趙飛濤，竇 斌*，陶維昱，管應(yīng)穩(wěn)，項 洋，苗晉偉，沈紹波，王勇剛

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北 武漢 430074；2.長江巖土工程總公司，湖北 武漢 430015；3.陜西太合智能鉆探有限公司，陜西 西安 710086；4.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

長大隧道屬于規(guī)模大、造價高的線路工程，地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性對隧道建設(shè)、運營安全都有重要影響，在隧道穿越城區(qū)密集建筑群時，受到隧道埋深、施工條件、外界環(huán)境的影響，傳統(tǒng)勘探手段往往會受到限制甚至難以實施，需要選擇合理的勘探方法查明隧道地質(zhì)條件；定向鉆探可以選擇合適的施工場地遠距離開孔，通過造斜技術(shù)使鉆具沿隧道掘進方向精準(zhǔn)的揭示隧道圍巖情況。

定向鉆探技術(shù)起源于石油鉆井工業(yè)，1932 年在美國加利福尼亞州亨延灘完成的石油鉆井是現(xiàn)存有記錄的最早的定向鉆井，目前被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探開發(fā)、管道非開挖鋪設(shè)領(lǐng)域。經(jīng)過將近一個世紀的積累和發(fā)展，在定向鉆探設(shè)備、鉆進技術(shù)、測量技術(shù)、軌跡控制技術(shù)、取心技術(shù)、物探測試技術(shù)等方面已經(jīng)形成了較為完善的體系［1-13］。

我國在1985 年通過引進美國技術(shù)完成了黃河穿越管道的定向鉆進施工［5-6］。川藏鐵路隧道工程勘察中，采用斜直孔的方式，完成超深繩索取心定向勘探孔27 個，最深孔達1888.88 m；2020 年，天山勝利隧道勘察完成定向孔2271 m，并在孔內(nèi)開展取心和孔內(nèi)電視探測。眾多項目的成功實施證明了定向鉆探勘察技術(shù)用于隧道勘察的可行性及高效性［13-17］。

本文對可精準(zhǔn)定位的定向鉆探技術(shù)的主要技術(shù)原理進行梳理分析，并以某鐵路隧道在復(fù)雜城區(qū)的應(yīng)用為例介紹定向鉆探技術(shù)在隧道勘察領(lǐng)域的實施情況和相關(guān)成果。

1 定向鉆探技術(shù)原理

定向鉆探技術(shù)是依靠鉆具、造斜工藝和隨鉆測量系統(tǒng)，使鉆孔沿預(yù)定軌跡鉆進的一種鉆探方法。當(dāng)定向鉆探技術(shù)與取心技術(shù)、物探技術(shù)、原位測試技術(shù)相配合，就會形成在勘察領(lǐng)域極具優(yōu)勢的定向勘探技術(shù)，定向勘探裝備系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 定向勘探裝備系統(tǒng)組成示意Fig.1 Composition diagram of directional drilling equipment system

得益于定向鉆探超強的軌跡控制能力，定向勘探具有軌跡靈活、鉆進能力強、適應(yīng)能力強、地面環(huán)境影響小的優(yōu)勢，其鉆孔軌跡可根據(jù)建（構(gòu)）筑物需要進行靈活調(diào)整，在建筑密集區(qū)、復(fù)雜水域、陡峻山區(qū)、超前地質(zhì)預(yù)報這些傳統(tǒng)鉆探實施困難的復(fù)雜情況下，可以充分顯示出其優(yōu)越性，達到精細化勘察的目的。

1.1 鉆孔軌跡控制技術(shù)

鉆孔軌跡控制技術(shù)是定向鉆探的關(guān)鍵技術(shù)，其原理是在鉆進過程中實時監(jiān)測鉆具相關(guān)參數(shù)和方位信息，不斷與設(shè)計軌跡對照并動態(tài)調(diào)整使鉆孔按預(yù)定軌跡鉆進［6］。這需要設(shè)備滿足2 個方面的要求，一是鉆機、鉆具具備良好的機械性能，具備強勁的鉆進能力和一定的方位調(diào)整能力；二是精確的測量系統(tǒng)可及時反饋鉆具位置信息，以便隨時對軌跡進行調(diào)整。從這個角度，定向鉆進技術(shù)和測量技術(shù)是鉆孔軌跡控制技術(shù)的基礎(chǔ)。

1.1.1 定向鉆進技術(shù)

目前，定向鉆進技術(shù)以無巖心鉆進為主，使用的井下動力鉆具主要有螺桿鉆具、渦輪鉆具和電動鉆具。渦輪鉆具長度較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不適合在較小的井眼中使用；電動鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低、對絕緣性和密閉性的要求高、維修工作復(fù)雜困難。所以，定向鉆探一般采用螺桿鉆具，螺桿鉆具具有低速大扭矩、結(jié)構(gòu)簡單、后期維修便捷的優(yōu)點。

一般情況下，通過調(diào)節(jié)螺桿鉆具面向角滑動鉆進即可達到造斜的目的，造斜困難時也可采用連續(xù)造斜器進行造斜；還可以通過馬達定子和鉆桿的回轉(zhuǎn)消除結(jié)構(gòu)彎角的導(dǎo)向造斜作用實現(xiàn)“回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜”，復(fù)合鉆進是“滑動造斜”和“回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜”兩種定向模式的復(fù)合，有更強的排渣能力，在長距離鉆進中有更強的可靠性［18］。

1.1.2 鉆孔測量技術(shù)

鉆孔軌跡的計算需要獲取鉆孔不同區(qū)段的孔深、傾角和方位角?？咨羁筛鶕?jù)鉆具的長度獲得，隨鉆測量系統(tǒng)（MWD）可在鉆進過程中實時獲取軌道參數(shù)、工具面角（ω）、孔底鉆壓、扭矩和轉(zhuǎn)速，可通過有線、泥漿脈沖、電磁波、聲波和光纖等方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?。目前設(shè)備一般都帶有自動計算程序，在實時監(jiān)測鉆進參數(shù)的同時可根據(jù)設(shè)定程序自動計算出實際軌跡，現(xiàn)場與設(shè)計軌跡進行對比后可立即進行動態(tài)糾偏。

1.2 取心技術(shù)

定向鉆進取心技術(shù)有繩索取心和提鉆取心兩種，繩索取心受重力和鉆孔軌跡影響在定向鉆進中應(yīng)用較為困難，目前提鉆取心技術(shù)是較為常用可靠的方式。提鉆取心時可將整個鉆進過程分為定向鉆進（全面破碎）和取心鉆進2 個部分。定向鉆孔由于獨特的鉆進方式和鉆孔軌跡，巖心管極易彎曲，進而影響巖心狀態(tài)和采取率，增加卡鉆風(fēng)險，當(dāng)鉆孔軌跡經(jīng)過多次造斜后，取心難度更大。

1.3 測井技術(shù)

測井技術(shù)是物探技術(shù)在鉆孔中的應(yīng)用，通過對測試數(shù)據(jù)的分析解譯可獲知巖土體的結(jié)構(gòu)特征和物理力學(xué)參數(shù)，更好地解決復(fù)雜的工程地質(zhì)問題［19］。在鉆進過程中，隨鉆測量系統(tǒng)（MWD）增加物探測試功能，如伽馬射線、電阻率測試，就形成隨鉆測井技術(shù)（LWD），該技術(shù)在獲取鉆進參數(shù)的同時，可獲取地層的物理性態(tài)特性，提高地層評價能力。

2 工程實施情況

某鐵路隧道項目位于珠江三角洲沖積平原區(qū)（局部為殘丘），樁號DK6+600～DK7+200 段采用盾構(gòu)法施工，斷面形式為?12.4 m 圓形結(jié)構(gòu)，軌面埋深約65 m，隧道洞底線埋深約68 m。

根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50307—2012），勘察區(qū)域?qū)儆诳拐鹨话愕囟?，圍巖的巖土性質(zhì)一般，屬于中等復(fù)雜場地，詳細勘察時地下區(qū)間勘察點間距應(yīng)不大于50 m［20］。

勘察區(qū)域內(nèi)房屋密集、管線交錯、交通繁忙、人口密度大，若采用傳統(tǒng)垂直孔鉆探方法，設(shè)計孔位多難以實施，考慮采用定向鉆探技術(shù)進行勘察。

2.1 鉆孔設(shè)計

2.1.1 軌跡設(shè)計

為獲取DK6+600～DK7+200 段隧道詳細地質(zhì)情況，根據(jù)現(xiàn)場情況和設(shè)備性能，將勘察主孔分為造斜段和近水平段，選取一處較為平坦開闊處作為施工場地，場地選擇滿足定向鉆探的曲率半徑要求，使鉆機可從地面鉆至隧道洞身位置進行主孔定向鉆探；沿線路方向在隧道底板下方1 m 布置主孔，在主孔上部布置2 個分支孔，以獲取巖層風(fēng)化界面或上覆蓋地層信息。

主孔設(shè)計進尺630 m，最大埋深69 m，在225、354 m 處分別施工分支孔，2 個分支孔合計進尺330 m，成孔順序為主孔-1 號分支孔-主孔-2 號分支孔-主孔，鉆孔孔徑≮110 mm。另外，為增加鉆探成果的可信性，在距離開孔處20 m 的洞軸線附近設(shè)置垂直驗證孔。鉆孔軌跡見圖2。

圖2 DK6+600—DK7+200 段定向鉆孔布置示意Fig.2 Directional drilling layout of DK6+600—DK7+200 section

2.1.2 取樣要求

沿洞身方向每隔15～30 m 取一組巖心，巖面變化較大或存在不良地質(zhì)區(qū)段應(yīng)加密取心或全孔段取心。

2.1.3 物探測試

鉆孔完成后，采用綜合測井技術(shù)對鉆孔進行物探測試，使用震波電法一體化測井儀，一次測量可同時采集波速信號和電阻率數(shù)據(jù)。同時在地面沿鉆孔軌跡進行微動譜比法測試。

物探測試通過物性差異獲得巖體性質(zhì)的變化情況，高密度電阻率通過測試電阻率的變化，可推測巖土體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)特征；聲波測試可通過測定巖體聲波數(shù)據(jù)推測巖體狀態(tài)和物理力學(xué)參數(shù)；微動譜比法可揭示探測場地的基巖和覆蓋層界線。

2.2 鉆孔施工情況

2.2.1 施工設(shè)備及工藝

根據(jù)該項目特點及勘察技術(shù)要求，選用ZYL-7000D 型履帶式全液壓定向鉆機進行施工。該鉆機最大鉆進深度1000 m，最大輸出扭矩7000 N·m，隨機配有螺桿馬達、隨鉆測量系統(tǒng)、鉆桿及各類鉆頭；鉆機技術(shù)成熟可靠，具有扭矩大、鉆速高、可配合取心、可調(diào)開孔傾角的優(yōu)勢，適用于各類地層的定向鉆進，在礦山礦井超前預(yù)報、排放水、瓦斯抽放孔定向施工中應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)成熟可靠。

鉆進過程主要包括開孔、擴孔、定向鉆進、取心幾個階段，通過調(diào)整鉆具組合提高鉆進效率和滿足取心要求，各施工階段鉆具組合見表1。

表1 鉆具組合Table 1 Drilling tools combination table

2.2.2 鉆孔施工情況及難點

2.2.2.1 軌跡控制

鉆孔設(shè)計軌跡復(fù)雜，軌跡控制難度大，本次定向鉆探有效工作日44 天，施工主孔孔深650.75 m（投影距離586 m），1 號分支孔孔深152.45 m，2 號分支孔孔深161.45 m，累計進尺964.65 m，軌跡偏移量大部分控制在0.5 m 誤差范圍以內(nèi)，主孔最大偏移0.81 m，2 號分支孔在末端498 m 處軌跡偏移2.28 m，原因是司鉆人員操作失誤，導(dǎo)致后續(xù)定向時彎頭工具面向角調(diào)整錯誤。

2.2.2.2 取心

采用提鉆取心工藝，進入深部穩(wěn)定地層后，鉆孔較深，孔內(nèi)鉆進阻力和鉆壓較大，為提高巖心取心效率，使用 “螺桿鉆具+巖心管+?110 復(fù)合片單管取心鉆頭”的組合方式，一定程度上提高了整體取心效率，但螺桿馬達存在一定彎度，影響巖心的完整性，增加了鉆桿磨損，因此，在取心前先擴孔一段距離，繼而調(diào)整螺桿鉆具工具面向角進行鉆進取心，同時在取心鉆頭內(nèi)增加卡簧以便拔斷巖心。

2.2.2.3 物探測試

由于鉆孔存在彎曲段和水平段，物探測試時難以依靠設(shè)備自重到達預(yù)定位置，通過在設(shè)備前后段加裝牽引活塞和推送活塞，依靠高壓水沖送順利完成了測試。

3 鉆探成果

3.1 取樣

根據(jù)規(guī)范和設(shè)計方案，本次鉆探采用提鉆取心工藝對全部區(qū)段進行間隔取心，共完成取心45 組，其中土樣2 組，巖樣43 組，巖心試樣完整，間距和試樣質(zhì)量均滿足設(shè)計要求。典型巖心照片見圖3。

圖3 典型巖心照片F(xiàn)ig.3 Typical core photograph

3.2 物探測試

電阻率與聲波在主鉆孔中進行，微動譜比法沿隧道軸線地面布置，本次定向鉆探總共布設(shè)聲波、電法測井測線610 m，其中靠近孔口的76.4 m 位于護孔的鋼套管內(nèi)部，因鋼套管對聲波與電法信號存在干擾，嚴重影響測試數(shù)據(jù)質(zhì)量，故本次有效測試數(shù)據(jù)為裸孔中533.6 m，共采集1069 個（0.5 m 間距）測點數(shù)據(jù)。電阻率、波速曲線及微動譜比成果與現(xiàn)場鉆探資料揭露情況相對吻合，見圖4、圖5。

圖4 波速和電阻率曲線Fig.4 Wave velocity and resistivity curve

圖5 微動譜比成果Fig.5 Results of fretting spectrum ratio

3.3 綜合地質(zhì)評價

通過鉆孔揭露情況，結(jié)合取樣測試及物探成果，DK6+645～DK6+750 里程范圍內(nèi)地層從上到下依次為第四系填土、全—弱風(fēng)化的白堊系（K）泥質(zhì)砂巖、含礫砂巖，基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，但多被泥、鈣質(zhì)充填，透水性及富水性弱。隧道圍巖主要為Ⅲ和Ⅳ類巖體，地質(zhì)剖面見圖6。

圖6 工程地質(zhì)剖面Fig.6 Engineering geological profile

本次勘探沿隧道設(shè)計軸線附近連續(xù)鉆進獲取了隧道全區(qū)段范圍的圍巖地質(zhì)情況，查明了勘察區(qū)域的地層分布情況和水文地質(zhì)情況，通過取樣試驗和物探測試獲得了巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，物探成果與鉆探情況相符，勘探范圍內(nèi)鉆探精度高、測試成果可靠。

4 分析討論

4.1 主要技術(shù)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)鉆探手段相比，定向鉆探技術(shù)在鉆探深度、精度和靈活性等方面有巨大的提升，鉆探能力的提升帶來的顯著優(yōu)勢可以歸納為以下幾個方面：

（1）破解地面條件的制約：可控軌跡定向鉆探技術(shù)具有極強的靈活性和針對性，可通過軌跡調(diào)整繞開障礙物鉆進至預(yù)定位置，并完成取樣、物探測試等相關(guān)任務(wù)，完成傳統(tǒng)鉆探多數(shù)情況極難完成的全斷面鉆進，實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域地質(zhì)情況的精準(zhǔn)探測。

（2）施工場地友好：在城區(qū)實施時可以有效避開地面道路、綠地和住宅，減小鉆探施工對周邊環(huán)境的影響；在山區(qū)及水域施工時可通過調(diào)整場地位置保障施工安全；可減少頻繁的設(shè)備轉(zhuǎn)移過程，改善鉆探工作環(huán)境。

（3）通過隨鉆測量系統(tǒng)，可獲取鉆進參數(shù)，通過建立數(shù)據(jù)和巖土體之間的關(guān)聯(lián)模型后，可實時掌握巖土體特性，提高勘察水平。

（4）通過整合物探與鉆探結(jié)果，利用鉆探成果對物探資料開展精細化解譯，實現(xiàn)工程地質(zhì)勘探過程中鉆探物探技術(shù)一體化探測，提高工程地質(zhì)勘探結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性［6］。

4.2 問題及討論

雖然地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)規(guī)范《定向鉆探技術(shù)規(guī)程》（DZ/T 0054—2014）對定向鉆探的實施做了詳細規(guī)定［12］，但如何制定技術(shù)可行、經(jīng)濟適用、滿足勘察目的的定向勘察方案，尚無規(guī)范對此做出明確規(guī)定。定向鉆孔的布置方案和取樣缺少指標(biāo)控制，不僅會引發(fā)技術(shù)人員的困惑，也勢必會產(chǎn)生一些爭議。

譬如：《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50307—2012）對鉆孔深度做了明確規(guī)定，要求勘探孔應(yīng)進入隧道底板以下不小于2～3 倍的隧洞直徑或?qū)挾龋谒淼赖装逑聻槿跷L(fēng)化巖石時應(yīng)滿足上述要求或不小于3～5 m［20］。本案例中鉆孔并沒有達到該深度，但傳統(tǒng)勘察是根據(jù)鉆孔結(jié)合經(jīng)驗推測鉆孔之間的地質(zhì)情況，定向勘察是沿隧洞底板下部的連續(xù)勘探，且隧洞區(qū)段位于弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、含礫砂巖中，通過現(xiàn)有勘探方案可充分地掌握隧道圍巖地質(zhì)情況，那么，現(xiàn)有勘察方案是否符合相關(guān)規(guī)范的要求、是否需要再增加鉆探工作量，具體采用什么標(biāo)準(zhǔn)進行判定，都是值得商榷的問題。

眾所周知，勘察規(guī)范作為重要的技術(shù)依據(jù)和準(zhǔn)則，指引著行業(yè)的發(fā)展方向，規(guī)范和保障著技術(shù)人員的從業(yè)行為，對技術(shù)方案的制訂起著重要的指導(dǎo)作用，因此，為規(guī)范定向鉆探在勘察領(lǐng)域的應(yīng)用，促進定向勘察技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)規(guī)范的制定是迫在眉睫的任務(wù)。

5 結(jié)論與建議

在建筑密集區(qū)域，定向勘察使用大功率鉆探設(shè)備、螺桿鉆具及隨鉆測量系統(tǒng)，通過軌跡控制技術(shù)遠距離開孔繞避地面障礙物，沿隧道設(shè)計軸線一定范圍內(nèi)進行了連續(xù)勘探，同時在隧道上方成功實施2個羽狀分支孔；采用提鉆取心工藝對全部區(qū)段進行間隔取心，并根據(jù)現(xiàn)場情況完成孔內(nèi)物探測試。沿隧道設(shè)計軸線連續(xù)鉆進減少了無效鉆探的同時提高了勘察精度，鉆探和物探的相互驗證保證了成果的可靠性，項目的成功實施，證明定向鉆進技術(shù)是復(fù)雜城區(qū)隧道勘察的一種有效手段。

可控軌跡定向鉆探技術(shù)具有長距離軌跡可控、場地適宜性強、鉆孔利用率高、周邊環(huán)境影響小的優(yōu)勢，可以破解復(fù)雜環(huán)境對地面條件的制約，在建筑密集區(qū)、復(fù)雜水域、陡峻山區(qū)等傳統(tǒng)鉆探實施困難的情況下均有較強的可實施性，但本案例也顯示出定向鉆探技術(shù)復(fù)雜、控制難度大、人員水平要求高等固有特點。另外，定向鉆探在勘察工程中的使用尚無規(guī)范做出明確規(guī)定。因此，應(yīng)根據(jù)勘察領(lǐng)域的要求和特點，制定明確可行的技術(shù)原則和規(guī)范，并不斷完善設(shè)備工藝，提升定向勘察技術(shù)的自動化、智能化水平，以促使定向勘察技術(shù)更廣泛的應(yīng)用。