麻朗朗，李田周，李宏智，馮丹濤

（商洛西北有色七一三總隊有限公司，陜西 商洛 726000）

孜拉山隧道勘察鉆孔位于西藏昌都市貢覺縣則巴鄉(xiāng)夏日村境內(nèi)，距離夏日村約1 km，距離522 鄉(xiāng)道100 m 左右，距離貢覺縣約60 km。該鉆孔的主要地質(zhì)目的是：查明鉆孔揭露地段地層巖性、節(jié)理發(fā)育分布以及物探異常段的物質(zhì)組成、巖體完整性、巖體風(fēng)化等情況，查明隧道洞身地溫特征、附近水文地質(zhì)條件、各含水層發(fā)育分布特征以及巖層的物理力學(xué)特征等，確定原地應(yīng)力的大小及方向。

1 鉆孔概況

1.1 地層情況

孜拉山隧道處于印度板塊與歐亞板塊大規(guī)模碰撞而隆升的青藏高原地帶，測段屬橫斷山脈，是由青藏高原的唐古拉山脈延續(xù)轉(zhuǎn)向而來。測區(qū)被金沙江、瀾滄江及其支流切割，總體屬構(gòu)造剝蝕溶蝕中山—高山地貌。地面標(biāo)高3000～5040 m，最大相對高差2100 m，自然坡度一般20°～60°，局部為陡壁。坡面上覆第四系土層較薄，局部基巖出露，較平緩處、溝槽等低洼地帶覆蓋層相對較厚。鉆孔由于地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶，受區(qū)域構(gòu)造影響較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖體節(jié)理發(fā)育，圍巖較差。

隧道上覆第四系全新統(tǒng)沖（洪）積層粉質(zhì)粘土、細圓礫土、碎石土、卵石土以及坡殘積層粉質(zhì)粘土。下伏基巖為雄松群大理巖組，大理巖夾片麻巖、石英巖；雄松群片麻巖組、片麻巖夾片巖、糜棱巖；二長花崗巖（燕山期）；二長花崗巖（印支期）；花崗閃長巖（印支期）；花崗閃長巖（華力西期）。

鉆孔鉆遇地層以花崗巖、閃長巖、輝長巖等火成巖為主，可能有中基性巖脈侵入。巖石硬度級別高，可鉆性較差。近地表發(fā)育風(fēng)化破碎帶，深部存在斷裂帶、構(gòu)造破碎帶等。深部破碎帶可能富含地下水，鉆進過程中可能遇到孔內(nèi)涌水情況。

1.2 鉆孔主要技術(shù)要求

（1）設(shè)計深度1500 m，若在設(shè)計孔深的后5～8 m 段遇軟弱帶則須穿透之繼續(xù)鉆進3～5 m?？咨钭畲笳`差±2%。

（2）設(shè)計頂角：90°（傾角0°），頂角允許偏斜范圍≤3°/100 m。

（3）鉆孔直徑要求：應(yīng)保證孔內(nèi)水文地質(zhì)試驗及采樣的要求。

（4）取心要求：全孔連續(xù)取心。地表塊石土堆積層巖心采取率≮60%，斷層破碎帶取心率≮50%，完整基巖巖心采取率≮80%。

（5）巖樣、水樣取樣規(guī)定：鉆孔中采取巖石試樣時巖心直徑≮50 mm、高度為直徑的1.2～2.2 倍，斷口為斜面時以最低高度計。水樣樣品中應(yīng)少含泥沙，不應(yīng)有油污等雜質(zhì)。鉆孔中采取水樣，弱含水層應(yīng)先將水提干，待水位上升后取樣；含水層涌水量較大時應(yīng)先抽出2 倍以上孔內(nèi)水體積后再取樣。取水器皿應(yīng)先用被取水樣洗滌2～3 次后方可取樣。取樣后應(yīng)及時加蓋密封。做侵蝕性測定水樣數(shù)量≮1500 mL，其他特殊試驗按要求取樣。

（6）鉆探分層要求：地層分界線允許誤差±5 cm，不應(yīng)漏失大于0.5 m 的夾層。

（7）鉆探施工、采樣、測試結(jié)束后采用水泥砂漿封孔，不得斷檔封孔。

1.3 施工設(shè)備、孔身結(jié)構(gòu)及施工工藝

1.3.1 主要施工設(shè)備

HCR-8 型全液壓巖心鉆機。該鉆機自重25 t；400 r/min 轉(zhuǎn)速時，鉆機主軸輸出扭矩≥4500 N·m（最大扭矩7200 N·m）；動力頭給進行程4700 mm，最大給進力295 kN，最大提升力152 kN。

泥漿泵型號為BW-320 型，泵量118～320 L/min 可調(diào)，壓力3～8 MPa。

1.3.2 孔身結(jié)構(gòu)

該孔為水平孔，設(shè)計深度1500 m，實際完鉆深度1888.88 m?？咨斫Y(jié)構(gòu)和套管程序如表1 所示。

表1 鉆孔的孔身結(jié)構(gòu)和套管程序Table 1 Borehole structure and casing program

1.3.3 施工工藝與鉆具組合

一開（0～79.07 m）：繩索取心鉆進，鉆具組合為：?146 mm 金剛石鉆頭+?146 mm 擴孔器+JS146 取心鉆具+JS98B 鉆桿。

二開（79.07～126m）：繩索取心鉆進，鉆具組合為：?122 mm 金剛石鉆頭+ ?122 mm 擴孔器+JS122 取心鉆具+JS114 鉆桿。

三開（126～991.26 m）：繩索取心鉆進，鉆具組合為：?98 mm 金剛石鉆頭+ ?98 mm 擴孔器+SYZX96 繩索取心式液動錘+HQU 取心鉆具+JS98B 鉆桿。

四開（991.26～1888.88 m）：繩索取心鉆進，鉆具組合為：?80 mm 金剛石鉆頭+?80 mm 擴孔器+ SYZX75 繩索取心式液動錘+NQU 取心鉆具+JS75B 鉆桿。

1.3.4 鉆進參數(shù)

不同孔段所使用的鉆進參數(shù)見表2。

表2 不同孔段的鉆進參數(shù)Table 2 Drilling paramters for various borehole sections

2 施工中的關(guān)鍵技術(shù)難題

在孜拉山實施無垂深超長水平孔鉆探，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題主要有以下幾個方面。

2.1 破碎帶地層孔壁失穩(wěn)

與垂直孔相比，水平孔的孔壁易失穩(wěn)，而無垂深水平孔的孔壁穩(wěn)定更加困難［1-5］。其主要原因：

（1）地層層理多為水平或有一定的角度，因此與垂直孔相比，水平孔鉆遇復(fù)雜地層，鉆孔長度大 ，更容易發(fā)生坍塌、掉塊等復(fù)雜現(xiàn)象。

（2）在水平鉆孔中，上覆地層壓力即為孔壁所受到的徑向壓力。上孔壁中松散破碎的巖塊和顆粒在重力作用下極易下落，造成孔壁坍塌或掉塊，從而導(dǎo)致孔徑擴大以及卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故。

（3）無垂深的水平鉆孔鉆進時沖洗液作用于孔壁上的力僅為沖洗液循環(huán)時產(chǎn)生的環(huán)空壓力降，而沖洗液停止循環(huán)時其孔壁上的液柱支撐力幾乎為零，孔壁處于嚴(yán)重的力學(xué)不平衡狀態(tài)，上孔壁松散破碎的巖層在較大坍塌壓力下極易發(fā)生孔壁坍塌。

2.2 鉆孔軌跡控制困難

小孔徑水平孔繩索取心鉆進過程中，由于暫無精確的導(dǎo)向系統(tǒng)，因此鉆孔軌跡控制十分困難。施工過程中，影響鉆孔軌跡的主要原因如下：

（1）鉆桿所受軸向壓力顯著高于垂直孔鉆進。垂直孔鉆進時作用于鉆頭的壓力來源于鉆具自身重力和鉆機給進壓力，而水平孔鉆進時則全部來源于鉆機給進壓力，還要克服推動鉆桿運動時的摩擦力，為保證施工效率，鉆機施加于鉆桿的壓力顯著提高，與此同時鉆頭受到切削巖石的反作用力，二者對鉆具形成了擠壓，使鉆桿產(chǎn)生不規(guī)則的彎曲狀態(tài)［6］。

（2）水平孔鉆進過程中，若沖洗液懸浮攜帶能力較差，巖粉易在下孔壁形成巖屑堆積［7］，導(dǎo)致鉆具徑向上移，在巖屑硬度較高的情況下，鉆孔軌跡會發(fā)生向上漂移的現(xiàn)象。

（3）地層的各向異性也對鉆孔軌跡產(chǎn)生影響，鉆孔軌跡易向地層較軟的方向偏移［8］。

2.3 回轉(zhuǎn)阻力大，鉆具磨損嚴(yán)重

垂直孔鉆進時鉆具與孔壁的接觸面積小、壓差小，而水平孔鉆進時鉆具與孔壁的接觸面積大、鉆具重力直接作用于孔壁，以及水平孔下孔壁清潔度差等原因，導(dǎo)致水平孔提下鉆具的摩擦阻力和旋轉(zhuǎn)鉆具的扭矩較垂直孔大幅度提高，造成動力消耗大，嚴(yán)重影響機械鉆速，同時也造成鉆具磨損嚴(yán)重，使用壽命短，容易發(fā)生鉆具折斷事故［9］。其影響因素主要取決于鉆孔軌跡、壓差、鉆桿直徑、巖屑床厚度、孔壁清潔狀況、沖洗液潤滑性、濾餅的厚度與摩擦系數(shù)以及地層特性等。

2.4 繩索取心巖心管與打撈器的推送問題

垂直孔鉆進時，巖心管與打撈器能夠依靠自身重力克服沖洗液的浮力而自動下落到位，但水平孔鉆進時巖心管與打撈器的自身重力與鉆孔軸向垂直則無法自動到位［10］；地層涌水時受孔內(nèi)涌水壓力作用，巖心管與打撈器推送更加困難，推送時間大幅增加，嚴(yán)重影響施工效率。

2.5 涌水與漏失問題

鉆進過程中會鉆遇涌水地層和漏失地層。鉆遇涌水地層時，涌出的水會破壞孔內(nèi)沖洗液的流變性能和潤滑性能，使沖洗液的攜巖能力和減摩降阻作用變差［11］，使得鉆具旋轉(zhuǎn)扭矩和軸向移動阻力增大，加劇鉆具磨損和鉆機動力消耗，影響鉆具使用壽命和進尺效率；沖洗液流變性變差，鉆孔清潔度也會變差，進而影響鉆孔軌跡控制；涌水產(chǎn)生的軸向力與巖心管、打撈器的下放方向相反，加大巖心管與打撈器推送難度。鉆遇漏失地層時，大顆粒巖粉無法排出孔外，影響鉆孔清潔；鉆具與孔壁摩擦阻力增大，造成鉆具磨損嚴(yán)重等［12］。

2.6 環(huán)境污染問題

施工過程中，如果沖洗液使用不當(dāng)，沖洗液、油料等有遺灑，將對生態(tài)環(huán)境造成較大影響［13-15］。而施工區(qū)域海拔較高，生態(tài)環(huán)境相對脆弱，破壞后恢復(fù)十分困難［16-17］。

3 施工中采取的技術(shù)措施與效果

3.1 破碎帶地層孔壁失穩(wěn)的處理

0～97 m 為近地表的強風(fēng)化帶，地層破碎嚴(yán)重（見圖1），孔壁穩(wěn)定性差，再加上一開孔徑比較大，施工過程中孔內(nèi)掉塊、坍塌頻發(fā)，每次提鉆取心后，鉆具無法下到原位；回次進尺短，施工效率低。開始鉆進時，采用?114 mm 鉆頭鉆進，2019 年12 月28 日開孔，11 天只鉆進22 m，日進尺為2 m；2020 年3 月16 日復(fù)工，鉆進至36.8 m 發(fā)生斷鉆事故導(dǎo)致鉆孔報廢，9 天共進尺14.8 m，平均日進尺1.65 m。不解決強風(fēng)化帶地層的失穩(wěn)問題，施工幾乎無法進行，為徹底解決這一難題，采取了以下措施：

圖1 一開鉆遇的典型強風(fēng)化地層取出的巖心Fig.1 Cores taken from typical strongly weathered formation over the first borehole section

（1）抬高鉆機，在既定孔位上方適當(dāng)位置施工? 75 mm 的注漿固結(jié)孔，通過該孔注入水泥漿，使水泥進入并固結(jié)一開鉆孔的上孔壁，以保證近地表強風(fēng)化破碎帶段孔段的順利實施，并防止已鉆開孔段后續(xù)鉆進過程中出現(xiàn)大規(guī)模的坍塌掉塊現(xiàn)象。

（2）在水泥漿中加入速凝劑，使得注入水泥漿后的8～10 h 內(nèi)即可掃塞，以提高施工效率。

（3）鉆進至97 m，巖層逐漸完整，不再出現(xiàn)掉塊、坍塌現(xiàn)象。停止注漿固結(jié)孔鉆進，并把鉆機整體降低至設(shè)計位置，采用?146 mm 鉆頭進行鉆進，鉆進至79 m 地層較穩(wěn)定，隨后下套管，結(jié)束一開鉆進。通過上述方法，順利完成?146 mm 一開鉆進，徹底解決了在強風(fēng)化破碎帶地層鉆進無垂深較大直徑水平孔所面臨的孔壁失穩(wěn)難題。

3.2 鉆孔軌跡控制措施

為有效防斜，鉆前選擇并定制了剛度好、級配合理的鉆具，制定了合理鉆進參數(shù)，配備了KXP-3D型全空間數(shù)字測斜儀。施工過程中鉆孔軌跡控制難度極大，?98 mm 孔徑鉆進至290 m 時鉆孔開始偏移，至390 m 時鉆孔已累計上漂4°，此時通過降低鉆壓和轉(zhuǎn)速，雖然控制了偏移速度，但由于鉆孔角度上揚，仍然保持上漂趨勢，在鉆進至457 m 時上漂至最高點96.26°。為保證鉆孔質(zhì)量，采取的防斜糾斜措施如下：

（1）糾斜過程中全程保持較低的鉆壓和轉(zhuǎn)速。

（2）為防止孔斜，從450 m 開始采用繩索取心式孔底液動錘，一是降低了鉆機對鉆桿的給進壓力，二是保證了鉆進效率。采用“JS98B 鉆桿+6 m JS75B鉆桿+NQU 水平孔鉆具+SYZX75 繩索取心式液動錘+?80 mm 擴孔器+?80 mm 金剛石鉆頭”的糾斜鉆具組合鉆進3～6 m 后，再用“JS98B 鉆桿+HQU 水平孔鉆具+SYZX95 繩索取心式液動錘+?98 mm 擴孔器+?98 mm 金剛石鉆頭”的鉆具組合擴孔，即采用小口徑導(dǎo)孔、大口徑擴孔，直至鉆孔軌跡回歸至設(shè)計位置。糾斜鉆進過程中鉆孔頂角變化情況見表3。從表3 可以看出，通過上述糾斜防斜措施，達到了預(yù)期的目標(biāo)。

表3 糾斜過程中不同深度鉆孔頂角變化情況Table 3 Inclination vs depth during deviation correction drilling

（3）后續(xù)鉆進過程中，采用“金剛石鉆頭+擴孔器+ 繩索取心式液動錘+取心鉆具+鉆桿”的鉆具組合施工，沒有發(fā)生孔斜問題。

通過上述措施，有效解決了施工過程中的鉆孔軌跡偏移問題。物探測井結(jié)果表明：終孔深度1888.88 m 處孔斜度為89.84°，方位角92.57°（該孔的平面投影圖見圖2）。最終水平偏移1883.52 m，偏移方位角91.74°，垂直深度84.58 m。按照《鐵路工程地質(zhì)鉆探規(guī)程》（TB 10014-2012）要求，鉆探孔斜允許誤差為≤3.0°/100 m，該孔設(shè)計天頂角90°，孔斜誤差＜0.01°/100 m，故該孔孔斜在測試范圍內(nèi)符合相關(guān)要求。

圖2 鉆孔平面投影Fig.2 Plan projection of the borehole

3.3 繩索取心巖心管與打撈器的推送

（1）采用水平孔鉆探專用的繩索取心鉆具，其鉆具總成見圖3。

圖3 水平孔繩索取心鉆具總裝圖Fig.3 Wire-line coring assembly for horizontal drilling

（2）采用較大泵量提高巖心管和打撈器的推送效率。地層涌水時，巖心管和打撈器推送困難，適當(dāng)提高泵量對二者的推送效果明顯提高，但同時引起泥漿泵易損件磨損較快，造成泥漿泵故障頻發(fā)，為此，施工中通過添加極壓潤滑劑（GLUB）提高沖洗液的潤滑性能，增加泥漿泵的維護、維修頻次，以及增加配件儲備，從而保障了泥漿泵有效運行。

（3）使用繩索取心式液動錘。液動錘的使用使巖心管或打撈器的推送壓力至少提高了2 MPa，明顯提高了二者的推送效率，同時也可以有效判斷巖心管是否推送到位。應(yīng)用表明，鉆孔越深，其應(yīng)用效果愈加明顯。

（4）提高環(huán)空間隙尺寸。四開施工過程中鉆遇涌水地層，嚴(yán)重影響巖心管和打撈器的推送，將鉆頭直徑由78 mm 加大至80 mm，有效降低了因涌水等引起的孔內(nèi)沖洗液壓力升高，從而提高巖心管和打撈器的推送成功率和效率。

3.4 沖洗液的使用

3.4.1 施工過程中的減摩降阻措施

施工過程中，為了更好的降低動力消耗，提高鉆具使用壽命，主要從以下幾個方面著手：

（1）提高沖洗液的潤滑性能。選用無固相有機高分子聚合物沖洗液，并添加潤滑劑（GLUB）。

（2）為提高沖洗液的懸浮和攜帶能力，在無固相沖洗液中添加了增粘劑（GTQ）和高粘度的羧甲基纖維素鈉鹽（HV-CMC）。

（3）鉆進過程中多處遇到涌水（見表4），地層涌水后，沖洗液被稀釋，粘度大幅度降低，潤滑性變差，需及時提高入孔沖洗液粘度和潤滑性。如鉆進256 m 處地層開始涌水，涌水量約為6.98 L/s，此時通過提高GTQ 和HV-CMC 的加量來調(diào)整沖洗液的流變性能，粘度由22～23 s 提高至27～28 s，并提高了GLUB 的加量。根據(jù)涌水量大小調(diào)整處理劑加量，保證了沖洗液的流變性能和潤滑性能。

表4 鉆孔涌水位置和涌水量情況Table 4 Water kick loations and volumes

（4）鉆孔發(fā)生失返性漏失時，在鉆桿上涂抹潤滑脂。

（5）動力消耗過大及鉆具磨損嚴(yán)重時，將潤滑劑與潤滑脂配合使用。

3.4.2 漏失的處理

鉆進至207 m 發(fā)生失返性漏失，采用的方法是橋接堵漏漿與吸水樹脂復(fù)合堵漏。橋接堵漏漿由“0.7 m3水+50 kg 膨潤土+1.5 kg GTQ+鋸末”配制而成，堵漏時先將適量吸水樹脂膨脹堵漏劑直接倒入鉆桿中（因吸水樹脂膨脹堵漏劑吸水后體積較大，無法泵送），再泵送橋接堵漏漿液，采用此方法成功封堵漏失層。

3.4.3 環(huán)境保護措施

施工區(qū)域環(huán)境保護要求嚴(yán)格，為使施工滿足環(huán)保要求，主要從沖洗液體系的選用、循環(huán)系統(tǒng)的防滲等方面采取措施：

（1）采用環(huán)保沖洗液，所用材料均為無毒或可生物降解材料。一開和二開鉆進時，地層破碎，鉆孔較淺，采用了低固相沖洗液，配方為：水+1%～3%膨潤土+0.3%～0.5% GTQ+0.1%～0.3% HV-CMC+0.2%～0.5%植物膠。三開、四開采用無固相沖洗液，配方為：水+0.1‰ PHP+0.1% GTQ+0.1%～0.2%HV-CMC+0.3%～1.0% GLUB。

（2）硬化機臺、泥漿循環(huán)槽和漿池，同時做了防滲處理，隔離泥漿、油料、廢漿、廢水及廢渣等與地面接觸。

（3）加強對泥漿材料、油料及泥漿、廢漿、廢渣的儲存與日常管理。通過采取上述措施，施工中沒有發(fā)生環(huán)境污染事件。

3.5 工程完成情況

該鉆孔于2019 年12 月28 日開鉆，2021 年4 月27 日結(jié)束（期間春節(jié)假期等原因停工1 月有余）。設(shè)計深度1500 m，實際完鉆深度1888.88 m，是國內(nèi)已施工的全孔連續(xù)取心水平勘察孔中最深的鉆孔；設(shè)計頂角90°，頂角允許偏斜范圍≤3°/100 m，完鉆時頂角為89.4°，孔斜誤差＜0.01°/100 m；強風(fēng)化層巖心采取率最低為50%～60%，基巖巖心采取率為99%，均滿足地質(zhì)要求；除630 m 和780 m 兩處由于鉆桿已磨損較嚴(yán)重以及前期糾斜使得鉆孔軌跡不規(guī)則導(dǎo)致兩次斷鉆桿事故外，后續(xù)施工過程順利。

4 結(jié)論與建議

（1）在強風(fēng)化帶破碎地層施工過程中，小直徑注漿固結(jié)孔的實施，對解決較大直徑無垂深水平孔鉆進孔壁失穩(wěn)難題發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

（2）合理選擇鉆具與級配、較低的鉆壓與轉(zhuǎn)速、孔底動力鉆具及糾斜鉆具的使用，有利于鉆孔軌跡控制。

（3）在采用專用水平孔繩索取心鉆具的條件下，采用較大泵量和較高壓力、繩索取心式孔底液動沖擊錘以及適度提高環(huán)空間隙尺寸，有利于提高巖心管和打撈器的推送成功率和效率。

（4）提高沖洗液的懸浮和攜帶能力，保持其良好的潤滑性，以及發(fā)生漏失時潤滑脂的使用，減摩降阻效果顯著。