超長距離水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在隧道精準(zhǔn)地質(zhì)勘察的研究及應(yīng)用

馬保松， 程 勇， 劉繼國， 朱冬林， 閆雪峰， 趙 強(qiáng)

(1. 中山大學(xué)土木工程學(xué)院, 廣東 珠海 519082； 2. 廣東省地下空間開發(fā)工程技術(shù)研究中心, 廣東 廣州 510275； 3. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室, 廣東 珠海 519080； 4. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢 430056； 5. 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

0 引言

隧道勘察的目的是查明隧道所處位置的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及隧道施工和運(yùn)營對環(huán)境的影響，為規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工提供所需的勘察資料，并對存在的巖土工程問題、環(huán)境問題進(jìn)行分析評價(jià)，提出合理的設(shè)計(jì)方案和施工措施，使隧道工程施工經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。但是，傳統(tǒng)的垂直鉆孔地質(zhì)勘察方法用于類似川藏地區(qū)的高海拔、大埋深等惡劣環(huán)境條件時(shí)，存在以下不足： 1)鉆孔離散，偏差較大，不能真實(shí)、全面地反映地層特性； 2)勘察孔布點(diǎn)間斷，在特殊環(huán)境、特殊區(qū)域無法實(shí)施； 3)無效鉆進(jìn)較多，浪費(fèi)巨大； 4)施工周期長、效率低、成本高。

因此，急需一種變革性的地質(zhì)勘察技術(shù)來改變目前隧道工程地質(zhì)勘察的現(xiàn)狀，而水平定向鉆進(jìn)技術(shù)正好是解決上述問題的適用技術(shù)。該技術(shù)目前主要應(yīng)用于管道鋪設(shè)，其施工過程包括鉆導(dǎo)向孔(如圖1所示)、擴(kuò)孔和管道回拖3個(gè)階段[1]。將水平定向鉆中的鉆導(dǎo)向孔技術(shù)用于長大隧道工程地質(zhì)勘察，即先沿著隧道設(shè)計(jì)軸線鉆1個(gè)水平定向鉆勘察孔，再在孔內(nèi)進(jìn)行間斷取心、水壓致裂、綜合測井和孔內(nèi)電視等相關(guān)測試技術(shù)，可精確并快速地對隧道設(shè)計(jì)軸線圍巖的巖性變化、斷裂破碎帶的分布以及隧道涌水狀況等進(jìn)行判別。

圖1 HDD導(dǎo)向孔施工示意圖

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于隧道地質(zhì)勘察的時(shí)間較早，但應(yīng)用案例卻不多。在1964年至1981年，日本青函隧道第1次使用小直徑水平定向取心鉆探技術(shù)，共鉆進(jìn)105孔，總長48 000 m，鉆進(jìn)最長距離為2 150 m[2]。挪威對B?mlafjord海底隧道進(jìn)行了長900 m的水平定向取心，在正式施工前成功檢測出一個(gè)深度侵蝕通道，并及時(shí)修改施工方案避免了重大損失[3]。舒彪等[4]論述了水平定向鉆探勘察的技術(shù)優(yōu)勢和可行性，并介紹了有關(guān)的工程案例。陳湘生等[5]、嚴(yán)金秀[6]在論述長大隧道建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)時(shí)，也大力提倡采用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)加孔內(nèi)物探技術(shù)對隧道進(jìn)行地質(zhì)勘察。

綜上所述，利用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)對隧道進(jìn)行地質(zhì)勘察可彌補(bǔ)傳統(tǒng)地質(zhì)勘察存在的不足，目前已得到行業(yè)內(nèi)許多知名專家的認(rèn)可?；诖?，本文以天山勝利隧道為例，重點(diǎn)介紹了水平定向鉆進(jìn)技術(shù)用于隧道地質(zhì)勘察的相關(guān)技術(shù)方案及孔內(nèi)測試方法，并對在天山勝利隧道中取得的勘察成果進(jìn)行了簡要分析。

1 HDD用于隧道地質(zhì)勘察的方案設(shè)計(jì)

利用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)對隧道進(jìn)行地質(zhì)勘察時(shí)，先從隧道入口段沿著隧道設(shè)計(jì)軸線鉆1個(gè)導(dǎo)向孔，導(dǎo)向孔的直徑可根據(jù)后面測試工具的直徑大小進(jìn)行確定，長度可結(jié)合初勘結(jié)果根據(jù)勘察需要來確定。然后在孔內(nèi)進(jìn)行一系列間斷取心、水壓致裂、綜合測井和孔內(nèi)電視等相關(guān)測試，對孔內(nèi)圍巖的巖性參數(shù)信息和地應(yīng)力場分布情況進(jìn)行精準(zhǔn)探察與測量。

1.1 孔內(nèi)測試方案

1.1.1 間斷取心

在導(dǎo)向孔施工的過程中，全斷面破碎導(dǎo)向鉆頭鉆到取心點(diǎn)時(shí)，將孔內(nèi)所有鉆具完全抽出，更換為取心鉆具，并推送至原位進(jìn)行取心鉆進(jìn)；取心完成后，再次抽回孔內(nèi)所有鉆具至孔口，更換為全斷面破碎導(dǎo)向鉆頭繼續(xù)導(dǎo)向鉆進(jìn)，如此往復(fù)，直至完成所有取心工作。其中，取心鉆具的外徑和取心長度應(yīng)與水壓致裂等地應(yīng)力測試裝備相配套。

1.1.2 水壓致裂

每完成一次取心后，利用取心孔進(jìn)行一次水壓致裂試驗(yàn)。將孔內(nèi)鉆具提出后，鉆桿組合不變，將取心鉆具更換為水壓致裂試驗(yàn)裝置，并推送至內(nèi)壁平滑的取心孔內(nèi)進(jìn)行水壓致裂試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，將孔內(nèi)所有鉆桿和設(shè)備抽出至地表。水壓致裂法地應(yīng)力測量的設(shè)備主體主要由上下封隔器組成的封隔系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、測量和記錄系統(tǒng) 3個(gè)部分組成。

1.1.3 綜合測井

在水平定向鉆勘察孔鉆至設(shè)計(jì)孔深之后，即終孔之后，將孔內(nèi)所有鉆桿和設(shè)備抽出，將鉆桿前端更換為無電纜存儲式測井儀器。其中，測井探棒在保護(hù)管內(nèi)。在孔口處設(shè)置開機(jī)時(shí)間，待將測井設(shè)備送至孔底之后將探棒從保護(hù)管內(nèi)彈出，待測井設(shè)備開機(jī)時(shí)，回拖鉆桿并開始檢測，退出孔口即檢測完成?？變?nèi)綜合測井檢測主要利用聲波、自然伽馬、電阻率等對鉆孔圍巖的巖性、孔溫、密度、滲透性及含水率等參數(shù)進(jìn)行檢測。

1.1.4 孔內(nèi)電視

在水平定向鉆勘察孔鉆至設(shè)計(jì)孔深之后，將孔內(nèi)所有鉆桿和設(shè)備抽出，并將鉆桿前端更換為電池存儲式孔內(nèi)視頻檢測儀器，然后從孔口處開機(jī)，利用水平定向鉆鉆桿將儀器緩緩?fù)迫肟椎?，再回拉至孔口，孔?nèi)電視檢測完成。推進(jìn)與回拉過程中盡量保證不打漿、不旋轉(zhuǎn)。其中，電池工作溫度為-15～60 ℃，可連續(xù)工作9 d。

1.2 勘察施工方案流程

HDD用于隧道地質(zhì)勘察的方案設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 HDD用于隧道地質(zhì)勘察的方案設(shè)計(jì)流程

2 HDD用于隧道地質(zhì)勘察的技術(shù)特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)隧道勘察方法，水平定向鉆進(jìn)技術(shù)用于隧道地質(zhì)勘察具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，具體為“超長距離”、“超高精度”、“超快速度”、“超強(qiáng)適應(yīng)能力”，簡稱為水平定向鉆進(jìn)技術(shù)用于隧道地質(zhì)勘察的“四超”特性。

2.1 超長距離

我國于1985年首次從美國引進(jìn)定向鉆進(jìn)技術(shù)用于長輸管道黃河穿越施工[7-9]。經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國水平定向鉆進(jìn)技術(shù)從落后到逐步成熟，穿越距離也越來越長。表1示出我國一些著名的管道穿越工程[10-13]。

目前我國自主研發(fā)的水平定向鉆機(jī)已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，水平定向鉆機(jī)穿越長度最長可達(dá)5 200 m，鉆孔最大埋深120 m左右。

2.2 超高精度

采用水平定向技術(shù)及相關(guān)孔內(nèi)測試技術(shù)可對隧道設(shè)計(jì)軸線圍巖信息進(jìn)行精確劃分。水平定向鉆用于隧道地質(zhì)勘察的精確性可分為2個(gè)部分： 1)鉆進(jìn)過程中導(dǎo)向控向的精度控制； 2)對隧道圍巖地質(zhì)勘察的準(zhǔn)確性。

2.2.1 導(dǎo)向控向的精度控制

水平定向鉆進(jìn)技術(shù)隨鉆測量導(dǎo)向系統(tǒng)(MWD)包括有線導(dǎo)向和無線導(dǎo)向2種。無線導(dǎo)向技術(shù)在中小型水平定向鉆機(jī)中比較常用，在導(dǎo)向孔施工過程中，鉆頭內(nèi)的傳感器發(fā)送電磁信號，接收器將信號處理成深度、定位點(diǎn)、傾斜度和時(shí)鐘值4個(gè)重要信息，并將信號傳送給操作臺上的顯示器[14]。

表1 國內(nèi)著名的管道穿越工程

在超長距離導(dǎo)向鉆進(jìn)過程中，由于受穿越深度的影響，無線導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用受到限制。有線導(dǎo)向技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛。有線導(dǎo)向技術(shù)也稱為隨鉆測量有線導(dǎo)向系統(tǒng)，由孔底系統(tǒng)和地面系統(tǒng)2個(gè)部分組成?？椎紫到y(tǒng)包括無磁鉆鋌、探棒、探棒室、扶正器和無磁延長桿； 地面系統(tǒng)包括控制信號傳輸電纜、數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)化器、司鉆顯示器和數(shù)據(jù)電腦。

控向員通過水平定向鉆MWD實(shí)時(shí)獲取鉆具的姿態(tài)、角度信息(包括深度、傾角、方位角和工具面向角等)，并根據(jù)這些姿態(tài)、角度信息實(shí)時(shí)控制鉆具運(yùn)動方向[15]，從而保證水平定向鉆沿著隧道軸線進(jìn)行鉆探勘察。水平定向鉆具姿態(tài)、角度示意如圖3所示。

圖3 水平定向鉆具姿態(tài)、角度示意圖

2.2.2 隧道圍巖地質(zhì)勘察的準(zhǔn)確性

結(jié)合孔內(nèi)相關(guān)測試可知，水平定向鉆進(jìn)技術(shù)可精確地對隧道設(shè)計(jì)軸線圍巖信息進(jìn)行詳細(xì)勘察，水平定向鉆地質(zhì)勘察的精確性具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)建立水平定向鉆鉆進(jìn)參數(shù)與鉆孔處圍巖的關(guān)聯(lián)性，并結(jié)合巖心的室內(nèi)物理試驗(yàn)和牙輪鉆頭的破巖機(jī)制對隧道圍巖的強(qiáng)度變化進(jìn)行分析，為TBM掘進(jìn)提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2)將傳統(tǒng)地勘取心技術(shù)與水平定向鉆進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)間斷取心，并對巖心進(jìn)行抗壓強(qiáng)度等基本物理量測試，詳細(xì)分析隧道設(shè)計(jì)軸線巖性的基本物理特性，為隧道圍巖分級提供精確的巖性參數(shù)。

3)采用綜合測井技術(shù)中的聲波、自然伽馬、電阻率等對水平勘察孔內(nèi)的圍巖巖性變化進(jìn)行劃分[16]，對孔內(nèi)圍巖溫度、密度、滲透性和裂隙發(fā)育程度等進(jìn)行評價(jià)。

4)采用孔內(nèi)3D電視對水平定向鉆勘察孔進(jìn)行視頻檢測，可直觀地對水平孔內(nèi)的圍巖巖性變化、裂隙發(fā)育以及斷裂破碎帶分布進(jìn)行精確檢測[17]，并可對綜合測井檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行校核。

5)對水平定向鉆勘察孔內(nèi)涌水量的大小進(jìn)行日常測量計(jì)算，并利用計(jì)算結(jié)果分析隧道富水段落的具體位置，進(jìn)而對隧道施工涌水量大小進(jìn)行分段預(yù)測。

此外，若勘察孔內(nèi)有瓦斯、一氧化碳、天然氣、硫化氫等有害氣體溢出，則可利用該孔對有害氣體成分及體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測定[18-19]，判定其對施工安全和人體健康的危害。

2.3 超快速度

水平定向鉆在山體巖層中鉆進(jìn)時(shí)，正常工作情況下單日鉆進(jìn)可達(dá)到幾十m至一兩百m。天山勝利隧道水平定向鉆單日鉆進(jìn)長度如圖4所示。由圖可以看出，共有8 d單日進(jìn)尺在100 m以上，最高單日進(jìn)尺達(dá)到了151 m。

2.4 超強(qiáng)適應(yīng)能力

傳統(tǒng)隧道鉆探勘察方法大多存在鉆機(jī)搬遷困難、難以供水、勞動力較大、極不安全等問題，并且在高海拔、復(fù)雜和特殊的環(huán)境下，運(yùn)輸設(shè)備上山大多要借助索道等工具[20]。傳統(tǒng)隧道鉆探鉆機(jī)布置示意如圖5所示。

圖4 天山勝利隧道水平定向鉆單日鉆進(jìn)長度

圖5 傳統(tǒng)隧道鉆探鉆機(jī)布置示意圖

而采用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)對隧道進(jìn)行勘察時(shí)，無需將鉆探設(shè)備運(yùn)輸至山頂或江河湖海之上，即可全線無盲點(diǎn)沿著隧道設(shè)計(jì)軸線進(jìn)行精準(zhǔn)探查。水平定向鉆地質(zhì)勘察示意如圖6所示。

圖6 水平定向鉆地質(zhì)勘察示意圖

3 工程應(yīng)用

3.1 工程背景

天山勝利隧道工程穿越山體，隧道全長22 km，最大埋深約1 200 m，距離隧道入口處約1 900 m處存在右旋走滑速率為1.4～2.0 mm/a的斷裂破碎帶(見圖7)，斷裂破碎帶影響范圍約為200 m，是隧道施工過程中的控制性地質(zhì)因素。

圖7 隧道入口段約1 900 m處活動斷裂破碎帶

在隧道施工前，需要對沿線工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等信息進(jìn)行詳細(xì)勘察。但是該隧道具有長距離、高海拔、大埋深等特性，傳統(tǒng)垂直鉆探勘察方法很難滿足對該隧道活動斷裂破碎帶的勘察要求。因此，采用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)從隧道入口處沿隧道軸線鉆進(jìn)至斷裂破碎帶位置進(jìn)行地質(zhì)勘察，并結(jié)合間斷取心、水壓致裂、綜合測井及孔內(nèi)電視等測試技術(shù)對鉆孔圍巖的巖性分布、節(jié)理裂隙發(fā)育狀況進(jìn)行分析，并通過水平定向鉆勘察孔的孔內(nèi)涌水對隧道施工中的涌水量進(jìn)行預(yù)測。天山勝利隧道水平定向鉆地質(zhì)勘察軌跡如圖8所示。

圖8 天山勝利隧道水平定向鉆地質(zhì)勘察軌跡圖

3.2 水平定向鉆機(jī)參數(shù)

天山勝利隧道水平定向鉆地質(zhì)勘察工程中采用的水平定向鉆機(jī)為江蘇谷登工程機(jī)械裝備有限公司生產(chǎn)的GD3500-L型鉆機(jī)(見圖9)，具體參數(shù)如表2所示。

圖9 GD3500-L型水平定向鉆機(jī)

表2 鉆機(jī)參數(shù)

3.3 勘察成果

3.3.1 鉆進(jìn)參數(shù)

采用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)對天山勝利隧道進(jìn)行地質(zhì)勘察，鉆進(jìn)長度為2 271 m，現(xiàn)場鉆機(jī)鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)壓力等參數(shù)都有精確的記錄。水平定向鉆鉆進(jìn)速度隨鉆進(jìn)深度的變化曲線如圖10所示。水平定向鉆鉆進(jìn)壓力隨鉆進(jìn)深度的變化曲線如圖11所示。

圖10 水平定向鉆鉆進(jìn)速度隨鉆進(jìn)深度的變化曲線

圖11 水平定向鉆鉆進(jìn)壓力隨鉆進(jìn)深度的變化曲線

3.3.2 巖心

將水平定向鉆進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)提鉆取心技術(shù)結(jié)合，分別在1 003 m和1 900 m左右處進(jìn)行了2次取心。圖12示出1 900.29～1 902.49 m處取得的巖心實(shí)物圖。巖心為花崗閃長巖，長2.2 m，巖心采取率為95%，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD為48%，巖心較為破碎。

圖12 1 900.29～1 902.49 m處取得的巖心實(shí)物圖

3.3.3 孔內(nèi)電視高清視頻

采用電池存儲式孔內(nèi)視頻檢測儀器對2 271 m長的鉆孔進(jìn)行全程高清視頻錄像。根據(jù)視頻資料可對孔內(nèi)圍巖的巖性變化、節(jié)理裂隙發(fā)育程度以及斷裂破碎帶的分布范圍進(jìn)行精確劃分?？變?nèi)電視圍巖分析高清圖如圖13所示。

(a) 碳質(zhì)板巖與花崗閃長巖巖性分界面

(b) 斷裂破碎帶核心位置片麻狀花崗巖裂隙發(fā)育狀況

(c) 孔內(nèi)巖壁涌水氣泡實(shí)物圖

4 結(jié)論與建議

本文主要對用于隧道地質(zhì)勘察的水平定向鉆進(jìn)相關(guān)技術(shù)方案及測試方法進(jìn)行了研究，重點(diǎn)突出了水平定向鉆進(jìn)技術(shù)用于隧道地質(zhì)勘察的優(yōu)勢，并結(jié)合天山勝利隧道水平定向鉆地質(zhì)勘察工程應(yīng)用實(shí)例對該技術(shù)方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1)水平定向鉆進(jìn)技術(shù)具有超長距離、超高精度、超快速度和超強(qiáng)適應(yīng)能力的“四超”技術(shù)特點(diǎn)。

2)利用間斷取心、水壓致裂、綜合測井和孔內(nèi)電視等測試技術(shù)可以對隧道設(shè)計(jì)軸線圍巖的巖性變化、節(jié)理裂隙發(fā)育程度、斷裂破碎帶的分布范圍進(jìn)行精確探查，還可對隧道施工涌水量大小進(jìn)行預(yù)測、對隧道圍巖級別進(jìn)行精確劃分。

3)結(jié)合天山勝利隧道水平定向鉆地質(zhì)勘察工程應(yīng)用實(shí)例可知，水平定向鉆進(jìn)技術(shù)用隧道地質(zhì)勘察可行且高效。

4)雖然水平定向鉆進(jìn)技術(shù)用于隧道地質(zhì)勘察可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)地質(zhì)勘察存在的鉆孔離散、無效鉆進(jìn)多及浪費(fèi)巨大等問題，但目前水平定向鉆進(jìn)與孔內(nèi)各種測試之間的配合仍需進(jìn)一步研究。