倾斜钻孔揭露地质信息投影计算方法应用研究

任自强 贾建红 许琦 张广厦 叶健 薛永明

摘要：为探索倾斜钻孔的应用，以克服钻探施工环境限制，通过对任意方位角和倾角的倾斜钻孔与所需地质剖面空间关系的研究，提出一种把倾斜钻孔揭露的地质信息准确投影到所需地质剖面上的方法。在倾斜钻孔的倾斜方向与所需地质剖面走向不一致的条件下，通过对倾斜钻孔揭露地质信息的起始和终止位置进行投影换算，进而得到符合实际地质特征的剖面。将所提出的方法应用于南水北调中线引江补汉工程勘察实践中，结果表明：该方法能够有效利用倾斜钻孔揭露信息；应用此方法进行倾斜钻孔勘探，不仅可以克服地表复杂的钻探施工环境，而且可以有效减少钻探进尺、提高勘察效率、节约勘察成本。

关键词：倾斜钻孔；钻孔勘察；钻孔揭露信息；地质剖面；引江补汉工程

中图法分类号：TV221.2;P634 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.004

文章编号：1006-0081（2024）02-0024-05

0 引 言

钻孔勘探是最常用、最直接的工程勘察技术手段，可为地下岩土体物理力学性质的研究、工程地质问题的评价和风险评估、工程处理措施的选择等提供直接、可靠的地质依据。随着工程建设的高速发展，建设要求及场地条件越来越复杂。一方面，受地形地貌、植被、构筑物等复杂场地环境的影响，钻探布孔位置的选取及其施工环境受到限制；另一方面，对于陡倾地层和断层，受常规铅直钻孔勘察效率及布孔密度的影响，勘察精度不能满足工程建设需求。在这种情况下，采取倾斜钻孔进行勘察，可以较大程度避免复杂施工场地的限制及常规铅直钻孔的弊端，提高勘察效率及质量，满足工程勘察及建设要求。

常规铅直钻孔揭露的地质界线、断层、溶洞等地质信息很容易在地质剖面上表达，钻孔揭露的位置信息即是该地质界线在剖面上的位置，或通过简单投影便可以确定其在剖面上的位置。然而，为达到勘察目标，倾斜钻孔可能采用任意方位角和倾角，因而倾斜钻孔的倾斜方位往往与所需地质剖面走向具一定夹角，且受到倾斜钻孔自身倾角的限制。如何在地质剖面上准确表达倾斜钻孔揭露的地质信息，成为有效利用钻探成果的制约环节。因此，亟需一种把任意方位角和倾角的倾斜钻孔内地质信息准确投影到所需地质剖面上的方法。本文通过对任意方位角和倾角的倾斜钻孔与所需地质剖面空间关系的研究，提出一种把倾斜钻孔揭露地质信息准确投影到所需地质剖面上的方法，并将其成功应用于南水北调中线引江补汉工程输水隧洞地质勘察中。

1 傾斜钻孔与地质体空间位置关系

在工程地质勘察过程中，由于地表植被、地形地貌等复杂施工条件的阻碍，常规铅直钻孔无法正常有效布设。针对此类条件，采用倾斜钻孔进行地质勘察不仅能够克服地形困难，而且可以弥补陡倾地质构造下铅直钻孔技术的缺点，提高勘探效率，如图1所示。当倾斜钻孔具有任意方位角和倾角，并且钻孔开孔位置位于工程所需地质剖面上时，首先需确定倾斜钻孔轴线与地质体的空间位置关系。

倾斜钻孔揭露地质体的走向和倾角β可以通过地质剖面地表邻近区域的地质测绘或钻孔电视录像解译获得，倾斜钻孔的倾角β和方位角可以通过钻孔测斜获得。因而，根据所需地质剖面的走向及测量得到的地质体走向和钻孔方位角，可计算得到钻孔倾斜方向与地质剖面之间的夹角（锐角）α、地质体走向与地质剖面之间的夹角（锐角）γ（图2）。

注：①为目标地质体；②为钻机；③为倾斜钻孔；④为所需地质剖面。L为倾斜钻孔内揭露地质体的起始深度，L为倾斜钻孔揭露地质体的终止深度，下同。

2 任意方位角的倾斜钻孔揭露地质信息投影

2.1 钻孔揭露地质信息及其投影位置计算

依据上述地质体产状及其与所需地质剖面的位置关系，可计算得到地质体在剖面上的视倾角β′。倾斜钻孔内揭露地质体的起始深度和终止深度可以根据钻孔岩心的地质编录获取，或者通过孔内电视录像解译得到。如图3所示，所需地质剖面中倾斜钻孔的投影倾角β′可以根据式（1）计算得到：

式中：β′为地质剖面中倾斜钻孔的投影倾角；β为倾斜钻孔的真倾角；α为钻孔倾斜方向与地质剖面走向之间的夹角；γ为地质体走向与地质剖面之间的夹角。地质剖面中，地质体的起始投影深度可以通过式（2）计算得到：

式中：L′为地质体的起始投影深度。同理可计算得到地质体的终止投影深度L′。

根据计算得到的钻孔投影倾角β′、地质体的起始投影深度L′、终止投影深度L′、以及地质体的视倾角β′，可在所需地质剖面上画出钻孔投影迹线及地质体的位置和展布形态（图4）。

2.2 与地质体走向垂直钻孔

倾斜钻孔布设时，其倾斜方向应与岩层或断层带等目标地质体的倾向相反，当钻孔方位角垂直于地质体走向时，往往具有最短的勘探距离及最高的勘探效率，此时钻孔倾斜方向与地质剖面走向之间的夹角α=90°，则式（1）和式（2）可分别简化如下：

在实际应用过程中，受地表施工环境等条件的限制，倾斜钻孔的开孔位置不一定在地质剖面上。此时，式（2）和式（4）中L和L并不是实际钻孔揭露深度，需先根据实际情况确定钻孔轴线或其延长线与剖面的交点，以钻孔轴线与剖面的交点为起始点计算钻孔揭露地质体深度。

3 应用实例

3.1 实例简介

引江补汉工程是南水北调中线工程的后续工程，从长江三峡库区引水入汉江，输水线路全长约194.7 km，其中输水隧洞长约193.9 km。工程位于中国地势第二阶梯东缘向第三阶梯过渡地带，以中山为主，地形起伏剧烈，植被茂密。线路跨2个Ⅰ级构造单元，以城口-房县断裂为界，北部为秦岭褶皱系，南部为扬子准地台，次级构造单元由南至北依次为黄陵断穹、远安台褶束、青峰台褶束、武当山复式背斜及襄枣凹陷。

在地质测绘及调查中，于地表临近输水隧洞某处P1点发现一断层F（图5）。为进一步了解该断层性状及其与输水隧洞相交位置，需在地表布设钻孔对该断层进行地质勘探。然而，断层附近的隧洞上方存在多处建筑物，这些建筑物阻碍了铅直钻孔布设位置的有效选择，因而布设倾斜钻孔ZK01对该断层进行勘探。

3.2 计算及投影结果

根据P1点地质测绘测得断层F倾向为35°、倾角β=46°；通过对ZK01孔的钻孔测斜，得到钻孔倾角β=55°，倾向219°；根据输水隧洞走向，确定所需地质剖面走向11°，计算得到钻孔倾斜方向与所需地质剖面之间的夹角α=28°，断层走向与所需地质剖面之间的夹角γ=66°；对倾斜钻孔ZK01进行地质编录，得到钻孔揭露断层起始深度L=56.4 m，终止深度L=82.1 m。

依据公式（1）计算得到所需地质剖面上倾斜钻孔ZK01的投影倾角β′=53°，依据公式（2）计算得到所需地质剖面上断层F的起始投影深度L′=58.16 m，终止投影深度L′=84.66 m。根据断层的产状信息及所需地质剖面的走向，计算得到断层在所需地质剖面上的视倾角β′约为43°。

根据以上计算得到的钻孔投影倾角、断层的起始投影深度和终止投影深度以及断层的视倾角，在地质剖面上画出钻孔投影迹线及地质体的位置和展布形态，如图6所示。由图可知，如在ZK01位置布设铅直钻孔，则至少需要77 m才能钻遇断层F，至112.7 m揭穿该断层。倾斜钻孔勘探比铅直钻孔节省了近20 m钻孔进尺。

引江补汉工程输水隧洞具有线路长、埋深大、地层岩性及构造复杂多样等特点，沿线地形条件复杂，断层以中至陡倾角为主。目前为止，在隧洞穿越黄陵断穹及其周缘盖层区，已利用倾斜钻孔完成对超过14个区域断层的地质勘察，并以前述方法把钻孔揭露的地质信息投影到所需地质剖面上。

4 适用性分析

在地形条件复杂、埋深大等困难条件下，常规铅直钻孔勘探在特殊区域条件下难以实施，并且往往具有无效钻进较多、施工周期长、效率低、成本高等不足。倾斜钻孔可以适应各种复杂场地环境，不仅能有效节省钻孔进尺，还能克服软硬物质界面附近铅直钻井易顺层倾斜而使地层假厚度增加、有效孔深减小的弊端。

然而，在倾斜钻孔钻进过程中，需及时校正孔深和斜孔角度，并采取措施确保可以探到目的地质界面。必要时可以进行全孔测斜，按钻孔斜率进行分段，此时前述公式（2）和（4）中L和L则是以该孔段轴线与剖面的交点为起始点计算钻孔揭露地质体深度。

此外，地质条件复杂情况下，倾斜钻孔易发生孔内事故。特别是当岩体强度低、破碎，或钻遇溶洞、暗河等时，易发生塌孔、掉钻，孔内电视录像不易完成。此时，良好的钻孔取心率及岩心编录对于判断地质界面的位置尤为重要。

5 结 语

通过对任意方位角和倾角的倾斜钻孔及其与所需地质剖面空间关系的研究，提出一种把倾斜钻孔揭露地质信息投影到所需地质剖面上的方法，能够实现在倾斜钻孔的倾斜方向与所需地质剖面走向不一致的条件下，将倾斜钻孔揭露的地质信息准确投影到所需地质剖面上，以达到有效利用勘探钻孔、获得符合实际地质特征的地质剖面的目的。引江补汉工程勘察的应用实例表明，使用该方法进行倾斜钻孔勘探，不仅可以有效克服地表复杂的钻探施工环境，而且能提高勘察效率、降低勘探工作量、节约勘察成本。

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（编辑：高小雲）

Applied research on method of projecting geological information

revealed by inclined drilling into geological profileREN Ziqiang，JIA Jianhong，XU Qi，ZHANG Guangsha，YE Jian，XUE Yongming

（1.Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.，（Wuhan），Wuhan 430074，China； 2.Key Laboratory of Water Grid Project and Regulation of Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China）

Abstract： In order to study the application of inclined drilling for overcoming the restriction of drilling construction environment. Based on study of the spatial relationship between inclined borehole and required geological profile，a method was proposed to project the geological information revealed by inclined drilling to the required geological profile. Under the condition that the inclination direction of the inclined borehole was inconsistent with the required geological profile direction，by projecting and converting the starting and ending positions of the geological information exposed by inclined borehole，a profile that conformed to the actual geological characteristics can be obtained. The method was applicated in engineering investigation of Water Diversion Project from Changjiang River to Hanjiang River in Middle Route Project of South-to-North Water Diversion. The results showed that this method can effectively obtain geological information by inclined borehole. The application of the method in inclined drilling exploration can not only effectively overcome the complex drilling construction environment on the surface，but also reduce the exploration penetration，improve the exploration efficiency and save the exploration cost．

Key words：  inclined drilling；drillhole survey；information revealed by drilling；geological profile；Water Diversion Project from Changjiang River to Hanjiang River