川藏鐵路超深水平(定向)鉆孔孔內(nèi)測試的工程應(yīng)用

陳 婷

(陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西 西安 710003)

1 引 言

工程勘察的重要特征是鉆探成孔后，需要進行多種孔內(nèi)測試[1]，以獲得更加豐富的勘察數(shù)據(jù)和成果，從而更好地服務(wù)綜合勘察研究，為工程設(shè)計提供翔實、可靠的地勘資料，保障鐵路安全、優(yōu)質(zhì)的建設(shè)。

川藏鐵路[2]地處高原山區(qū)，高山峽谷、地勢陡峭、高原海拔(3 000～5 500 m)、高寒缺水、交通不便、生態(tài)脆弱，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，部分鉆孔無法到達隧道洞身垂直地面投影位置，因此采用了定向鉆探技術(shù)[3]進行勘探。隨著定向鉆探技術(shù)在川藏鐵路地質(zhì)勘察中的投入使用, 水平(定向)鉆孔的孔內(nèi)測試成為亟需解決的問題。本文以川藏鐵路察達隧道2CDSPZ-4#定向孔為例，介紹了川藏鐵路所運用的水平(定向)鉆孔孔內(nèi)測試方案。

2 工程概況

2.1 地形地貌

川藏鐵路昌都至林芝段位于青藏高原東南部[4]，地貌形態(tài)主要受青藏高原地貌隆升的影響，總體地勢西高東低。地勢急劇隆升抬起，河流快速強烈下切，為典型的“V”字型高山峽谷地貌(圖1)；地貌形態(tài)主要以丘狀高原及構(gòu)造侵蝕形成的深切峽谷地貌為其總體特征。自東向西地貌單元可劃分為橫斷山高山峽谷區(qū)及藏東南高山峽谷區(qū)兩個地貌單元。

圖1 新建鐵路川藏線昌都至林芝段沿線地形地勢示意圖Fig.1 Topographic map of Changdu-Linzhi section of new Sichuan Tibet Railway

2.2 地質(zhì)概況

川藏鐵路所處區(qū)域是新構(gòu)造運動最為活躍的區(qū)域之一，沿線地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜[5]。地層時代從震旦系至新生界均有分布。砂巖、板巖、千枚巖為主的沉積巖、變質(zhì)巖；以花崗巖為主的侵入巖；以灰?guī)r為主的可溶巖為鐵路沿線主要巖性分布。沿線以板塊縫合帶、地殼拼接帶等深大斷裂集中的區(qū)域構(gòu)造格架。縫合帶、拼接帶區(qū)內(nèi)斷裂成束，密集發(fā)育，地塊內(nèi)斷裂、褶皺均有發(fā)育。

3 水平(定向)鉆孔孔內(nèi)測試方法

水平(定向)孔一般沿隧道走向或與小角度相交布設(shè)，成孔后的測試工作有利于分析鉆孔內(nèi)物性參數(shù)及地應(yīng)力信息。川藏鐵路孔內(nèi)測試工作分為孔內(nèi)綜合測試、超聲成像測試及地應(yīng)力測試三部分?？變?nèi)綜合測試、超聲成像測試的難點在于測試探管推送至測試段落；地應(yīng)力測試的難點地應(yīng)力測量方法。

3.1 綜合測井

水平(定向)孔綜合測試[6]主要有泵出法水平井測井系統(tǒng)[7]、鉆桿輸送式水平井測井系統(tǒng)[8]、撓性管輸送方式[9]、隨鉆測井四種類型儀器設(shè)備[10]。根據(jù)綜合分析后存儲式綜合測井設(shè)備適用于川藏鐵路水平(定向)孔綜合測試。

3.2 成像測試

水平(定向)孔成像測試[11]主要有超聲成像[12]和孔內(nèi)電視成像[13]兩種類型的儀器設(shè)備。此次川藏鐵路水平(定向)孔成像測試采用超聲成像測試，由于超聲成像測試數(shù)據(jù)量較大，并無存儲式超聲成像設(shè)備[14]，在川藏鐵路水平(定向)孔測試中選擇有纜設(shè)備，通過改進泵出法推進裝置進行測試。

3.3 地應(yīng)力測試

地應(yīng)力測試[15]主要有水壓致裂法[16]、應(yīng)力解除法[17]、非彈性應(yīng)變恢復(fù)法[18]、光纖地應(yīng)力測試[19]四種類型的儀器設(shè)備。

水壓致裂法是常用的垂直孔地應(yīng)力測試方法，但水平(定向)孔進行測試時，封隔器、印模器與鉆孔孔壁摩擦，導(dǎo)致封隔器、印模器損壞無法測試。

應(yīng)力解除法理論上符合水平(定向)孔測試，但需要將空心包體傳送至鉆孔底部，成功率較低，目前有報道的成功案例為水平孔60 m左右。

光纖地應(yīng)力測試主要應(yīng)用于地應(yīng)力監(jiān)測，測試結(jié)果為地應(yīng)力的相對變化值，絕對地應(yīng)力值測量還處于研發(fā)過程中。

經(jīng)對比分析，此次川藏鐵路水平(定向)孔地應(yīng)力測試采用非彈性應(yīng)變恢復(fù)法。地應(yīng)力方向采用超聲成像技術(shù)進行判識[20]。

4 水平(定向)孔測試工程應(yīng)用

4.1 察達隧道2CDSPZ-4#定向孔綜合測井

4.1.1 鉆孔地質(zhì)情況

表層主要為第四系崩坡積碎石土、塊石土，下伏基巖主要為燕山期二長花崗巖。巖體節(jié)理、基巖裂隙水較發(fā)育。川藏線察達隧道2CDSPZ-4#定向孔設(shè)計孔深720.00 m，實際孔深720.7 m，完成測試深度為717.9 m。其中測斜深度為709.98 m;超聲成像測試深度706 m；地應(yīng)力測試6段。

4.1.2 測井分析及解釋

根據(jù)自然伽馬、視電阻率、聲波速度、井徑及井溫曲線綜合分析。其中井斜測量主要測試視準線與其水平視線之間的夾角。電阻率測井主要參數(shù)為電位電阻率，其中電位電阻率測量采用雙極供電倒裝電位電極系。聲波測井所測參數(shù)為聲波時差。利用所獲得的聲波時差數(shù)據(jù)進行運算得出地層的聲波速度。波速計算結(jié)果反映出：對于同一巖性的地層，巖層有裂隙、破碎時聲波速度變小；對于不同巖性而言，地層越致密，聲波速度越大，地層越松散，聲波速度越小。

通過綜合測井各項曲線分析(圖2，圖3)，對察達隧道2CDSPZ-4#鉆孔的巖體完整性、裂隙發(fā)育程度進行解釋，提供各地層視電阻率、自然伽馬、鉆孔井溫、地層聲波速度、井徑等測井參數(shù)，為隧道圍巖類別劃分、力學分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及依據(jù)。

圖2 察達隧道2CDSPZ-4#鉆孔傾斜剖面Fig.2 Inclination profile of borehole 2CDSPZ-4 of Chada tunnel

圖3 察達隧道2CDSPZ-4#鉆孔平面投影Fig.3 Plane projection of borehole 2CDSPZ-4 of Chada tunnel

4.2 察達隧道2CDSPZ-4#定向孔超聲成像測試

在察達隧道2CDSPZ-4#鉆孔內(nèi)，開展了超聲波成像測量，確定鉆孔井斜、鉆孔裂隙發(fā)育程度及對巖體完整性做出評價。

4.2.1 超聲成像測試原理

聲學成像是專為鉆孔壁提供定性圖像的設(shè)備，由于它采用超聲波而不是可見光，因此優(yōu)點在于可在渾濁的孔內(nèi)進行測試，缺點為在干孔內(nèi)無法完成測試，測試結(jié)果為孔內(nèi)井液超聲波波速成像結(jié)果，無法直接進行巖性識別與分層，主要反應(yīng)鉆孔裂隙發(fā)育程度和圍巖完整性特征。

超聲波成像能夠?qū)崟r顯示井壁的圖像及井軸的傾向、傾角。但是要得到鉆孔所穿過的巖層(或巖石節(jié)理)的傾向、傾角，則必須進行相應(yīng)的處理。

4.2.2 超聲成像測試數(shù)據(jù)分析解釋

本次工作在鉆孔中利用孔內(nèi)超聲波成像測試系統(tǒng)對巖體結(jié)構(gòu)及巖體質(zhì)量進行探測分析。成果圖像的方位代表鉆孔孔壁真實的方位，圖中所解釋的結(jié)構(gòu)面裂隙的傾向和傾角都已經(jīng)由視傾角轉(zhuǎn)換成真傾角(圖4)。

根據(jù)超聲波解譯圖像的結(jié)果，對結(jié)構(gòu)面傾向、傾角、密度和張開裂隙度等進行統(tǒng)計，結(jié)合鉆孔巖芯地質(zhì)編錄信息，將鉆孔所在巖層劃分為巖體破碎帶、節(jié)理密集帶、節(jié)理較密集帶和巖體較完整帶(圖5)。

圖5 孔內(nèi)超聲成像影像成果(部分)Fig.5 Image results of in hole ultrasound imaging (part)

超聲波成像系統(tǒng)測量井斜是基于三軸磁定向傳感器和三軸加速度計實現(xiàn)，提供每個采集深度上鉆孔的傾角、傾向，從而獲得完整鉆孔的井斜成果，即井軸水平面投影圖、井軸任意垂直平面投影圖，實現(xiàn)鉆孔空間形態(tài)的直觀展示。

4.3 察達隧道2CDSPZ-4#定向孔地應(yīng)力測試

4.3.1 滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法原理

滯彈性應(yīng)變恢復(fù)法(ASR法)[10]是基于巖心滯彈性應(yīng)變恢復(fù)測試的一種深部應(yīng)力測試的新方法。其原理是基于巖石的流變性。巖石是一種黏彈性體，具有流變性。當巖心被鉆出后，即脫離應(yīng)力場的作用，巖心卸荷。首先發(fā)生彈性應(yīng)變恢復(fù)，稱為瞬時彈性；隨后發(fā)生隨著時間而逐漸恢復(fù)的應(yīng)變，稱為滯彈性應(yīng)變；最后根據(jù)巖心滯彈性應(yīng)變恢復(fù)量，確定三維原地應(yīng)力狀態(tài)。

4.3.2 測段選擇

根據(jù)現(xiàn)場巖心完整性及施工進尺，先后采集6段巖心開展了ASR法地應(yīng)力測試工作，布置參數(shù)見表1。

表1 測試段布置

4.3.3 滯彈性應(yīng)變數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集

測點巖心時效性應(yīng)變現(xiàn)場采集測試持續(xù)時間為10天左右，使用時效性應(yīng)變采集器可采集和存儲現(xiàn)場巖心時效性應(yīng)變數(shù)據(jù)。滯彈性應(yīng)變隨時間變化趨勢基本保持一致，巖心從原位狀態(tài)解除提鉆后，時效性應(yīng)變初期變化迅速，測試后期基本保持不變，3～7天內(nèi)時效性應(yīng)變達到穩(wěn)定峰值。

4.3.4 溫度標定

由于現(xiàn)場巖心在取芯和貼片時巖心溫度產(chǎn)生較大變化，因此需要通過溫度標定實驗各個應(yīng)變片的溫度系數(shù)。通過熱敏電偶記錄的數(shù)據(jù)，求出巖心表面溫度變化，再根據(jù)標定所得的各通道溫度系數(shù)，剔除由溫度引起的滯彈性應(yīng)變測量過程中的溫度應(yīng)變誤差。

根據(jù)此標定及擬合曲線(圖6)，最終得到溫度通道的溫度系數(shù)為2 811 ℃。應(yīng)變通道的標定結(jié)果如表2所示。

圖6 采集儀溫度標定及擬合曲線Fig.6 Temperature calibration and fitting curve of acquisition instrument

表2 各通道溫度系數(shù)標定結(jié)果Table 2 Calibration results of temperature coefficient of each channel

4.3.5 恒載試驗

恒載試驗系統(tǒng)包括液壓加載子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。液壓加載子系統(tǒng)用于對現(xiàn)場采集巖芯進行長期恒載加壓，加載方式為連續(xù)或分級雙向加載，使巖芯產(chǎn)生滯彈性。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)用于對加載或卸載后巖芯產(chǎn)生的滯彈性應(yīng)變及相應(yīng)的巖芯壓力信號進行實時采集。測試段試件柔度標定數(shù)據(jù)見表3。

表3 測試段試件柔度標定數(shù)據(jù)

4.3.6 數(shù)據(jù)處理

1)滯彈性應(yīng)變溫度修正

ASR采集儀記錄的各通道應(yīng)變，剔除采集過程中溫度變化產(chǎn)生的溫度應(yīng)變后，即得到修正的計算應(yīng)變。經(jīng)溫度修正后的滯彈性應(yīng)變—時間曲線如圖7所示。

圖7 測段6滯彈性應(yīng)變恢復(fù)曲線Fig.7 Recovery curve of inelastic strain in test section 6

由圖7可知，巖心從原位狀態(tài)解除提鉆后，滯彈性應(yīng)變隨時間逐漸恢復(fù)。在卸載初期，應(yīng)變梯度較大，應(yīng)變恢復(fù)較快；中期應(yīng)變梯度變小，應(yīng)變恢復(fù)較慢；后期時效性應(yīng)變基本趨于穩(wěn)定峰值。

2)滯彈性應(yīng)變恢復(fù)柔度標定與計算

根據(jù)巖心滯彈性單軸恒載試驗，可以獲取體積模式和剪切模式滯彈性應(yīng)變恢復(fù)柔度及柔度比。

3)滯彈性主應(yīng)變大小及方向計算

經(jīng)溫度修正后的滯彈性應(yīng)變穩(wěn)定值代入計算軟件中，即可得出滯彈性主應(yīng)變的大小及方向余弦。

4)滯彈性主應(yīng)力計算

根據(jù)滯彈性應(yīng)變恢復(fù)的3個主應(yīng)變的大小和方向，即可計算3個主應(yīng)力的大小和方向(表4)。

表4 ASR法地應(yīng)力計算結(jié)果

4.3.7 資料成果

由鉆孔應(yīng)力測試結(jié)果可知：

1)在傾斜進尺204.21～707.22 m，豎直埋深152.0～504.1 m范圍內(nèi)，最大主應(yīng)力值為5.68～18.39 MPa，最小主應(yīng)力值為3.24～10.93 MPa。

2)最大主應(yīng)力平均側(cè)壓力系數(shù)為1.43，最小主應(yīng)力平均側(cè)壓力系數(shù)為0.69。三個主應(yīng)力大小關(guān)系為：SH>SV>Sh，反映了較強的現(xiàn)今水平構(gòu)造應(yīng)力作用的特點。

3)基于震源機制和水壓致裂法的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，該測段地應(yīng)力場以水平應(yīng)力為主，主構(gòu)造應(yīng)力的方向為NE向。

5 結(jié) 論

1)本文提出了工程勘察行業(yè)超深水平(定向)孔孔內(nèi)測試無纜隨鉆技術(shù)進行綜合測井，泵出法進行超聲波成像測試，非彈性應(yīng)變恢復(fù)法進行地應(yīng)力測試的技術(shù)方案。該方案成功應(yīng)用于察達隧道2CDSPZ-4#定向孔的測試，并取得了較好的效果，有效縮短測試時間及降低測試難度，提高工作效率及測試安全性,為工程勘察行業(yè)后續(xù)的超深水平(定向)孔孔內(nèi)測試積累了經(jīng)驗；

2)超聲成像技術(shù)的應(yīng)用可以有效地彌補非彈性應(yīng)變恢復(fù)法地應(yīng)力測試的無法提供地應(yīng)力方向的問題，獲取完整的地應(yīng)力數(shù)據(jù)；

3)超聲成像技術(shù)、孔內(nèi)測試技術(shù)的綜合應(yīng)用對于傾斜鉆孔巖性深度的校正是有效的，同時可以提供隧道洞身范圍內(nèi)巖體的物性特征、含水層和鉆孔裂隙發(fā)育方向的判識。