孔内物探主要包括电磁波CT、地震波CT、电阻率CT等,根据工程经验,其探头直径一般为40-50mm左右,为防止小碎石掉入卡牢探头及激发电火花等需要,护壁管的内径不应小于60mm以上,而受钻探钻具的影响,其外径最好不大于90mm(因孔径越大,钻探越困难,耗费成本越高,尤其是遇到多层溶洞需要下套管时,该问题尤为突出)。
  故岩溶专项勘察护壁管的孔径应满足内径不小于60mm,外径不超过90mm为宜。
  2.护壁管材的选择
  市场上目前可供选择的管材较多,如PVC管、PP管、PE管等,以下对各种管材的优缺点进行说明:
  PVC管材曾广泛应用于给水管路系统和燃气输送管路系统,PVC原材料的生产对原油的依赖性不如其他热塑性塑料大,使其生产成本相对较为低廉。PVC管材可以采用实壁或结构壁多种设计,其连接主要采用溶剂粘接方式。
  PE管材最早出现于20世纪50年代,PE管材材料的不断发展改善了管材的性能。PE管道主要应用于饮用水输送系统、天然气输送系统、灌溉系统、排污和排水系统。尽管PE管路系统并不具备成本优势(原材料价格相对较高),但是它却得到了快速推广和普及。这主要得益于PE管材的快速方便且安全可靠的连接方式,即热熔连接方式。
  PP材料从20世纪70年始应用于管道的生产。按照聚合物结构的不同,PP材料可以分为PP-H(均聚聚丙烯)、PP-B(嵌段共聚聚丙烯和PP-R(无规共聚聚丙烯)三大类。国内曾经一度出现推广PP-R塑料管道系统的热潮,但是很遗憾,由于假冒伪劣产品和不合格产品的干扰,PP-R管的市场并没有得到很好的持续性发展,相反却给市场留下了“塑料管道不耐用”的坏印象,以至于很多给水管路系统的建筑设计师以及开发商和用方都对塑料管道丧失了信心。从技术角度讲,不合格产品发生破坏的原因是多方面的。一方面是没有使用合格的原材料,在塑料管道发展初期,从业者对于原材料的长期性能和强度的认识不够透彻,对于原材料的评价方法的 理解也不够深刻;另一方面是系统的连接出了问题,因为PP-R管的模量在塑料管材里面算是比较大的,所以接头处容易产生多余的应力,特别是钢塑过渡的接头处在冷热水循环作用一段时间后,就会频繁出现渗漏的情况。
  鉴于PP材料会频繁出现渗漏的情况,在河山路~凤凰公园站区间岩溶专项勘察时首先将该管给予淘汰;而对PVC管和PE管进行了比较试验,根据现场实际试验结果,PVC管护壁后实际成功率约为40%(每米约为15元左右),而PE管护壁后成功率约为95%以上,虽PE管相对价格较高(每米约为20元左右),然根据以上成功率结合重新钻孔下护壁管费用整体计算,岩溶专项勘察建议采取PE管进行护壁。
  3.岩溶专项勘察护壁管的选择
  综上所述,结合市场现有销售的管材情况,\\采用内径为75mm外径为89mm的PE管进行护壁,经杭州地铁6号线河风区间、凤凰公园站~枫桦西路站及杭州地铁3号线高教路站~联胜路站~访溪路站岩溶专项勘察实践检验,护壁成功率为95%以上,剩余5%经冲洗后亦能满足要求。
  二、护壁管的连接问题
  因杭州地区灰岩埋藏较深,一般为40~50m以下,而护壁管不可能为一整根(由于1、护壁管太长不利于运输;2、护壁管太长不利于钻机设备下放至孔内),故护壁管单根长度一般为6m左右,每个孔需约10余根护壁管。若护壁管的连接不到位很容易导致脱节、漏水及泥浆等现象的发生,从而导致物探探头无法下到孔底,影响物探的质量。
  在岩溶专项勘察过程中对该问题采取了三种对比处理方法:
  1、采用强力胶+表面透明胶纸缠绕方式进行连接;
  2、采用长度适宜(长度足够,且不超过护壁管管壁厚度)螺丝钉方式连接;
  3、采用熱熔的连接方式。
  经实践检验采用方式1效果较差,很容易产生脱节现象从而导致整个孔均需重钻;采用方式3连接效果最好,然因采用热熔方式,且现场工人水平高低不同,很容易导致孔径缩颈,从而导致部分探头无法下到位;采用方式2连接效果较好,且孔的内径能保证,然需工人现场磨管,耗费约1~2小时,经检验效果好,无脱节、漏水及泥浆等现象发生。   三、护壁管的上浮问题
  因杭州地区地下水位较高,护壁管底封闭,护壁管容易在地下水的作用下产生上浮,从而导致物探孔深无法满足要求;位于机动车道上的孔因护壁管上浮问题可能会导致机动车出现严重事故的发生。
  在岩溶专项勘察过程中对该问题采取了三种对比处理方法:
  1、在管壁内打小孔来释放水压,孔底敞开;
  2、要求钻机钻探时尽量采用较稀的泥浆进行或下护壁管前对浓厚的泥浆进行稀释;
  3、仍存在较大浮力的孔位采用钻机反压半天左右,并在坑内采用摩擦力较大的级配碎石填筑压实。
  经实践检驗采用方式1时会导致大量泥浆和土漏入管内,从而导致大量淤积,物探孔深无法到位;采用方式二效果较好,大部分孔均可消除上浮现象;对于仍无法消除上浮力时采用方式三进行处理。
  四、钻探过程中地面塌陷的防治
  杭州地区多属覆盖型岩溶区,浅部石灰岩的岩溶十分发育,在钻探过程中,钻进至石灰岩面或接近石灰岩面时,孔内一出现大漏失或全泵量漏水、漏浆现象,无返浆,特别是钻遇无充填溶洞,上部土层容易在钻孔通道内由上部贯入下部空洞内,从而导致地面塌陷,影响施工人员的安全。在岩溶专项勘察过程中针对该问题采取了两种对比处理方法:
  1、泥球护壁结合套管法:对于岩溶裂隙(或小溶洞)漏浆,在采用膨润土粉、黄土(泥)、水泥浆等护壁效果不明显的情况下,可向孔内回填湿粘土球,下入钻具在孔内上下活动挤压,将泥球挤进岩溶裂隙间或成为泥浆,尔后转动钻具扫孔,让泥球挤压孔壁,达到填充裂隙、保护孔壁的目的。用做泥球的粘土,宜塑性较大、粘结性强(混合适量水泥提高泥皮强度),不易被冲洗液冲刷掉,可有效堵住岩溶裂隙,阻止漏浆,保证正常的钻探施工。但由于岩溶地下水富水性较好,具有承压性,地下水活动较频繁,当继续钻进时,由于地下水的活动和稀释作用,泥浆浓度会降低,再继续钻进可能造成孔内再次渗漏,在未达到设计钻孔深度时,可重复上述方法。
  2、多层套管护壁法:溶洞规模较大,尤其是空溶洞串(连续多个溶洞)、半充填或溶洞充填物呈流塑~软塑状态时,向孔内投泥球难于护壁,可采用跟管钻进。在钻探施工实践中,由于地层复杂多变,宜采用综合措施,即先小径超前钻进,大径扩孔,多次变径、下入多层套管的钻进方法。对于多层套管、变径钻进的方法,钻探施工前要分析已有的邻近场地的岩土工程资料,了解场地溶洞发育程度及在设计钻探深度内可能出现的溶洞个数,正确设计钻孔结构和套管程序,开孔口径要留有余地,将较大直径的厚壁套管击到灰岩面隔离上部覆盖层后,采用Ф75mm金刚石单动双管钻进,遇到溶洞后,提起钻具,取出岩芯,再用Ф146mm合金钻具扩孔钻进,直到溶洞底部或进入岩石一定深度,把Ф146mm岩芯管作为第二级套管,留在钻孔内,换小一径金刚石单动双管钻进;在具有多层溶洞的岩溶区中钻探,可能要采用Ф127mm至Ф73mm等多层的套管,逐级换径或跨级换径如Ф146mm管内放入Ф108mm管,这样便于钻机操作,防止钻具卡在套管内。
  在杭州地铁6号线河风区间勘察过程中,因该区间溶洞串较多,溶洞规模大,故大部分孔采用多层套管护壁法,在杭州地铁6号线凤凰公园站~枫桦西路站及杭州地铁3号线高教路站~联胜路站~访溪路站岩溶专项勘察中,因溶洞层数相对较少,采用泥球护壁结合套管法护壁,经实践检验,及时护壁后未出现地面塌陷现象。然未采用该法进行护壁的附近商务用房勘察及河风区间ZS98号孔则产生了地面塌陷现象,详见下图1。
  五、护壁管内淤积土的处理
  虽以上护壁管及连接方式较为成功,能保证大部分孔内物探顺利实施,然随着护壁管放置时间的增长,尤其是因为部分勘探孔附近的孔不具备条件后期7~8个月再去实施时,护壁管内常会淤积5~6m的浮土,部分严重时淤积土可能达到30~40m,若不采取措施进行处理可能会导致相应物探无法实施。
  在岩溶专项勘察过程中对该问题采取了三种对比处理方法:
  1、空压机配合一般抽水细管进行冲洗;
  2、抽水设备配合专用的塑料软管进行冲洗;
  3、重新钻孔下PE管进行物探。
  经实践检验采用方式1时冲洗时间长,细管往往无法下到底,空压机下冲力度过大容易导致部分PE管脱节;方式2进行了改进,采用塑料软管,在孔深放置不到位的区域逐渐进行冲洗清淤,可逐渐将软管放置于孔底,从而达到清淤的目的,实践中大部分孔均经该方式进行清淤,效果良好,节约了大量的时间及金钱,对于极小数孔冲洗仍不满足要求时采用方式3进行处理。
  六、封孔材料及封孔方式的选择
  因护壁管对封孔的效果较大,故封孔前需将所有能拔出的护壁管全部拔除。
  方式1:
  封孔材料:水泥
  封孔方式:水灰比为0.5~0.7,水泥用量根据孔深而定,按照每50kg/8m水泥控制。水泥加水搅拌均匀后,用泥浆泵通过钻杆将其送入孔底,泥浆泵压力为0.6MPa左右,水泥浆从孔底往上回灌,直至溢至地表为止。
  方式2:
  封孔材料:砂、水泥及少量水玻璃
  封孔方式:采用砂和水泥(若发现浆液流失严重时加入少量水玻璃),搅拌均匀后,用泥砂泵将其送入孔底,浆液从孔底往上回灌,灌满后观测10分钟,浆面稳定后停止灌浆。
  方式3:
  封孔材料:选择性能较好的水玻璃和水泥,灌浆前对水玻璃与水泥进行1:1混合测试其初凝时间,要求初凝时间在40s以内。
  封孔方式:水泥和水玻璃各采用一条置于孔底的镀锌管进行同时注浆。水泥和水玻璃比例是1:1,采用的钻机自带水泵,压力约为0.2MPa。不能采用压力过大的注浆机否则岩溶水上涌时,来不及凝固。注浆注至水泥与水玻璃无法注入镀锌管内时停止注浆。
  由于勘察项目大多数采用方式一进行封孔,经部分项目取芯分析,取芯基本很少见有水泥,封孔效果不好;杭州地铁6号线河风区间采用方式二进行封孔,封孔效果较好,对于后期施工时岩溶处理时可以满足封孔要求;而对于后期施工时下部溶洞不进行处理时建议采用方式3进行封孔,否则难以满足要求,基坑开挖卸土后岩溶水就会涌出(尤其是在PE管未完全拔除时该现象更为严重),下图为杭州地铁3号线联胜路站岩溶勘探时未采用方式3出现的涌水照片。
  七、 结语
  在岩溶专项勘察过程中,经常遇到的问题有:护壁管的选择、护壁管的连接问题、护壁管的上浮问题、钻探过程中地面塌陷的防治、护壁管内淤积土的处理、封孔材料及封孔方式的选择等问题,笔者结合自身工作实际和有关理论文献,对存在的问题进行了总结,并对以上问题采取了相应的对策处理,供岩溶专项勘察实施时参考。
  参考文献
  [1]李荣、赵金昌.岩溶地区岩土工程勘察钻探技术.
  [2]中华人民共和国行业标准《建筑工程地质勘探与取样技术规程》(JGJ87-2012)
  [3]杭州地铁6号线一期工程河山路站~凤凰公园站区间岩溶专项岩土工程勘察报告2016年7月.
  浙江华东建设工程有限公司 310014
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