超长距离水平定向钻进技术在隧道精准地质勘察的研究及应用

马保松， 程 勇， 刘继国， 朱冬林， 闫雪峰， 赵 强

(1. 中山大学土木工程学院, 广东 珠海 519082； 2. 广东省地下空间开发工程技术研究中心, 广东 广州 510275； 3. 南方海洋科学与工程广东省实验室, 广东 珠海 519080； 4. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司， 湖北 武汉 430056； 5. 中国地质大学(武汉)工程学院, 湖北 武汉 430074)

0 引言

隧道勘察的目的是查明隧道所处位置的工程地质条件、水文地质条件以及隧道施工和运营对环境的影响，为规划、设计、施工提供所需的勘察资料，并对存在的岩土工程问题、环境问题进行分析评价，提出合理的设计方案和施工措施，使隧道工程施工经济合理、安全可靠。但是，传统的垂直钻孔地质勘察方法用于类似川藏地区的高海拔、大埋深等恶劣环境条件时，存在以下不足： 1)钻孔离散，偏差较大，不能真实、全面地反映地层特性； 2)勘察孔布点间断，在特殊环境、特殊区域无法实施； 3)无效钻进较多，浪费巨大； 4)施工周期长、效率低、成本高。

因此，急需一种变革性的地质勘察技术来改变目前隧道工程地质勘察的现状，而水平定向钻进技术正好是解决上述问题的适用技术。该技术目前主要应用于管道铺设，其施工过程包括钻导向孔(如图1所示)、扩孔和管道回拖3个阶段[1]。将水平定向钻中的钻导向孔技术用于长大隧道工程地质勘察，即先沿着隧道设计轴线钻1个水平定向钻勘察孔，再在孔内进行间断取心、水压致裂、综合测井和孔内电视等相关测试技术，可精确并快速地对隧道设计轴线围岩的岩性变化、断裂破碎带的分布以及隧道涌水状况等进行判别。

图1 HDD导向孔施工示意图

水平定向钻进技术应用于隧道地质勘察的时间较早，但应用案例却不多。在1964年至1981年，日本青函隧道第1次使用小直径水平定向取心钻探技术，共钻进105孔，总长48 000 m，钻进最长距离为2 150 m[2]。挪威对Bømlafjord海底隧道进行了长900 m的水平定向取心，在正式施工前成功检测出一个深度侵蚀通道，并及时修改施工方案避免了重大损失[3]。舒彪等[4]论述了水平定向钻探勘察的技术优势和可行性，并介绍了有关的工程案例。陈湘生等[5]、严金秀[6]在论述长大隧道建设面临的挑战与关键技术时，也大力提倡采用水平定向钻进技术加孔内物探技术对隧道进行地质勘察。

综上所述，利用水平定向钻进技术对隧道进行地质勘察可弥补传统地质勘察存在的不足，目前已得到行业内许多知名专家的认可。基于此，本文以天山胜利隧道为例，重点介绍了水平定向钻进技术用于隧道地质勘察的相关技术方案及孔内测试方法，并对在天山胜利隧道中取得的勘察成果进行了简要分析。

1 HDD用于隧道地质勘察的方案设计

利用水平定向钻进技术对隧道进行地质勘察时，先从隧道入口段沿着隧道设计轴线钻1个导向孔，导向孔的直径可根据后面测试工具的直径大小进行确定，长度可结合初勘结果根据勘察需要来确定。然后在孔内进行一系列间断取心、水压致裂、综合测井和孔内电视等相关测试，对孔内围岩的岩性参数信息和地应力场分布情况进行精准探察与测量。

1.1 孔内测试方案

1.1.1 间断取心

在导向孔施工的过程中，全断面破碎导向钻头钻到取心点时，将孔内所有钻具完全抽出，更换为取心钻具，并推送至原位进行取心钻进；取心完成后，再次抽回孔内所有钻具至孔口，更换为全断面破碎导向钻头继续导向钻进，如此往复，直至完成所有取心工作。其中，取心钻具的外径和取心长度应与水压致裂等地应力测试装备相配套。

1.1.2 水压致裂

每完成一次取心后，利用取心孔进行一次水压致裂试验。将孔内钻具提出后，钻杆组合不变，将取心钻具更换为水压致裂试验装置，并推送至内壁平滑的取心孔内进行水压致裂试验。试验完成后，将孔内所有钻杆和设备抽出至地表。水压致裂法地应力测量的设备主体主要由上下封隔器组成的封隔系统、加压系统、测量和记录系统 3个部分组成。

1.1.3 综合测井

在水平定向钻勘察孔钻至设计孔深之后，即终孔之后，将孔内所有钻杆和设备抽出，将钻杆前端更换为无电缆存储式测井仪器。其中，测井探棒在保护管内。在孔口处设置开机时间，待将测井设备送至孔底之后将探棒从保护管内弹出，待测井设备开机时，回拖钻杆并开始检测，退出孔口即检测完成。孔内综合测井检测主要利用声波、自然伽马、电阻率等对钻孔围岩的岩性、孔温、密度、渗透性及含水率等参数进行检测。

1.1.4 孔内电视

在水平定向钻勘察孔钻至设计孔深之后，将孔内所有钻杆和设备抽出，并将钻杆前端更换为电池存储式孔内视频检测仪器，然后从孔口处开机，利用水平定向钻钻杆将仪器缓缓推入孔底，再回拉至孔口，孔内电视检测完成。推进与回拉过程中尽量保证不打浆、不旋转。其中，电池工作温度为-15～60 ℃，可连续工作9 d。

1.2 勘察施工方案流程

HDD用于隧道地质勘察的方案设计流程如图2所示。

图2 HDD用于隧道地质勘察的方案设计流程

2 HDD用于隧道地质勘察的技术特点

相比于传统隧道勘察方法，水平定向钻进技术用于隧道地质勘察具有独特的优点，具体为“超长距离”、“超高精度”、“超快速度”、“超强适应能力”，简称为水平定向钻进技术用于隧道地质勘察的“四超”特性。

2.1 超长距离

我国于1985年首次从美国引进定向钻进技术用于长输管道黄河穿越施工[7-9]。经过30多年的发展，我国水平定向钻进技术从落后到逐步成熟，穿越距离也越来越长。表1示出我国一些著名的管道穿越工程[10-13]。

目前我国自主研发的水平定向钻机已经达到国际先进水平，水平定向钻机穿越长度最长可达5 200 m，钻孔最大埋深120 m左右。

2.2 超高精度

采用水平定向技术及相关孔内测试技术可对隧道设计轴线围岩信息进行精确划分。水平定向钻用于隧道地质勘察的精确性可分为2个部分： 1)钻进过程中导向控向的精度控制； 2)对隧道围岩地质勘察的准确性。

2.2.1 导向控向的精度控制

水平定向钻进技术随钻测量导向系统(MWD)包括有线导向和无线导向2种。无线导向技术在中小型水平定向钻机中比较常用，在导向孔施工过程中，钻头内的传感器发送电磁信号，接收器将信号处理成深度、定位点、倾斜度和时钟值4个重要信息，并将信号传送给操作台上的显示器[14]。

表1 国内著名的管道穿越工程

在超长距离导向钻进过程中，由于受穿越深度的影响，无线导向技术的应用受到限制。有线导向技术的应用较为广泛。有线导向技术也称为随钻测量有线导向系统，由孔底系统和地面系统2个部分组成。孔底系统包括无磁钻铤、探棒、探棒室、扶正器和无磁延长杆； 地面系统包括控制信号传输电缆、数据接收转化器、司钻显示器和数据电脑。

控向员通过水平定向钻MWD实时获取钻具的姿态、角度信息(包括深度、倾角、方位角和工具面向角等)，并根据这些姿态、角度信息实时控制钻具运动方向[15]，从而保证水平定向钻沿着隧道轴线进行钻探勘察。水平定向钻具姿态、角度示意如图3所示。

图3 水平定向钻具姿态、角度示意图

2.2.2 隧道围岩地质勘察的准确性

结合孔内相关测试可知，水平定向钻进技术可精确地对隧道设计轴线围岩信息进行详细勘察，水平定向钻地质勘察的精确性具体体现在以下几个方面：

1)建立水平定向钻钻进参数与钻孔处围岩的关联性，并结合岩心的室内物理试验和牙轮钻头的破岩机制对隧道围岩的强度变化进行分析，为TBM掘进提供真实可靠的数据支撑。

2)将传统地勘取心技术与水平定向钻进技术相结合，实现间断取心，并对岩心进行抗压强度等基本物理量测试，详细分析隧道设计轴线岩性的基本物理特性，为隧道围岩分级提供精确的岩性参数。

3)采用综合测井技术中的声波、自然伽马、电阻率等对水平勘察孔内的围岩岩性变化进行划分[16]，对孔内围岩温度、密度、渗透性和裂隙发育程度等进行评价。

4)采用孔内3D电视对水平定向钻勘察孔进行视频检测，可直观地对水平孔内的围岩岩性变化、裂隙发育以及断裂破碎带分布进行精确检测[17]，并可对综合测井检测结果的准确性进行校核。

5)对水平定向钻勘察孔内涌水量的大小进行日常测量计算，并利用计算结果分析隧道富水段落的具体位置，进而对隧道施工涌水量大小进行分段预测。

此外，若勘察孔内有瓦斯、一氧化碳、天然气、硫化氢等有害气体溢出，则可利用该孔对有害气体成分及体积分数进行测定[18-19]，判定其对施工安全和人体健康的危害。

2.3 超快速度

水平定向钻在山体岩层中钻进时，正常工作情况下单日钻进可达到几十m至一两百m。天山胜利隧道水平定向钻单日钻进长度如图4所示。由图可以看出，共有8 d单日进尺在100 m以上，最高单日进尺达到了151 m。

2.4 超强适应能力

传统隧道钻探勘察方法大多存在钻机搬迁困难、难以供水、劳动力较大、极不安全等问题，并且在高海拔、复杂和特殊的环境下，运输设备上山大多要借助索道等工具[20]。传统隧道钻探钻机布置示意如图5所示。

图4 天山胜利隧道水平定向钻单日钻进长度

图5 传统隧道钻探钻机布置示意图

而采用水平定向钻进技术对隧道进行勘察时，无需将钻探设备运输至山顶或江河湖海之上，即可全线无盲点沿着隧道设计轴线进行精准探查。水平定向钻地质勘察示意如图6所示。

图6 水平定向钻地质勘察示意图

3 工程应用

3.1 工程背景

天山胜利隧道工程穿越山体，隧道全长22 km，最大埋深约1 200 m，距离隧道入口处约1 900 m处存在右旋走滑速率为1.4～2.0 mm/a的断裂破碎带(见图7)，断裂破碎带影响范围约为200 m，是隧道施工过程中的控制性地质因素。

图7 隧道入口段约1 900 m处活动断裂破碎带

在隧道施工前，需要对沿线工程地质、水文地质等信息进行详细勘察。但是该隧道具有长距离、高海拔、大埋深等特性，传统垂直钻探勘察方法很难满足对该隧道活动断裂破碎带的勘察要求。因此，采用水平定向钻进技术从隧道入口处沿隧道轴线钻进至断裂破碎带位置进行地质勘察，并结合间断取心、水压致裂、综合测井及孔内电视等测试技术对钻孔围岩的岩性分布、节理裂隙发育状况进行分析，并通过水平定向钻勘察孔的孔内涌水对隧道施工中的涌水量进行预测。天山胜利隧道水平定向钻地质勘察轨迹如图8所示。

图8 天山胜利隧道水平定向钻地质勘察轨迹图

3.2 水平定向钻机参数

天山胜利隧道水平定向钻地质勘察工程中采用的水平定向钻机为江苏谷登工程机械装备有限公司生产的GD3500-L型钻机(见图9)，具体参数如表2所示。

图9 GD3500-L型水平定向钻机

表2 钻机参数

3.3 勘察成果

3.3.1 钻进参数

采用水平定向钻进技术对天山胜利隧道进行地质勘察，钻进长度为2 271 m，现场钻机钻进速度、钻进压力等参数都有精确的记录。水平定向钻钻进速度随钻进深度的变化曲线如图10所示。水平定向钻钻进压力随钻进深度的变化曲线如图11所示。

图10 水平定向钻钻进速度随钻进深度的变化曲线

图11 水平定向钻钻进压力随钻进深度的变化曲线

3.3.2 岩心

将水平定向钻进技术与传统提钻取心技术结合，分别在1 003 m和1 900 m左右处进行了2次取心。图12示出1 900.29～1 902.49 m处取得的岩心实物图。岩心为花岗闪长岩，长2.2 m，岩心采取率为95%，岩石质量指标RQD为48%，岩心较为破碎。

图12 1 900.29～1 902.49 m处取得的岩心实物图

3.3.3 孔内电视高清视频

采用电池存储式孔内视频检测仪器对2 271 m长的钻孔进行全程高清视频录像。根据视频资料可对孔内围岩的岩性变化、节理裂隙发育程度以及断裂破碎带的分布范围进行精确划分。孔内电视围岩分析高清图如图13所示。

(a) 碳质板岩与花岗闪长岩岩性分界面

(b) 断裂破碎带核心位置片麻状花岗岩裂隙发育状况

(c) 孔内岩壁涌水气泡实物图

4 结论与建议

本文主要对用于隧道地质勘察的水平定向钻进相关技术方案及测试方法进行了研究，重点突出了水平定向钻进技术用于隧道地质勘察的优势，并结合天山胜利隧道水平定向钻地质勘察工程应用实例对该技术方案的可行性进行了验证，得出以下结论：

1)水平定向钻进技术具有超长距离、超高精度、超快速度和超强适应能力的“四超”技术特点。

2)利用间断取心、水压致裂、综合测井和孔内电视等测试技术可以对隧道设计轴线围岩的岩性变化、节理裂隙发育程度、断裂破碎带的分布范围进行精确探查，还可对隧道施工涌水量大小进行预测、对隧道围岩级别进行精确划分。

3)结合天山胜利隧道水平定向钻地质勘察工程应用实例可知，水平定向钻进技术用隧道地质勘察可行且高效。

4)虽然水平定向钻进技术用于隧道地质勘察可以弥补传统地质勘察存在的钻孔离散、无效钻进多及浪费巨大等问题，但目前水平定向钻进与孔内各种测试之间的配合仍需进一步研究。