徐正宣，劉建國(guó)，吳金生，馮 濤，陳明浩，王彥東，袁 東

(1.西南交通大學(xué)，四川 成都 611756；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 探礦工藝研究所，四川 成都 611734)

川藏鐵路雅安至林芝段新建正線長(zhǎng)度約1 011 km，新建車站24座（不含雅安站、林芝站）；分布隧道72座，長(zhǎng)約838 km，占線路長(zhǎng)度約83%；橋梁87座，長(zhǎng)約114 km，占線路長(zhǎng)度約11%；路基長(zhǎng)約59 km，占線路長(zhǎng)度約6%。川藏鐵路為Ⅰ級(jí)雙線電氣化鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速160～200 km/h。受強(qiáng)烈的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，高地應(yīng)力大變形及巖爆、活動(dòng)斷裂及高烈度地震、高地溫及高溫?zé)崴人淼拦こ痰刭|(zhì)問(wèn)題極為突出，超長(zhǎng)深埋極復(fù)雜隧道勘察是全線工程勘察的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而地質(zhì)鉆探又是制約川藏鐵路地質(zhì)勘察的瓶頸。深孔勘探采用超深定向鉆探技術(shù)，能夠克服地形困難，彌補(bǔ)陡傾巖層豎向鉆探技術(shù)的缺點(diǎn)，直接模擬隧道施工階段洞身前沿隧道地質(zhì)情況，改變過(guò)去垂直“點(diǎn)”勘察為“線”勘察，提高勘察效率，為隧道勘察設(shè)計(jì)施工提出合理建議。

定向勘探鉆機(jī)方面，國(guó)外的液壓鉆機(jī)已經(jīng)走過(guò)了160余年的發(fā)展歷程，其水平定向鉆進(jìn)設(shè)備研究較成熟，如：澳大利亞定向鉆機(jī)可以在煤、巖層中成孔達(dá)千米以上，主要用于煤礦井下以瓦斯抽放、探排水、勘探及地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)為目的本煤層及煤層與煤層之間定向鉆進(jìn)和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。20世紀(jì)60年代，中國(guó)開始向國(guó)外學(xué)習(xí)，引進(jìn)并仿制了比較成熟的立軸式鉆機(jī)，并在全國(guó)范圍內(nèi)推廣使用。此后的二十年內(nèi)，立軸式鉆機(jī)的研發(fā)和改進(jìn)工作一直在進(jìn)行。當(dāng)液壓技術(shù)在國(guó)外興起并逐漸發(fā)展完善時(shí)，國(guó)內(nèi)的液壓領(lǐng)域依然方興未艾。國(guó)家“十一五”期間，國(guó)內(nèi)的液壓巖心鉆機(jī)發(fā)展有了新的起色，很多科研機(jī)構(gòu)和鉆探公司先后推出了自主品牌的液壓巖心鉆機(jī)。如：北京天和眾邦勘探技術(shù)有限公司的 CSD型液壓巖心鉆機(jī)，連云港黃海機(jī)械廠的HYDX系列鉆機(jī)，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所的YDX-4、YDX-5型鉆機(jī)，以及中國(guó)地質(zhì)裝備總公司的HCDU系列鉆機(jī)等，設(shè)計(jì)鉆深達(dá)1 500～1 600 m。國(guó)內(nèi)水平鉆進(jìn)鉆機(jī)多應(yīng)用于煤礦井下作業(yè)，代表的機(jī)型有重慶煤炭研究院生產(chǎn)的ZYWL-6000D、ZYWL-6000DS 和 ZYWL-4000D 型煤礦用全液壓鉆機(jī)，西安煤炭研究院生產(chǎn)的ZDY6000LD（A）、ZDY6000LD（F）型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)，北方交通生產(chǎn)的ZDY3500L 煤礦用履帶式液壓坑道鉆機(jī)。但上述幾種類型的定向鉆機(jī)鉆孔能力均在500～1 000 m范圍內(nèi)，難以適用于千米以上的深孔定向鉆進(jìn)。中煤科工集團(tuán)西安研究院在“十二五”期間研制的 ZDY12000LD 鉆機(jī)，也無(wú)法滿足地面普通回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)的要求。

定向勘探技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)定向鉆進(jìn)技術(shù)與國(guó)外技術(shù)水平整體上差不多，主要分為兩大類：一是石油上的定向勘探鉆進(jìn)技術(shù)，另一個(gè)是地質(zhì)礦產(chǎn)定向勘探。石油鉆進(jìn)技術(shù)不適合高山峽谷地區(qū)鐵路勘察應(yīng)用，主要是國(guó)內(nèi)石油鉆機(jī)施工水平孔深度較深，鉆孔主要形式是先鉆垂直部分，再施工水平部分，一般不取心，體積重量大。而開展針對(duì)高山峽谷地區(qū)鐵路鉆探技術(shù)裝備研究十分必要，鉆探技術(shù)裝備是鉆探工程的重要組成部分，其隨著鉆探方法和鉆探工藝的發(fā)展而變化，也直接影響著鉆探技術(shù)水平的進(jìn)步。水平定向鉆進(jìn)技術(shù)能很好地解決隧道工程地質(zhì)勘察的現(xiàn)狀，是變革性的地質(zhì)勘察技術(shù)。研究表明，在某些特殊條件下進(jìn)行水平孔鉆進(jìn)時(shí)，常規(guī)鉆進(jìn)方法實(shí)施困難，而繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為具有防孔內(nèi)掉塊、避免斷鉆桿、起鉆次數(shù)減少，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少鉆探成本等優(yōu)勢(shì)。例如：挪威對(duì)B?mlafjord海底隧道進(jìn)行了長(zhǎng)900 m的水平定向取心，在正式施工前成功檢測(cè)出一個(gè)深度侵蝕通道，并及時(shí)修改施工方案避免了重大損失。意大利Geodata公司在阿爾卑斯山隧道勘察中，采用定向鉆探技術(shù)鉆進(jìn)深度2 200 m，取心長(zhǎng)度6 m。2019年，中國(guó)煤科西安研究院使用ZDY15000LD定向鉆進(jìn)裝備在神東煤炭集團(tuán)保德煤礦進(jìn)行鉆孔工程示范，完成了主孔深度3 353 m的沿煤層超深貫通定向鉆孔；在此之前，先后完成2 311及2 570 m順煤層超深定向孔，未取心。2019年10月，西北有色713隊(duì)使用XDQ-1200輕便型鉆機(jī)在川藏鐵路洛隆段察達(dá)隧道勘察鉆探，創(chuàng)下當(dāng)時(shí)輕便巖心鉆機(jī)水平鉆探孔的國(guó)內(nèi)最深紀(jì)錄750.5 m。2020年5月30日，烏尉高速公路天山勝利隧道超長(zhǎng)距離水平定向鉆雖然終孔深度達(dá)到了2 271 m，但其僅在1 003和1 900 m兩處完成了間斷定向取心。以上案例雖然成功應(yīng)用定向鉆進(jìn)技術(shù)，但未能實(shí)現(xiàn)全孔連續(xù)取心。因此，小直徑全孔連續(xù)取心技術(shù)仍是目前一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

超深定向鉆探技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作。吳紀(jì)修等結(jié)合國(guó)內(nèi)外水平定向勘察技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，提出開展單次超過(guò)3 000 m水平定向多工藝鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)與裝備攻關(guān)，構(gòu)建水平定向勘察技術(shù)體系的建議。吳金生等針對(duì)普通繩索取心鉆進(jìn)無(wú)法滿足鈾礦、多金屬礦等新能源地質(zhì)設(shè)計(jì)要求的問(wèn)題，研發(fā)小直徑深孔隨鉆定向糾斜技術(shù)，取得了較好的應(yīng)用效果。張杰等針對(duì)軟煤鉆進(jìn)成孔深度淺，鉆孔軌跡不可控，易出現(xiàn)瓦斯抽采盲區(qū)等問(wèn)題，發(fā)明了氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)，可以滿足軟煤井下瓦斯高效治理需要。段建利以宋樓鐵礦區(qū)繩索取心定向鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，印證了采用定向鉆探技術(shù)的優(yōu)越性。閆保永等針對(duì)常規(guī)定向鉆機(jī)不能完全滿足國(guó)內(nèi)長(zhǎng)距離回采工作面瓦斯預(yù)抽鉆孔和頂?shù)装鍘r層大直徑鉆孔施工需求的問(wèn)題，提出研制適用于大直徑高位定向鉆孔施工的大功率定向鉆機(jī)。白璟等根據(jù)現(xiàn)有超深超小井眼定向鉆井技術(shù)能力和水平，從技術(shù)和裝備的發(fā)展角度提出技術(shù)發(fā)展建議。王振指出千米鉆進(jìn)技術(shù)必須在其技術(shù)的適用性、鉆進(jìn)參數(shù)和抽采參數(shù)匹配的合理性，以及使用的安全、經(jīng)濟(jì)效益等方面加強(qiáng)研究，才能充分、高效地發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)。趙大軍等指出地質(zhì)勘探行業(yè)在水平孔繩索取心鉆進(jìn)鉆桿的運(yùn)動(dòng)和受力方面研究較少，可借鑒石油鉆井作業(yè)的研究成果，對(duì)地質(zhì)鉆探水平孔繩索取心鉆桿的受力進(jìn)行專門的深入研究，為優(yōu)化鉆探工藝參數(shù)，優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)，提高水平孔鉆探深度提供理論基礎(chǔ)。葉蘭肅等利用多分支水平孔定向鉆進(jìn)技術(shù)，大幅度提高了礦井防治水工作效率和防治效果，降低了井下鉆探注漿施工存在的安全隱患，取得較好的應(yīng)用和效益。綜上，在鐵路工程開展超深定向鉆探技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用具有迫切的需求和重大的意義。

本文通過(guò)分析現(xiàn)有研究存在的問(wèn)題，提出千米級(jí)全液壓動(dòng)力頭水平定向鉆機(jī)研發(fā)、水平繩索隨鉆定向鉆進(jìn)器具與工藝、高原高寒高山峽谷地區(qū)鐵路超長(zhǎng)定向勘察模式及鐵路超長(zhǎng)繩索取心定向勘探技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)超深定向鉆探技術(shù)在川藏鐵路隧道工程勘察中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行論述，提出其發(fā)展建議，為超深定向鉆探技術(shù)更好地服務(wù)鐵路勘察設(shè)計(jì)提供支撐。

1 研究現(xiàn)狀存在的問(wèn)題

1.1 定向勘探鉆機(jī)

現(xiàn)有定向勘探鉆機(jī)存在以下問(wèn)題：

1）國(guó)內(nèi)石油鉆機(jī)一般不取心，體積重量大，對(duì)場(chǎng)地條件要求高，搬運(yùn)困難，對(duì)環(huán)境敏感的高山峽谷地區(qū)鐵路勘察適應(yīng)性差。

2）國(guó)內(nèi)煤科系統(tǒng)的水平定向鉆機(jī)多應(yīng)用于煤礦井下瓦斯抽采作業(yè)，輸出最大轉(zhuǎn)速150 rpm，無(wú)法滿足地面普通回轉(zhuǎn)取心鉆進(jìn)的要求。

3）國(guó)產(chǎn)全液壓巖心鉆機(jī)的性能穩(wěn)定性差，在孔深較淺和相對(duì)較軟的巖石上鑿巖效果優(yōu)秀，但當(dāng)遇到孔深較大且為花崗巖等硬質(zhì)巖時(shí)，由于鉆桿過(guò)長(zhǎng)或者阻力過(guò)大，鉆機(jī)不能穩(wěn)定連續(xù)輸出回轉(zhuǎn)并給進(jìn)動(dòng)力，從而導(dǎo)致鉆頭非工作性損壞和效率下降等相關(guān)問(wèn)題。

4）智能化水平低，不能滿足鉆進(jìn)參數(shù)數(shù)字化監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。

1.2 定向勘探技術(shù)

現(xiàn)有定向勘探技術(shù)主要存在以下4個(gè)問(wèn)題：

1）煤礦系統(tǒng)實(shí)施的小直徑水平定向鉆進(jìn)主要通過(guò)特制鉆桿代替電纜傳遞孔底鉆孔軌跡信號(hào)，主要應(yīng)用于煤炭井下瓦斯抽放孔和排水孔等，成本高、代價(jià)大；同時(shí)，此類實(shí)心鉆桿不能實(shí)現(xiàn)繩索取心鉆進(jìn)，不能滿足鐵路隧道勘察中要求對(duì)全孔地質(zhì)巖心取心的技術(shù)要求。

2）石油系統(tǒng)（或大直徑鉆井）水平定向鉆進(jìn)一般采用無(wú)纜隨鉆定向，鉆孔直徑大、泵量大（≥10 L/s）、泵壓高、設(shè)備重，在工程地質(zhì)取心鉆探中應(yīng)用性差。且石油（或大直徑鉆井）定向鉆進(jìn)不能水平開孔定向，一般不取心。

3）國(guó)內(nèi)常用的地質(zhì)系統(tǒng)小直徑水平定向鉆進(jìn)方法主要有：偏心楔糾斜法，定向困難，不適用于糾斜工作量大的鉆孔；連續(xù)造斜器法，定向不精確、誤差大，定向儀器水平無(wú)法投送，且不適宜用于深孔造斜；采用小直徑彎螺桿馬達(dá)/有線隨鉆定向鉆進(jìn)，定向精確，鉆孔軌跡可控且可連續(xù)造斜，泵量小（2～3 L/s），能夠滿足Φ96 mm、Φ76 mm口徑隨鉆定向鉆進(jìn)需求，但螺桿鉆是以鉆井液為動(dòng)力介質(zhì)的一種孔底動(dòng)力鉆具，如何配合繩索鉆桿（現(xiàn)有其他鉆桿內(nèi)通徑太?。⒍ㄏ蚱骶咚酵端偷轿弧⒐潭ê痛驌苹厥?，仍需要進(jìn)一步研究。

4）在水平（傾斜）鉆孔（>500m）鉆進(jìn)中，現(xiàn)有常規(guī)的單、雙管鉆進(jìn)，必須每個(gè)回次都要提鉆和下鉆，勞動(dòng)強(qiáng)度大，鉆進(jìn)效率非常低，且在提鉆和下鉆過(guò)程中，由于孔壁掉塊，容易引起孔內(nèi)事故，嚴(yán)重的還會(huì)引起鉆孔報(bào)廢。

2 超長(zhǎng)繩索取心定向鉆探裝備與器具

超深定向勘探鉆孔遇高陡構(gòu)造地層、軟弱夾層或破碎帶時(shí)，鉆孔極易偏斜。當(dāng)水平（仰斜）定向鉆孔發(fā)生偏斜，采用無(wú)纜隨鉆定向糾斜時(shí)，鉆孔直徑大、泵量大、體積大和重量重；采用有纜隨鉆定向糾斜時(shí)，對(duì)如何將定向鉆具水平投送到位、固定和打撈回收的研究，國(guó)內(nèi)目前仍是空白。

水平（仰斜）鉆孔位置一般都位于地下水位下方，涌水量大、壓力大，一是影響現(xiàn)場(chǎng)工人施工環(huán)境，二是污染自然環(huán)境，因此，需要開展涌水分離導(dǎo)流裝置及超長(zhǎng)繩索取心定向鉆探器具與裝備的研發(fā)。

2.1 千米級(jí)繩索取心定向鉆進(jìn)裝備

綜合上述不足，提出自主研發(fā)千米級(jí)全液壓動(dòng)力頭水平定向鉆機(jī)，如圖1所示。針對(duì)川藏鐵路勘察孔高效施工要求，鉆機(jī)必須具備足夠的動(dòng)力，以處理在鉆進(jìn)斷層、軟弱夾層、破碎帶、節(jié)理發(fā)育層時(shí)可能出現(xiàn)的垮孔、卡鉆和抱鉆等孔內(nèi)事故。

圖1 千米級(jí)全液壓動(dòng)力頭水平定向鉆機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of kilometer level full hydraulic power head horizontal directional drilling rig

對(duì)鉆機(jī)總體方案反復(fù)論證，基于現(xiàn)有成熟的履帶式巖心鉆機(jī)，通過(guò)整體式履帶底車設(shè)計(jì)，對(duì)鉆機(jī)各部件進(jìn)行整體優(yōu)化布局；采用模塊化設(shè)計(jì)，便于運(yùn)輸及易損件的更換；設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留檢修孔，便于鉆機(jī)的日常維護(hù)。根據(jù)水平定向鉆進(jìn)對(duì)鉆機(jī)功能的要求，確定鉆機(jī)由六大部分組成：動(dòng)力機(jī)、履帶行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)裝置、給進(jìn)機(jī)構(gòu)、鉆塔升降平臺(tái)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)鉆機(jī)升降平臺(tái)和變幅機(jī)構(gòu)，使鉆機(jī)在鉆進(jìn)狀態(tài)下更加穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)多角度鉆探、模塊化設(shè)計(jì)；動(dòng)力頭遠(yuǎn)程控制多個(gè)液控變量馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)多檔無(wú)級(jí)變速，輸出扭矩大，可實(shí)現(xiàn)1 800 m NQ系列水平繩索取心鉆進(jìn)。生產(chǎn)試驗(yàn)表明，研制的GXD-5S型水平巖心鉆機(jī)各項(xiàng)性能參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，且能很好地進(jìn)行水平繩索取心鉆進(jìn)施工，性能穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)。但在試驗(yàn)過(guò)程中，樣機(jī)也暴露出一些不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)與優(yōu)化，使其更加符合人機(jī)工程學(xué)，提高自動(dòng)化程度和施工效率。

2.2 水平繩索隨鉆定向鉆進(jìn)器具

目前，小直徑水平繩索取心定向鉆進(jìn)沒(méi)有合適的定向鉆進(jìn)技術(shù)方法，需要開展小直徑水平繩索取心有纜隨鉆定向儀器水平輸送工具、到位報(bào)信、固定和打撈機(jī)構(gòu)的研發(fā)，以及集成無(wú)磁鉆桿、繩索鉆桿、定向接頭、螺桿馬達(dá)等器具總成，解決小直徑水平孔繩索取心定向鉆進(jìn)技術(shù)難題。同時(shí)，可以利用同樣的鉆桿實(shí)現(xiàn)繩索取心鉆進(jìn)，滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)需求。

2.2.1 定向鉆具水平輸送機(jī)構(gòu)研究

研發(fā)的水平隨鉆定向儀器輸送、固定、打撈機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要由鎧裝電纜固定接頭、回收管、壓縮彈簧、彈卡板、彈卡架、半球閥、橡膠密封閥、密封活塞、懸掛環(huán)等零件組成。

圖2 定向儀輸送固定打撈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structural diagram of conveying fixing-fishing mechanism of orienteer

其工作原理為：當(dāng)把定向儀和輸送固定機(jī)構(gòu)放入繩索鉆桿內(nèi)后，在鉆桿內(nèi)輸入高壓泥漿；由于密封活塞的作用及半球閥與橡膠密封閥緊密貼合，泥漿無(wú)法與井下泥漿液連通，則在泥漿泵的作用下，輸送固定機(jī)構(gòu)的上端形成高壓腔，下端相對(duì)是個(gè)低壓腔，形成一定的壓差，在壓力的作用下輸送固定機(jī)構(gòu)被送到孔底。

2.2.2 水平繩索定向器具集成創(chuàng)新

研發(fā)的水平繩索定向鉆具輸送、固定和打撈回收機(jī)構(gòu)，集成小直徑有纜定向儀器、Φ73 mm和Φ89 mm無(wú)磁鉆桿、儀器固定限位機(jī)構(gòu)、定向接頭、螺桿馬達(dá)和定向鉆頭，形成了一套水平繩索定向鉆進(jìn)器具，如圖3所示。

圖3 水平繩索定向鉆進(jìn)器具Fig. 3 Horizontal rope directional drilling apparatus

目前，國(guó)內(nèi)實(shí)施的小直徑水平定向鉆進(jìn)的實(shí)心鉆桿不能實(shí)現(xiàn)繩索取心鉆進(jìn)，不能滿足地質(zhì)巖心鉆探取心技術(shù)要求。通過(guò)研發(fā)水平繩索隨鉆定向取心器具，攻克了水平繩索隨鉆定向儀器的推送器具、固定工藝和配套器具定向鉆進(jìn)困難的難題，滿足小直徑水平繩索隨鉆定向鉆進(jìn)需求，集成創(chuàng)新形成一套水平繩索定向鉆進(jìn)器具，目前已授權(quán)實(shí)用新型專利。

研發(fā)加工生產(chǎn)的水平繩索定向鉆具經(jīng)過(guò)室內(nèi)水平輸送工具測(cè)試、配套無(wú)磁鉆桿和定向接頭測(cè)試，以及全配套測(cè)試（連接螺桿馬達(dá)）3輪測(cè)試，每次到位測(cè)試20～30次，測(cè)試指標(biāo)及性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 超長(zhǎng)繩索取心定向鉆探技術(shù)與工藝

3.1 水平繩索隨鉆定向技術(shù)與工藝

在攻克水平繩索隨鉆定向鉆具的基礎(chǔ)上，研發(fā)了水平繩索隨鉆定向鉆進(jìn)鉆具組合，以及鉆進(jìn)參數(shù)、軌跡計(jì)算與控制、定向施工工藝流程等。水平繩索隨鉆定向鉆進(jìn)時(shí)，集成無(wú)磁鉆桿、繩索鉆桿、定向接頭、螺桿馬達(dá)等器具，解決了小直徑水平孔繩索取心定向鉆進(jìn)難的技術(shù)難題。同時(shí)，可以利用同樣的鉆桿實(shí)現(xiàn)繩索取心鉆進(jìn)，滿足地質(zhì)設(shè)計(jì)需求。

3.2 鉆孔防斜與測(cè)斜工藝

為防止鉆孔偏斜，主要采用以下技術(shù)：1）固定鉆機(jī)，把好開孔關(guān)。2）加長(zhǎng)粗徑鉆具，以剛保直。3）減小環(huán)空間隙，以滿保直。4）換徑導(dǎo)向鉆具防斜。5）鉆進(jìn)參數(shù)合適。6）采用大直徑鉆桿防斜，鉆桿直徑越大，剛性越好，防斜效果越好。7）取心鉆頭選用高胎體、胎體硬度低的鉆頭。8）保證孔內(nèi)鉆具的剛度和垂直度，不得將彎曲的鉆具下入孔內(nèi)。9）在500 m以上的位置，每50 m測(cè)斜一次，并記錄結(jié)果。

3.3 涌水封隔導(dǎo)流工藝

為解決涌水問(wèn)題，主要采用以下技術(shù)：1）水泥固井工藝。2）套管封隔工藝。3）優(yōu)化鉆頭尺寸，減小鉆桿與孔壁間的環(huán)空間隙，保持孔壁相對(duì)穩(wěn)定。4）根據(jù)鉆頭與地層適應(yīng)性分析，優(yōu)選金剛石鉆頭。5）優(yōu)選高壓泵，平衡孔內(nèi)涌水壓力。6）孔口分離導(dǎo)流。

3.4 技術(shù)與工藝成果

通過(guò)集成水平（仰斜）繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)、器具及施工工藝，優(yōu)化水平（仰斜）鉆孔井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鉆進(jìn)參數(shù)，優(yōu)選鉆機(jī)、泥漿泵、繩索鉆桿、取心鉆具、擴(kuò)孔器和取心鉆頭等，改進(jìn)通纜水力推送裝置和鉆具內(nèi)管的投送打撈裝置，制定鉆進(jìn)工藝規(guī)程（流程），做好泥漿護(hù)壁堵漏措施，創(chuàng)新形成一套超長(zhǎng)繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)體系。

基于以上技術(shù)與工藝，歷時(shí)66 d，在DZ-格聶山-定向深-01完成終孔孔深1 616.80 m的勘察孔，全孔平均采取率達(dá)94.50%，傾角14.3°；設(shè)計(jì)方位328，終孔方位335，創(chuàng)造了川藏鐵路勘察期間2020年9月前最深、施工進(jìn)度最快的水平鉆孔紀(jì)錄。各項(xiàng)指標(biāo)均超過(guò)了國(guó)內(nèi)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，鉆探深度超過(guò)設(shè)備設(shè)計(jì)能力的35%。

該勘察孔月進(jìn)尺734.90 m，日進(jìn)尺24.50 m；純鉆時(shí)間656 h，約27.3 d；時(shí)效約2.47 m；純鉆時(shí)間利用率42%；輔助時(shí)間792 h，約33 d。輔助時(shí)間包括：下套管、掃孔、打撈及投送內(nèi)管、提下鉆桿鉆具、換鉆頭鉆具、測(cè)斜、水文觀測(cè)、處理井故等。設(shè)備維修保養(yǎng)時(shí)間3 d，孔內(nèi)地質(zhì)測(cè)試2.7 d。這一成果充分印證了研發(fā)的超長(zhǎng)繩索取心定向鉆探技術(shù)與工藝的先進(jìn)性和應(yīng)用前景。

4 超長(zhǎng)繩索取心定向勘探模式

根據(jù)高原高寒高山峽谷地區(qū)鐵路的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性產(chǎn)狀，查明隧道洞身情況和地質(zhì)勘察目的，開展超深水平定向鉆探、斜向定向鉆探和仰斜定向鉆探3種勘探模式研究，構(gòu)建高山峽谷地區(qū)隧道勘察設(shè)計(jì)特殊地質(zhì)因子，獲取地質(zhì)新模型。

4.1 超深水平定向鉆探

針對(duì)鐵路隧道洞口山坡陡峭，鉆機(jī)難以搬遷到山頂，或臨近環(huán)境敏感區(qū)，鉆探施工不允許進(jìn)入，且洞口地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖層產(chǎn)狀陡傾的情況，為查明洞口復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造情況，可采用超深水平定向鉆探，見(jiàn)圖4。

圖4 超深水平定向鉆示意圖Fig. 4 Schematic diagram of ultra-deep horizontal directional drilling

4.2 超深斜向定向鉆探

當(dāng)隧道埋深較深，山高坡陡，鉆機(jī)無(wú)法到達(dá)隧道頂部，豎向鉆探難以實(shí)施，或洞身地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖層產(chǎn)狀陡傾時(shí)，為查明洞身復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造情況，可在半山腰上開挖平臺(tái)，采用斜向定向鉆探，揭示隧道洞身地質(zhì)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 超深斜向定向鉆示意圖Fig. 5 Schematic diagram of ultra-deep downward oblique directional drilling

4.3 超深仰斜定向鉆探

當(dāng)隧道洞口地勢(shì)陡峭，鉆機(jī)無(wú)法到達(dá)隧道洞口，洞口地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖層較陡，產(chǎn)狀反傾時(shí)，可采用上仰斜定向鉆探，揭露隧道洞身情況，如圖6所示。

圖6 超深仰斜定向鉆示意圖Fig. 6 Schematic diagram of ultra-deep upward inclined directional drilling

5 應(yīng)用與示范工程

5.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

將研發(fā)的超深水平定向勘探技術(shù)與裝備，在川藏鐵路進(jìn)行應(yīng)用與示范，取得了較好的效果。川藏鐵路雅安至昌都段共完成超長(zhǎng)繩索取心定向勘探鉆孔27個(gè)，其中水平定向鉆孔16孔（最深1 888.88 m），仰斜定向鉆孔1孔（最深335.7 m），斜向定向鉆孔10孔（最深970 m），是首次在鐵路隧道勘察中進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用。其中，超深水平定向孔紀(jì)錄進(jìn)展如圖7所示。

圖7 川藏鐵路超深水平定向孔紀(jì)錄刷新進(jìn)展Fig. 7 Update progress of ultra deep horizontal directional hole records on Sichuan—Tibet railway

2019年1月17日，川藏鐵路第1個(gè)全孔取心水平孔在康定2號(hào)隧道完成，終孔深度230.21 m；2019年6月12日，郭達(dá)山隧道進(jìn)口水平孔取得突破，全孔取心鉆進(jìn)深度達(dá)到637.65 m，終孔直徑75 mm；2020年1月4日，迎金山1號(hào)隧道全孔取心水平孔又取得新的突破，深度達(dá)到903.28 m，終孔直徑75 mm；2020年8月25日，中國(guó)鐵路史上第1個(gè)全孔取心上仰孔在寶靈山隧道誕生，孔深335.7 m；2020年8月27日，在格聶山隧道進(jìn)口誕生全孔取心水平孔深度新紀(jì)錄，達(dá)到1 616.8 m，終孔直徑75 mm，月進(jìn)尺高達(dá)735 m；2020年12月1日，由中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司和中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所聯(lián)合自主研制的“一種具有小傾角鉆進(jìn)功能的履帶式巖心鉆機(jī)”（專利號(hào)ZL202020720712.1），第一次突破1 000 m全孔取心水平鉆探的紀(jì)錄，在卡子拉山1號(hào)隧道完成鉆探，水平孔達(dá)1 212 m，終孔直徑75 mm，月進(jìn)尺350 m；2021年4月28日，采用超長(zhǎng)繩索取心定向鉆探技術(shù)與工藝，在川藏鐵路孜拉山隧道出口TBM施工段完成了中國(guó)鐵路史上最深的全孔取心水平孔的鉆探，孔深達(dá)到1 888.88 m，終孔直徑78 mm，月進(jìn)尺約120 m，見(jiàn)圖8。

圖8 中國(guó)鐵路史上最深水平孔終孔照片（截至2021年5月）Fig. 8 Photos of the deepest horizontal final hole in Chinese railway history (as of May 2021)

通過(guò)對(duì)川藏鐵路20個(gè)500 m以上定向鉆孔鉆進(jìn)進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，平均月進(jìn)尺達(dá)326 m，最快月進(jìn)尺達(dá)688 m；通過(guò)對(duì)5個(gè)超過(guò)1 000 m的超深水平鉆孔鉆進(jìn)進(jìn)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，平均月進(jìn)尺達(dá)363 m，最快月進(jìn)尺達(dá)713 m。

5.2 示范工程

以川藏鐵路新都橋—理塘段卡子拉山一號(hào)隧道DZ-卡子拉山1號(hào)-定向?qū)嶒?yàn)-01孔為例，該孔利用自主研發(fā)GXD-5S千米級(jí)全液壓動(dòng)力頭定向鉆機(jī)（圖9）和超長(zhǎng)繩索取心定向鉆進(jìn)技術(shù)，優(yōu)質(zhì)高效地完成1 212.0 m水平定向鉆探施工任務(wù)，方位偏差≤1°，孔斜0.76°/100 m，機(jī)械鉆速3.09 m/h，臺(tái)月效率350.29 m，創(chuàng)造了截至2021年3月國(guó)內(nèi)水平繩索鉆桿PQ（直徑122 mm）深度588 m、HQ（直徑96 mm）深度974 m兩項(xiàng)紀(jì)錄。同時(shí)，為鐵路卡子拉山1號(hào)隧道工程勘察設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的地質(zhì)支撐，具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

圖9 自主研發(fā)鉆機(jī)在川藏鐵路隧道勘察現(xiàn)場(chǎng)圖Fig. 9 Investigation site map of independently developed drilling rig in Sichuan-Tibet railway Tunnel

1）提供質(zhì)量較好的原狀巖心。

DZ-卡子拉山1號(hào)-定向?qū)嶒?yàn)-01孔水平穿越滑坡體，克服了嚴(yán)重涌水（60 m/h）、地層破碎、原狀取心困難等難題，提供了原狀巖心，巖心采取率達(dá)97.76%，具體采取率如表1所示。為地質(zhì)查明洞身結(jié)構(gòu)和測(cè)井通道提供了支撐，構(gòu)建了高山峽谷地區(qū)隧道勘察設(shè)計(jì)特殊地質(zhì)因子獲取地質(zhì)模型。

表1 巖心采取率情況
Tab. 1 Core recovery rates

開次 井段/m 鉆進(jìn)井深/m取心長(zhǎng)度/m巖心采取率/%1 0～48.00 48.00 44.78 93.29 2 48.00～588.00 540.00 527.40 97.67 3 588.00～974.15 386.15 379.14 98.18 4 974.15～1 212.00 237.85 233.58 98.20平均值 — — — 97.76

2）查明滑坡和陡傾巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

水平鉆孔穿越的川藏鐵路新都橋—理塘段卡子拉山1號(hào)隧道洞口3×10m巨型滑坡，滑坡體水平厚度達(dá)48 m，為隧道洞口開挖地質(zhì)設(shè)計(jì)提供依據(jù)?？ㄗ永?號(hào)隧道（西俄洛鎮(zhèn)俄洛堆村）洞口地層產(chǎn)狀為陡傾巖層，巖層產(chǎn)狀N60°W/50°～60°SW，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，單點(diǎn)垂直鉆孔難以揭露陡傾巖層構(gòu)造，該水平鉆孔揭穿3條斷層和19處節(jié)理破碎帶；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地面地質(zhì)調(diào)查和目前已揭露的構(gòu)造結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)鉆孔施鉆方向已揭露節(jié)理密集帶19處，合計(jì)寬約70 m，約占比例6.27%，單個(gè)節(jié)理密集帶寬1～12 m不等，節(jié)理帶中巖心外觀呈塊狀、碎塊狀，鉆進(jìn)中極易出現(xiàn)卡鉆、堵心等事故。已揭露2條次級(jí)斷層和端泥隆斷裂：674.6 m處斷層揭露寬度2.7 m，斷層充填物角礫狀，軟塑；孔深900和1 100 m處為端泥隆斷裂地層破碎帶。

5.3 發(fā)展建議

通過(guò)在川藏鐵路勘察中的實(shí)際應(yīng)用，形成了一套千米級(jí)全孔取心定向鉆探的成套技術(shù)體系。對(duì)一些風(fēng)險(xiǎn)極高、地質(zhì)條件極其復(fù)雜的隧道，采用貫通的超前水平鉆孔進(jìn)行勘察是最直接、最有效的勘探手段，值得借鑒推廣。隧道施工期間，無(wú)論是TBM施工還是鉆爆法施工，隧道均可能存在或遭遇重大不良地質(zhì)，如：長(zhǎng)距離斷層破碎帶等影響隧道方案時(shí)，可嘗試在正洞的側(cè)壁開辟洞室，采用超深水平鉆孔技術(shù)探明前方地質(zhì)條件，如圖10所示。

圖10 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)超深定向鉆探示意圖Fig. 10 Schematic diagram of ultra deep directional drilling for tunnel advanced geological prediction

定向勘探模式方面，當(dāng)隧道頂部山峰陡峭，鉆孔鉆機(jī)難以搬到山頂時(shí)，兩山峰間的很長(zhǎng)距離無(wú)法布置垂直鉆孔，但兩山中間有一個(gè)相對(duì)平緩地帶，可采用“一孔多支”模式，先鉆垂直鉆孔，再在該垂直鉆孔中沿著山峰的兩側(cè)各施工1個(gè)分支孔，如圖11所示。

圖11 分支定向鉆示意圖Fig. 11 Schematic diagram of branch directional drilling

6 結(jié) 語(yǔ)

1）利用自主研發(fā)的千米級(jí)全液壓動(dòng)力頭水平定向鉆機(jī)，可實(shí)現(xiàn)1 800 mNQ系列水平繩索取心鉆進(jìn)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，可滿足高山峽谷區(qū)工程勘察水平鉆探需求，解決了川藏鐵路水平深孔鉆探裝備難題。

2）通過(guò)研發(fā)水平繩索隨鉆定向取心器具與工藝，創(chuàng)新形成一套水平繩索定向鉆進(jìn)器具與工藝，取得了良好的示范效果。

3）創(chuàng)新形成一套超長(zhǎng)繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)體系和工法（操作規(guī)程），集成國(guó)內(nèi)先進(jìn)的繩索取心鉆探技術(shù)，創(chuàng)新防斜測(cè)斜、涌水分離導(dǎo)流技術(shù)，開展金剛石鉆頭與地層適應(yīng)性研究，并在川藏鐵路進(jìn)行應(yīng)用示范，總結(jié)提煉，形成一套超長(zhǎng)繩索取心定向勘探工法。

4）優(yōu)質(zhì)高效地完成了超長(zhǎng)繩索取心定向勘探鉆孔施工任務(wù)，共完成定向勘探孔27個(gè)，最深水平定向鉆孔深度1 888.88 m，是國(guó)內(nèi)采用NQ系列水平繩索取心的最深鉆孔。利用自主研發(fā)的千米級(jí)鉆機(jī)和定向鉆進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)造目前國(guó)內(nèi)水平繩索鉆桿PQ、HQ深度588 m和974 m兩項(xiàng)紀(jì)錄。

5）構(gòu)建高山峽谷地區(qū)隧道勘察設(shè)計(jì)特殊地質(zhì)因子獲取地質(zhì)模型?；谒姐@探、斜向鉆探和仰斜定向鉆探3種勘察模式，查明了隧道洞身段地層、巖性、地應(yīng)力情況、地溫情況、水文地質(zhì)條件情況。解決了高山峽谷地區(qū)垂直鉆孔搬遷無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題，查明陡傾巖層構(gòu)造和隧道洞身地質(zhì)結(jié)構(gòu)，為高原高寒高山峽谷地區(qū)鐵路勘察設(shè)計(jì)提供新模型。

6）將超深定向鉆探技術(shù)在川藏鐵路進(jìn)行應(yīng)用、示范。雅安至昌都段共完成超長(zhǎng)繩索取心定向勘探鉆孔27個(gè)，取得了較好的工程應(yīng)用效果和地質(zhì)意義，為鐵路勘察設(shè)計(jì)提供地質(zhì)支撐，為后續(xù)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中千米級(jí)超深水平鉆探深度設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。