陳 婷，王軍偉，武棟棟，李良泉，張 沖，崔 雷

（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西 西安 710003）

1 概述

川藏鐵路位于青藏高原東南部，在鐵路綜合勘察工作中，地質(zhì)鉆探[1]作為最直接的勘察手段?？梢詾樵O(shè)計(jì)提供詳實(shí)、可靠的資料，從而確保項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)各階段工作的安全。但川藏鐵路高海拔、缺氧、嚴(yán)寒、構(gòu)造發(fā)育、地形陡峻等給工程地質(zhì)勘探工作設(shè)置了一道極難逾越的屏障，傳統(tǒng)的工程地質(zhì)鉆探設(shè)備[2]或器具工藝已不能滿足勘察設(shè)計(jì)工作的需要。部分鉆孔無(wú)法達(dá)到隧道洞身垂直地面投影位置，需鉆孔采用定向鉆探技術(shù)[3]進(jìn)行勘探。

在川藏鐵路地質(zhì)勘察工作過(guò)程中，驗(yàn)證、試制與研究鉆探設(shè)備及相關(guān)的器具工藝，使得定向鉆探實(shí)施深度獲得突破，為勘察設(shè)計(jì)工作提供詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)資料，對(duì)保證本項(xiàng)目各階段的順利實(shí)施具有極其重要的意義，也是在勘察設(shè)計(jì)階段迫切需要解決的重大難題。

2 工程鉆探現(xiàn)狀

2.1 水平孔鉆探技術(shù)的突破

工程地質(zhì)勘探在設(shè)備、工藝方法及技術(shù)方面一直處在勘探行業(yè)的末位，隨著社會(huì)整體技術(shù)水平的提高，既有勘探技術(shù)為長(zhǎng)大埋深隧道等的勘察設(shè)計(jì)提供的勘探數(shù)據(jù)十分有限，工程地質(zhì)勘探落后的設(shè)備和技術(shù)已成為制約工程建設(shè)水平的關(guān)鍵。

藏東南復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)沿線海拔高、高差大、雪山及溝壑密布，自然環(huán)境惡劣，極端氣候現(xiàn)象頻發(fā)，很多影響川藏鐵路線路方案的重點(diǎn)橋隧工程位于無(wú)人區(qū)內(nèi)，工程地質(zhì)勘察難度極大。再加上地下工程工點(diǎn)局部段落埋深超過(guò)2km，傳統(tǒng)的工程地質(zhì)鉆探設(shè)備或器具工藝已無(wú)法順利實(shí)施，對(duì)地下工程工程勘察設(shè)計(jì)工作提出巨大挑戰(zhàn)。川藏鐵路水平鉆探技術(shù)的引進(jìn)，將推動(dòng)工程地質(zhì)勘探技術(shù)的突破和提升，奠定基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2 水平孔鉆探技術(shù)的研究實(shí)施

（1）為適應(yīng)可施鉆場(chǎng)地匱乏、道路不通、海拔高、地形陡等極困難的施工環(huán)境，采用全孔取芯超深水平孔工程鉆探成套技術(shù)，保障鉆孔的順利實(shí)施，提升工程勘察水平孔鉆探技術(shù)。

（2）在隧道傍山段或隧道經(jīng)過(guò)的溝谷內(nèi)，設(shè)置鉆場(chǎng)，利用定向鉆探技術(shù)，鉆至隧道洞身附近位置，采取巖芯、獲得詳實(shí)的勘探資料，解決極其困難條件下垂直孔無(wú)法實(shí)施導(dǎo)致的資料缺失難題。

3 川藏鐵路鉆探工藝概述

為了能更好地實(shí)現(xiàn)繩索取芯[4]功能，在傳統(tǒng)繩索取芯鉆具的內(nèi)管總成和打撈器上增加水封裝置，同時(shí)在鉆桿上端增加一個(gè)特制的三通設(shè)備。在內(nèi)管投放時(shí)，將內(nèi)管總成放進(jìn)鉆桿內(nèi)，水封裝置和鉆桿內(nèi)壁形成一個(gè)滑動(dòng)密封，用泵向鉆桿內(nèi)泵水將內(nèi)管總成壓入孔底。打撈內(nèi)管總成時(shí)，同樣將打撈器放進(jìn)鉆桿內(nèi)，水封裝置和鉆桿內(nèi)壁形成一個(gè)滑動(dòng)密封，然后在鉆桿上端接上特制三通裝置，打撈器鋼絲繩通過(guò)三通上端帶密封裝置的孔內(nèi)引出，通過(guò)三通進(jìn)水管向鉆桿內(nèi)泵水，打撈器在水壓的作用下滑入孔內(nèi)，打撈鋼絲繩在打撈器的牽引下通過(guò)三通上端密封裝置進(jìn)入鉆桿，到達(dá)孔底勾住內(nèi)管總成后，用地面鋼絲繩絞車將內(nèi)管總成提出地面，完成取芯工作。

繩索取芯鉆探工藝是通過(guò)泥漿泵加壓沖洗液向孔內(nèi)輸送內(nèi)管和打撈矛，來(lái)實(shí)現(xiàn)繩索取芯工藝的要求，具有繩索取芯工藝的優(yōu)點(diǎn)。水平孔使用繩索鉆進(jìn)取芯工藝流程見(jiàn)圖1。

4 水平孔泥漿性能與護(hù)壁堵漏技術(shù)

4.1 孔口孔壁穩(wěn)定性保障

（1）在修整場(chǎng)地時(shí)，對(duì)其坡體溜塌物進(jìn)行清表；

（2）對(duì)孔口下套管。

4.2 孔內(nèi)孔隙大，漏漿極其嚴(yán)重的部分

（1）漏漿極其嚴(yán)重，采用粘土—水泥漿液進(jìn)行封堵。

（2）采用泡沫泥漿進(jìn)行頂漏鉆進(jìn)。

4.3 鉆進(jìn)較完整地層

采用無(wú)固相、低粘沖洗液。

4.4 鉆進(jìn)破碎地層，伴有塌孔、卡鉆等現(xiàn)象

采用高粘度、高切力低比重的膨潤(rùn)土—高分子聚合物漿液。

4.5 水平鉆探孔內(nèi)事故處理[5]

4.5.1 卡鉆事故處理[6]方法

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的地層、巖芯情況、鉆進(jìn)時(shí)的征兆，分析卡鉆事故發(fā)生的原因。如圖2所示。

（1）孔壁巖石掉塊，巖層滑移和錯(cuò)動(dòng)。

（2）孔壁和巖芯不規(guī)則。

（3）孔身彎曲，孔壁形成鍵槽。

（4）孔身不規(guī)整，孔徑大小變換懸殊。

4.5.1.1 卡鉆事故處理

在鉆進(jìn)過(guò)程中，發(fā)生孔壁掉塊、巖層滑移錯(cuò)動(dòng)和孔壁巖芯不規(guī)則導(dǎo)致的卡鉆事故。

（1）采用千斤頂外頂。

（2）在前期孔淺時(shí)，利用反鉆鉆桿先對(duì)上部的鉆桿返出，用大一級(jí)巖芯管連接薄壁硬質(zhì)合金鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔套取。

（3）在后期孔深時(shí)，利用反鉆鉆桿先對(duì)上部的鉆桿返出，緊接著利用小一級(jí)的鉆頭從粗徑鉆具內(nèi)向內(nèi)透，透過(guò)1～2m，如果透的過(guò)程中由于鉆具的振動(dòng)而解卡，則通過(guò)絲錐撈取，如不能解卡，則使用小一級(jí)鉆頭持續(xù)鉆進(jìn)。

（4）孔內(nèi)巖粉較多，易形成懸橋。增大沖洗量，如果消除不了，利用反鉆鉆桿先對(duì)上部的鉆桿返出，下同孔徑的鉆具進(jìn)行掃孔，消除巖粉障礙，再下絲錐撈取下部鉆具。

4.5.1.2 卡鉆事故預(yù)防

（1）在松軟坍塌、掉塊、裂隙發(fā)育、容易產(chǎn)生滑移和錯(cuò)動(dòng)的巖層中鉆進(jìn)時(shí)，盡量保持孔壁的穩(wěn)定性。

（2）做好孔內(nèi)清潔。

4.5.2 漏漿事故處理方法

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的地層、巖芯情況、鉆進(jìn)時(shí)的征兆，分析全孔漏漿的原因：

（1）地層的層理及其節(jié)理裂隙極其發(fā)育，致使?jié){液沿著裂隙縫流走。

（2）沖洗液的性能不能有效起到護(hù)壁堵漏的作用。

（3）泥漿壓力高于孔內(nèi)水頭壓力。

鉆進(jìn)過(guò)程中，出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象異常嚴(yán)重，有以下幾個(gè)辦法處理：

（1）在孔口或者孔深不深時(shí)，利用套管來(lái)進(jìn)行護(hù)壁堵漏。

（2）在孔深較深時(shí)，存在大的裂隙，漏漿嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)采用粘度較高的膨潤(rùn)土、粘土球與纖維物，或者聚丙烯酰胺或者植物膠進(jìn)行堵漏，若效果不佳，則采用水泥漿液進(jìn)行堵漏。

（3）在漿液通過(guò)小的層理和小的空隙流失時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)則采用配方泥漿，通過(guò)調(diào)配膨潤(rùn)土+高聚物分子漿液來(lái)達(dá)到護(hù)壁堵漏和攜帶巖粉等作用。

（4）在鉆具處涂抹潤(rùn)滑油脂等材料，從孔口注入泥漿，保證潤(rùn)滑。

（5）選取比重較小的泡沫泥漿作為沖洗液，減小漏失。

（6）在漏失較小處，加大泥漿泵泵壓和泵量，進(jìn)行頂漏鉆進(jìn)。

5 水平鉆孔工程實(shí)例

5.1 川藏鐵路夏里隧道2AC51KSZ-1#水平鉆孔

5.1.1 鉆探目的

查明夏里隧道出口段的地層巖性特征、層厚、完整程度、地質(zhì)構(gòu)造、富水性等工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件。為設(shè)計(jì)提供地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5.1.2 實(shí)施情況

水平鉆施工區(qū)域的巖性為灰?guī)r與片巖互層，巖質(zhì)較軟。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，在鉆孔進(jìn)口段巖性主要為三疊系上統(tǒng)灰?guī)r夾片巖，中部橫穿洛隆至八宿斷裂帶，鉆孔深部巖性為三疊系上統(tǒng)片巖。該孔所在區(qū)域，受構(gòu)造活動(dòng)影響，地層破碎，灰?guī)r風(fēng)化較為嚴(yán)重和多段局部存在溶蝕作用，巖芯采取較為破碎；壓碎巖，原巖結(jié)構(gòu)已破壞，巖芯被擠壓、揉裂呈碎屑狀及少量碎塊狀，巖質(zhì)軟；片巖的板理及其節(jié)理裂隙極其發(fā)育。

該孔終孔深度550.2m，順利完成了鉆探成孔作業(yè)，巖芯采取率大于95%，為后續(xù)相關(guān)專業(yè)分析、孔內(nèi)綜合測(cè)試工作創(chuàng)造了條件，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的鉆探目標(biāo)。探明了斷層破碎帶的傾向傾角、寬度，查明了隧道洞身范圍內(nèi)的巖體完整性。同時(shí)通過(guò)該鉆孔還形成了整套的水平鉆孔技術(shù)體系，對(duì)以后的鉆孔作業(yè)具有指導(dǎo)意義。見(jiàn)圖3。

5.2 川藏鐵路通麥隧道水平孔3DXZ-1鉆孔

5.2.1 鉆探目的

查明鉆探范圍內(nèi)（包括隧道洞身范圍）的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理發(fā)育程度、巖體完整程度及地下水發(fā)育程度，為工程設(shè)計(jì)提供地質(zhì)參數(shù)并做出工程地質(zhì)評(píng)價(jià)。

5.2.2 實(shí)施情況

水平鉆施工區(qū)域的穿過(guò)嘉黎迫龍藏布斷裂帶。巖性主要為元古界片麻巖夾大理巖。開(kāi)孔處地層巖性為松散坡積物，覆蓋層較厚，含塊石。鉆進(jìn)過(guò)程中遇到斷層破碎帶，裂隙發(fā)育，巖層破碎?？變?nèi)發(fā)生了涌水，大量地下水向孔外涌出（施鉆中遇到涌水，通過(guò)調(diào)整泥漿比重，改善泥漿性能，同時(shí)進(jìn)行跟管鉆進(jìn)）。

該孔終孔深度629m，順利完成了鉆探成孔作業(yè)，該孔的順利終孔為后續(xù)相關(guān)專業(yè)分析、孔內(nèi)綜合測(cè)試工作創(chuàng)造了條件，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的鉆探目標(biāo)。查明了鉆探范圍內(nèi)（包括隧道洞身范圍）的地層巖性、查明了F48斷裂邊界、節(jié)理發(fā)育程度、巖體完整程度及地下水發(fā)育程度，為工程設(shè)計(jì)提供地質(zhì)參數(shù)并做出工程地質(zhì)評(píng)價(jià)。見(jiàn)圖4。

6 結(jié)論

川藏鐵路高海拔、缺氧、嚴(yán)寒、構(gòu)造發(fā)育、地形陡峻等給工程地質(zhì)勘探工作設(shè)置了一道極難逾越的屏障。為適應(yīng)可施鉆場(chǎng)地匱乏、道路不通、海拔高、地形陡等極困難的施工環(huán)境。為了適應(yīng)沿線地質(zhì)復(fù)雜、自然環(huán)境惡劣和滿足地質(zhì)技術(shù)要求，引進(jìn)使用水平孔工程地質(zhì)鉆探技術(shù)，進(jìn)行高原復(fù)雜山區(qū)交通工程勘察。為查明地下工程地質(zhì)條件、保證勘察設(shè)計(jì)工作的順利進(jìn)行提供了保障。此次川藏鐵路水平鉆孔鉆探技術(shù)的實(shí)施，將推動(dòng)工程地質(zhì)勘探技術(shù)的突破和提升，奠定基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)獲得了豐富的勘察數(shù)據(jù)和成果，服務(wù)川藏鐵路綜合勘察研究，為工程設(shè)計(jì)提供詳實(shí)、可靠的勘察資料，積累了豐富的高原山區(qū)勘察工程經(jīng)驗(yàn)，為超深水平孔全孔取芯工程地質(zhì)鉆探發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。