馬保松， 程 勇， 劉繼國， 朱冬林， 閆雪峰， 趙 強

(1. 中山大學土木工程學院, 廣東 珠海 519082； 2. 廣東省地下空間開發(fā)工程技術(shù)研究中心, 廣東 廣州 510275； 3. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室, 廣東 珠海 519080； 4. 中交第二公路勘察設計研究院有限公司， 湖北 武漢 430056； 5. 中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院, 湖北 武漢 430074)

0 引言

隧道勘察的目的是查明隧道所處位置的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及隧道施工和運營對環(huán)境的影響，為規(guī)劃、設計、施工提供所需的勘察資料，并對存在的巖土工程問題、環(huán)境問題進行分析評價，提出合理的設計方案和施工措施，使隧道工程施工經(jīng)濟合理、安全可靠。但是，傳統(tǒng)的垂直鉆孔地質(zhì)勘察方法用于類似川藏地區(qū)的高海拔、大埋深等惡劣環(huán)境條件時，存在以下不足： 1)鉆孔離散，偏差較大，不能真實、全面地反映地層特性； 2)勘察孔布點間斷，在特殊環(huán)境、特殊區(qū)域無法實施； 3)無效鉆進較多，浪費巨大； 4)施工周期長、效率低、成本高。

因此，急需一種變革性的地質(zhì)勘察技術(shù)來改變目前隧道工程地質(zhì)勘察的現(xiàn)狀，而水平定向鉆進技術(shù)正好是解決上述問題的適用技術(shù)。該技術(shù)目前主要應用于管道鋪設，其施工過程包括鉆導向孔(如圖1所示)、擴孔和管道回拖3個階段[1]。將水平定向鉆中的鉆導向孔技術(shù)用于長大隧道工程地質(zhì)勘察，即先沿著隧道設計軸線鉆1個水平定向鉆勘察孔，再在孔內(nèi)進行間斷取心、水壓致裂、綜合測井和孔內(nèi)電視等相關測試技術(shù)，可精確并快速地對隧道設計軸線圍巖的巖性變化、斷裂破碎帶的分布以及隧道涌水狀況等進行判別。

圖1 HDD導向孔施工示意圖

水平定向鉆進技術(shù)應用于隧道地質(zhì)勘察的時間較早，但應用案例卻不多。在1964年至1981年，日本青函隧道第1次使用小直徑水平定向取心鉆探技術(shù)，共鉆進105孔，總長48 000 m，鉆進最長距離為2 150 m[2]。挪威對B?mlafjord海底隧道進行了長900 m的水平定向取心，在正式施工前成功檢測出一個深度侵蝕通道，并及時修改施工方案避免了重大損失[3]。舒彪等[4]論述了水平定向鉆探勘察的技術(shù)優(yōu)勢和可行性，并介紹了有關的工程案例。陳湘生等[5]、嚴金秀[6]在論述長大隧道建設面臨的挑戰(zhàn)與關鍵技術(shù)時，也大力提倡采用水平定向鉆進技術(shù)加孔內(nèi)物探技術(shù)對隧道進行地質(zhì)勘察。

綜上所述，利用水平定向鉆進技術(shù)對隧道進行地質(zhì)勘察可彌補傳統(tǒng)地質(zhì)勘察存在的不足，目前已得到行業(yè)內(nèi)許多知名專家的認可?；诖耍疚囊蕴焐絼倮淼罏槔?，重點介紹了水平定向鉆進技術(shù)用于隧道地質(zhì)勘察的相關技術(shù)方案及孔內(nèi)測試方法，并對在天山勝利隧道中取得的勘察成果進行了簡要分析。

1 HDD用于隧道地質(zhì)勘察的方案設計

利用水平定向鉆進技術(shù)對隧道進行地質(zhì)勘察時，先從隧道入口段沿著隧道設計軸線鉆1個導向孔，導向孔的直徑可根據(jù)后面測試工具的直徑大小進行確定，長度可結(jié)合初勘結(jié)果根據(jù)勘察需要來確定。然后在孔內(nèi)進行一系列間斷取心、水壓致裂、綜合測井和孔內(nèi)電視等相關測試，對孔內(nèi)圍巖的巖性參數(shù)信息和地應力場分布情況進行精準探察與測量。

1.1 孔內(nèi)測試方案

1.1.1 間斷取心

在導向孔施工的過程中，全斷面破碎導向鉆頭鉆到取心點時，將孔內(nèi)所有鉆具完全抽出，更換為取心鉆具，并推送至原位進行取心鉆進；取心完成后，再次抽回孔內(nèi)所有鉆具至孔口，更換為全斷面破碎導向鉆頭繼續(xù)導向鉆進，如此往復，直至完成所有取心工作。其中，取心鉆具的外徑和取心長度應與水壓致裂等地應力測試裝備相配套。

1.1.2 水壓致裂

每完成一次取心后，利用取心孔進行一次水壓致裂試驗。將孔內(nèi)鉆具提出后，鉆桿組合不變，將取心鉆具更換為水壓致裂試驗裝置，并推送至內(nèi)壁平滑的取心孔內(nèi)進行水壓致裂試驗。試驗完成后，將孔內(nèi)所有鉆桿和設備抽出至地表。水壓致裂法地應力測量的設備主體主要由上下封隔器組成的封隔系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、測量和記錄系統(tǒng) 3個部分組成。

1.1.3 綜合測井

在水平定向鉆勘察孔鉆至設計孔深之后，即終孔之后，將孔內(nèi)所有鉆桿和設備抽出，將鉆桿前端更換為無電纜存儲式測井儀器。其中，測井探棒在保護管內(nèi)。在孔口處設置開機時間，待將測井設備送至孔底之后將探棒從保護管內(nèi)彈出，待測井設備開機時，回拖鉆桿并開始檢測，退出孔口即檢測完成?？變?nèi)綜合測井檢測主要利用聲波、自然伽馬、電阻率等對鉆孔圍巖的巖性、孔溫、密度、滲透性及含水率等參數(shù)進行檢測。

1.1.4 孔內(nèi)電視

在水平定向鉆勘察孔鉆至設計孔深之后，將孔內(nèi)所有鉆桿和設備抽出，并將鉆桿前端更換為電池存儲式孔內(nèi)視頻檢測儀器，然后從孔口處開機，利用水平定向鉆鉆桿將儀器緩緩推入孔底，再回拉至孔口，孔內(nèi)電視檢測完成。推進與回拉過程中盡量保證不打漿、不旋轉(zhuǎn)。其中，電池工作溫度為-15～60 ℃，可連續(xù)工作9 d。

1.2 勘察施工方案流程

HDD用于隧道地質(zhì)勘察的方案設計流程如圖2所示。

圖2 HDD用于隧道地質(zhì)勘察的方案設計流程

2 HDD用于隧道地質(zhì)勘察的技術(shù)特點

相比于傳統(tǒng)隧道勘察方法，水平定向鉆進技術(shù)用于隧道地質(zhì)勘察具有獨特的優(yōu)點，具體為“超長距離”、“超高精度”、“超快速度”、“超強適應能力”，簡稱為水平定向鉆進技術(shù)用于隧道地質(zhì)勘察的“四超”特性。

2.1 超長距離

我國于1985年首次從美國引進定向鉆進技術(shù)用于長輸管道黃河穿越施工[7-9]。經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國水平定向鉆進技術(shù)從落后到逐步成熟，穿越距離也越來越長。表1示出我國一些著名的管道穿越工程[10-13]。

目前我國自主研發(fā)的水平定向鉆機已經(jīng)達到國際先進水平，水平定向鉆機穿越長度最長可達5 200 m，鉆孔最大埋深120 m左右。

2.2 超高精度

采用水平定向技術(shù)及相關孔內(nèi)測試技術(shù)可對隧道設計軸線圍巖信息進行精確劃分。水平定向鉆用于隧道地質(zhì)勘察的精確性可分為2個部分： 1)鉆進過程中導向控向的精度控制； 2)對隧道圍巖地質(zhì)勘察的準確性。

2.2.1 導向控向的精度控制

水平定向鉆進技術(shù)隨鉆測量導向系統(tǒng)(MWD)包括有線導向和無線導向2種。無線導向技術(shù)在中小型水平定向鉆機中比較常用，在導向孔施工過程中，鉆頭內(nèi)的傳感器發(fā)送電磁信號，接收器將信號處理成深度、定位點、傾斜度和時鐘值4個重要信息，并將信號傳送給操作臺上的顯示器[14]。

表1 國內(nèi)著名的管道穿越工程

在超長距離導向鉆進過程中，由于受穿越深度的影響，無線導向技術(shù)的應用受到限制。有線導向技術(shù)的應用較為廣泛。有線導向技術(shù)也稱為隨鉆測量有線導向系統(tǒng)，由孔底系統(tǒng)和地面系統(tǒng)2個部分組成?？椎紫到y(tǒng)包括無磁鉆鋌、探棒、探棒室、扶正器和無磁延長桿； 地面系統(tǒng)包括控制信號傳輸電纜、數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)化器、司鉆顯示器和數(shù)據(jù)電腦。

控向員通過水平定向鉆MWD實時獲取鉆具的姿態(tài)、角度信息(包括深度、傾角、方位角和工具面向角等)，并根據(jù)這些姿態(tài)、角度信息實時控制鉆具運動方向[15]，從而保證水平定向鉆沿著隧道軸線進行鉆探勘察。水平定向鉆具姿態(tài)、角度示意如圖3所示。

圖3 水平定向鉆具姿態(tài)、角度示意圖

2.2.2 隧道圍巖地質(zhì)勘察的準確性

結(jié)合孔內(nèi)相關測試可知，水平定向鉆進技術(shù)可精確地對隧道設計軸線圍巖信息進行詳細勘察，水平定向鉆地質(zhì)勘察的精確性具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)建立水平定向鉆鉆進參數(shù)與鉆孔處圍巖的關聯(lián)性，并結(jié)合巖心的室內(nèi)物理試驗和牙輪鉆頭的破巖機制對隧道圍巖的強度變化進行分析，為TBM掘進提供真實可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2)將傳統(tǒng)地勘取心技術(shù)與水平定向鉆進技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)間斷取心，并對巖心進行抗壓強度等基本物理量測試，詳細分析隧道設計軸線巖性的基本物理特性，為隧道圍巖分級提供精確的巖性參數(shù)。

3)采用綜合測井技術(shù)中的聲波、自然伽馬、電阻率等對水平勘察孔內(nèi)的圍巖巖性變化進行劃分[16]，對孔內(nèi)圍巖溫度、密度、滲透性和裂隙發(fā)育程度等進行評價。

4)采用孔內(nèi)3D電視對水平定向鉆勘察孔進行視頻檢測，可直觀地對水平孔內(nèi)的圍巖巖性變化、裂隙發(fā)育以及斷裂破碎帶分布進行精確檢測[17]，并可對綜合測井檢測結(jié)果的準確性進行校核。

5)對水平定向鉆勘察孔內(nèi)涌水量的大小進行日常測量計算，并利用計算結(jié)果分析隧道富水段落的具體位置，進而對隧道施工涌水量大小進行分段預測。

此外，若勘察孔內(nèi)有瓦斯、一氧化碳、天然氣、硫化氫等有害氣體溢出，則可利用該孔對有害氣體成分及體積分數(shù)進行測定[18-19]，判定其對施工安全和人體健康的危害。

2.3 超快速度

水平定向鉆在山體巖層中鉆進時，正常工作情況下單日鉆進可達到幾十m至一兩百m。天山勝利隧道水平定向鉆單日鉆進長度如圖4所示。由圖可以看出，共有8 d單日進尺在100 m以上，最高單日進尺達到了151 m。

2.4 超強適應能力

傳統(tǒng)隧道鉆探勘察方法大多存在鉆機搬遷困難、難以供水、勞動力較大、極不安全等問題，并且在高海拔、復雜和特殊的環(huán)境下，運輸設備上山大多要借助索道等工具[20]。傳統(tǒng)隧道鉆探鉆機布置示意如圖5所示。

圖4 天山勝利隧道水平定向鉆單日鉆進長度

圖5 傳統(tǒng)隧道鉆探鉆機布置示意圖

而采用水平定向鉆進技術(shù)對隧道進行勘察時，無需將鉆探設備運輸至山頂或江河湖海之上，即可全線無盲點沿著隧道設計軸線進行精準探查。水平定向鉆地質(zhì)勘察示意如圖6所示。

圖6 水平定向鉆地質(zhì)勘察示意圖

3 工程應用

3.1 工程背景

天山勝利隧道工程穿越山體，隧道全長22 km，最大埋深約1 200 m，距離隧道入口處約1 900 m處存在右旋走滑速率為1.4～2.0 mm/a的斷裂破碎帶(見圖7)，斷裂破碎帶影響范圍約為200 m，是隧道施工過程中的控制性地質(zhì)因素。

圖7 隧道入口段約1 900 m處活動斷裂破碎帶

在隧道施工前，需要對沿線工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等信息進行詳細勘察。但是該隧道具有長距離、高海拔、大埋深等特性，傳統(tǒng)垂直鉆探勘察方法很難滿足對該隧道活動斷裂破碎帶的勘察要求。因此，采用水平定向鉆進技術(shù)從隧道入口處沿隧道軸線鉆進至斷裂破碎帶位置進行地質(zhì)勘察，并結(jié)合間斷取心、水壓致裂、綜合測井及孔內(nèi)電視等測試技術(shù)對鉆孔圍巖的巖性分布、節(jié)理裂隙發(fā)育狀況進行分析，并通過水平定向鉆勘察孔的孔內(nèi)涌水對隧道施工中的涌水量進行預測。天山勝利隧道水平定向鉆地質(zhì)勘察軌跡如圖8所示。

圖8 天山勝利隧道水平定向鉆地質(zhì)勘察軌跡圖

3.2 水平定向鉆機參數(shù)

天山勝利隧道水平定向鉆地質(zhì)勘察工程中采用的水平定向鉆機為江蘇谷登工程機械裝備有限公司生產(chǎn)的GD3500-L型鉆機(見圖9)，具體參數(shù)如表2所示。

圖9 GD3500-L型水平定向鉆機

表2 鉆機參數(shù)

3.3 勘察成果

3.3.1 鉆進參數(shù)

采用水平定向鉆進技術(shù)對天山勝利隧道進行地質(zhì)勘察，鉆進長度為2 271 m，現(xiàn)場鉆機鉆進速度、鉆進壓力等參數(shù)都有精確的記錄。水平定向鉆鉆進速度隨鉆進深度的變化曲線如圖10所示。水平定向鉆鉆進壓力隨鉆進深度的變化曲線如圖11所示。

圖10 水平定向鉆鉆進速度隨鉆進深度的變化曲線

圖11 水平定向鉆鉆進壓力隨鉆進深度的變化曲線

3.3.2 巖心

將水平定向鉆進技術(shù)與傳統(tǒng)提鉆取心技術(shù)結(jié)合，分別在1 003 m和1 900 m左右處進行了2次取心。圖12示出1 900.29～1 902.49 m處取得的巖心實物圖。巖心為花崗閃長巖，長2.2 m，巖心采取率為95%，巖石質(zhì)量指標RQD為48%，巖心較為破碎。

圖12 1 900.29～1 902.49 m處取得的巖心實物圖

3.3.3 孔內(nèi)電視高清視頻

采用電池存儲式孔內(nèi)視頻檢測儀器對2 271 m長的鉆孔進行全程高清視頻錄像。根據(jù)視頻資料可對孔內(nèi)圍巖的巖性變化、節(jié)理裂隙發(fā)育程度以及斷裂破碎帶的分布范圍進行精確劃分。孔內(nèi)電視圍巖分析高清圖如圖13所示。

(a) 碳質(zhì)板巖與花崗閃長巖巖性分界面

(b) 斷裂破碎帶核心位置片麻狀花崗巖裂隙發(fā)育狀況

(c) 孔內(nèi)巖壁涌水氣泡實物圖

4 結(jié)論與建議

本文主要對用于隧道地質(zhì)勘察的水平定向鉆進相關技術(shù)方案及測試方法進行了研究，重點突出了水平定向鉆進技術(shù)用于隧道地質(zhì)勘察的優(yōu)勢，并結(jié)合天山勝利隧道水平定向鉆地質(zhì)勘察工程應用實例對該技術(shù)方案的可行性進行了驗證，得出以下結(jié)論：

1)水平定向鉆進技術(shù)具有超長距離、超高精度、超快速度和超強適應能力的“四超”技術(shù)特點。

2)利用間斷取心、水壓致裂、綜合測井和孔內(nèi)電視等測試技術(shù)可以對隧道設計軸線圍巖的巖性變化、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、斷裂破碎帶的分布范圍進行精確探查，還可對隧道施工涌水量大小進行預測、對隧道圍巖級別進行精確劃分。

3)結(jié)合天山勝利隧道水平定向鉆地質(zhì)勘察工程應用實例可知，水平定向鉆進技術(shù)用隧道地質(zhì)勘察可行且高效。

4)雖然水平定向鉆進技術(shù)用于隧道地質(zhì)勘察可以彌補傳統(tǒng)地質(zhì)勘察存在的鉆孔離散、無效鉆進多及浪費巨大等問題，但目前水平定向鉆進與孔內(nèi)各種測試之間的配合仍需進一步研究。