高原鐵路水平定向試驗(yàn)孔施工概況和關(guān)鍵技術(shù)

吳金生，羅顯粱*，徐正宣，劉建國，黃曉林，石紹云，陳永東，古學(xué)超

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；3.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局川西北地質(zhì)隊(duì)，四川綿陽 621000）

1 鉆孔目的及意義

川藏鐵路位于青藏高原東南部，沿線山高谷深，人跡罕至，線路穿越橫斷山、念青唐古拉山等山脈，跨越大渡河、雅礱江、金沙江、雅魯藏布江等河流，具有“顯著的地形高差”、“強(qiáng)烈的板塊活動”、“頻發(fā)的山地災(zāi)害”、“脆弱的生態(tài)環(huán)境”四大特點(diǎn)，勘察難度前所未有［1-3］。

沿線隧道頂部地勢險(xiǎn)峻，山高坡陡，交通條件極差，豎向深孔勘探無法實(shí)施［4］。根據(jù)調(diào)查研究，采用超深水平定向鉆探技術(shù)能夠克服地形困難，減少搬遷，保護(hù)生態(tài)，同時彌補(bǔ)混雜陡傾巖層豎向鉆探技術(shù)的缺點(diǎn)，改變過去垂直“點(diǎn)”勘察為“線”勘察，能夠直接模擬隧道施工階段洞身沿隧道地質(zhì)情況，提高勘察效率，為隧道施工提出合理建議［5-6］。

針對川藏鐵路超深水平孔取心定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備難題，筆者開展了千米級水平繩索取心定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備研發(fā)，創(chuàng)新了水平繩索取心定向鉆進(jìn)技術(shù)，聯(lián)合相關(guān)施工單位，利用自主研發(fā)的水平繩索取心鉆機(jī)在川藏鐵路新都橋-理塘段卡子拉山一號隧道DZ-卡子拉山一號-定向?qū)嶒?yàn)-01孔開展小直徑超深水平繩索取心定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備應(yīng)用示范工程。

2 鉆孔施工簡述

該水平孔地理位置位于雅江縣西俄洛鎮(zhèn)俄洛堆村，高程3629.039 m，鉆孔鉆進(jìn)方位237°，與鐵路走向一致。鉆孔整體位于三疊系上統(tǒng)雅江組二段地層，區(qū)域出露有滑坡堆積體、變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖及斷層角礫。巖層產(chǎn)狀N60°W/50°～60°SW，故鉆孔方向與巖層近垂直。水平鉆孔揭露節(jié)理密集帶19處，合計(jì)寬約70 m，單個節(jié)理密集帶寬1～12 m不等，節(jié)理帶中巖心外觀呈塊狀、碎塊狀，鉆進(jìn)中極易出現(xiàn)卡鉆、堵心等事故。鉆孔揭露到3條斷層，斷層充填物為角礫狀，軟塑，斷層影響帶較窄，其中第三條端泥隆斷裂對鉆孔施工影響較大。

該水平孔于2020年7月26日開鉆，開孔直徑145 mm，采用?139.7 mm同徑鉆桿提鉆取心，泥漿護(hù)壁鉆進(jìn)，鉆穿覆蓋層至48 m后結(jié)束一開施工，下? 139.7 mm套管，水泥固井。二開采用?122 mm水平繩索取心鉆進(jìn)，?114 mm繩索取心鉆桿，鉆進(jìn)至52.1 m地層發(fā)生涌水現(xiàn)象，后涌水量增大，嚴(yán)重破壞泥漿性能，改用清水鉆進(jìn)。427～544 m為節(jié)理密集帶，地層較破碎，鉆進(jìn)至588.0 m后，下?114 mm鉆桿作套管，結(jié)束二開施工。三開采用?95.5 mm水平繩索取心鉆進(jìn)，?89 mm繩索取心鉆桿。最大涌水量達(dá)60 m3/h。610 m處鉆遇斷裂帶，存在嚴(yán)重的垮孔、憋泵現(xiàn)象。鉆進(jìn)至974.15 m后，下入?89 mm鉆桿作為套管，結(jié)束三開施工。四開采用?75.5 mm水平繩索取心鉆進(jìn)，?71 mm繩索取心鉆桿。鉆進(jìn)至1212 m時，地層特別破碎，進(jìn)尺較慢，且卡鉆、掉心等情況嚴(yán)重?？紤]已經(jīng)達(dá)到了鉆探目標(biāo)，繼續(xù)鉆進(jìn)容易產(chǎn)生垮孔埋鉆等孔內(nèi)事故導(dǎo)致廢孔，決定終孔。終孔孔深1212.00 m。鉆孔完鉆孔身結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 完鉆孔身結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Completion structure of the hole

根據(jù)工程技術(shù)要求及《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》（DZ/T 0227—2010），對鉆孔質(zhì)量六大指標(biāo)進(jìn)行了考核評價(jià)。孔底頂角80.93°，頂角變化0.76°/100 m，方位角變化＜1°；全孔平均巖心采取率為97.76%，覆蓋層采取率約為93%，基巖鉆進(jìn)中即使鉆遇大型斷裂破碎層，巖心采取率也高達(dá)98.00%，完全滿足施工設(shè)計(jì)中完整基巖巖心采取率≮85%的要求，巖心采取率極高，具體采取率見表1。鉆孔施工過程中，開孔50 m處、每百米及終孔后都進(jìn)行了鉆孔孔深校正，終孔孔深誤差0.03 m；鉆孔按照水文地質(zhì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了簡易水文觀測；所有鉆孔原始報(bào)表全面真實(shí)地反映生產(chǎn)情況，現(xiàn)場及時填寫，均有當(dāng)班人員簽字并做到準(zhǔn)確、詳細(xì)、整潔；終孔采用標(biāo)號42.5 MPa水泥漿灌注法進(jìn)行全孔封閉，注漿完畢后設(shè)置了水面墻面鋼板焊接作為鉆孔標(biāo)志牌，并標(biāo)注有孔號、開孔終孔日期以及孔深。綜上所述，該孔質(zhì)量綜合評價(jià)優(yōu)秀，鉆孔剖面如圖2所示。

表1 巖心采取率情況Table 1 Core recovery data

圖2 鉆孔剖面Fig.2 Borehole profile

本孔于2020年12月2日完鉆，完鉆孔深1212.00 m，扣除停工場地建設(shè)時間，鉆進(jìn)周期2492 h（折合103.83 d，3.46臺月），時效分析如圖3所示。全孔進(jìn)尺1212.00 m，平均機(jī)械鉆速3.09 m/h，實(shí)際臺月效率350.29 m。

隨著舒適化醫(yī)療以及微創(chuàng)技術(shù)的推廣，宮腔鏡手術(shù)已成為臨床婦科疾病的主要治療手段之一。此類手術(shù)多選擇在靜脈全身麻醉下實(shí)施。急性水中毒是宮腔鏡手術(shù)麻醉期間非常嚴(yán)重的并發(fā)癥，據(jù)國內(nèi)外報(bào)道，宮腔鏡手術(shù)期間急性水中毒的發(fā)生率為0.17%～0.20%[1-2]，一旦發(fā)生由于沒有準(zhǔn)確及時的早期預(yù)測和判斷，將給患者帶來致命的傷害。該研究對圍術(shù)期末梢血血糖監(jiān)測用于宮腔鏡手術(shù)水中毒的發(fā)生進(jìn)行早期預(yù)測的可行性進(jìn)行研究，力求找到一種操作簡便、安全有效、有良好特異性的早期預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)早期確診及時治療的目的。該院對2016年1—8月在靜脈麻醉下行婦科宮腔鏡手術(shù)治療的患者200例進(jìn)行圍術(shù)期血糖監(jiān)測，現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

圖3 全孔時效分析Fig.3 Analysis of drilling time efficiency

施工日程如圖4所示。一開時間7月26日—8月29日（包括場地標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)），二開時間8月29日—9月30日，三開時間9月30日—11月8日（包括停工整頓），四開時間11月8日—12月2日。

圖4 施工日程Fig.4 Drilling progress

3 采用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 水平孔防斜測斜技術(shù)

超深水平定向鉆探鉆具的回轉(zhuǎn)軸線與自身重力方向不在一條直線上，受堅(jiān)硬地層或巖層產(chǎn)狀影響，鉆具在孔口壓力作用下，一般產(chǎn)生向上偏斜，在地層較軟或鉆遇斷層破碎帶時，一般產(chǎn)生向下偏斜［7］。

為防止鉆孔偏斜，一是把好開孔關(guān)，固定好鉆機(jī)，鉆機(jī)基礎(chǔ)采用C20混凝土澆筑，厚度80 cm，采用?32 mm螺紋鋼將鉆機(jī)與地基錨固；二是加長粗徑鉆具，以剛保直，開孔全部采用?139.7 mm鉆桿同徑提鉆取心鉆具，取心鉆進(jìn)至48.0 m，鉆具剛性強(qiáng)度高，不易偏斜；三是減小環(huán)空間隙，以滿保直，一開采用?145 mm鉆頭，采用?139.7 mm鉆桿，環(huán)空間隙比一般情況小，其他開次不增大鉆頭外徑尺寸，鉆孔軌跡不易偏斜；四是換徑時采用導(dǎo)向鉆具，一開、二開鉆進(jìn)完成后，采用導(dǎo)向鉆進(jìn)措施，在下套管之前，將原有鉆具前面連接0.6 m左右的下一級鉆具，輕壓鉆進(jìn)0.4～0.6 m，為下一級鉆進(jìn)開好導(dǎo)向孔，再下套管，導(dǎo)向鉆具如圖5所示；五是采用高轉(zhuǎn)速、低鉆壓鉆進(jìn)工藝參數(shù)，鉆壓較大時，地層堅(jiān)硬，鉆孔頂角一般會上漂；六是取心鉆進(jìn)時選用高胎體、低胎體硬度的鉆頭［8］，高胎體可以增加鉆頭導(dǎo)向性，低胎體硬度便于金剛石出刃，增加鉆進(jìn)速率，有利于鉆孔按設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)。

圖5 導(dǎo)向鉆具Fig.5 Pilot drilling tool

目前在川藏鐵路鉆孔中，測斜儀器大多放在鉆桿內(nèi)，受磁性干擾難以測出鉆孔方位。水平孔測斜更加困難，儀器很難送到孔底。該水平孔采用探礦工藝所研制的CAV-1型存儲式測斜儀，可同時測量鉆孔頂角和方位角，屬于多點(diǎn)測斜儀，采用鋰電池供電、自動存儲方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，取消了測井電纜的配置［9］。

測斜儀的投送：該儀器為存儲式鉆孔測斜儀，無需電纜投送，對于水平鉆孔，采用3種方式進(jìn)行投送。

（1）日常測斜時，不需要測方位，為節(jié)省時間，直接采用內(nèi)管打撈裝置將測斜儀投送至孔底。

（2）需要同時測頂角和方位時，采用無磁鋁合金桿件+扶正器原理加長儀器長度（見圖6），將測斜儀伸出鉆具1 m距離以外，避免磁性干擾。為防儀器出鉆具外收不回情況，增加了扶正和限位裝置。

圖6 測斜儀加長投送Fig.6 Running in hole of the inclinometer with extension rods

（3）采用繩索取心鉆桿+無磁鉆桿投送，把測斜儀安裝在無磁鉆桿內(nèi)，和鉆具一起下入孔內(nèi)測斜，如圖7所示，測斜儀在無磁鉆桿內(nèi)不能晃動，密封好，不能讓沖洗液進(jìn)入無磁鉆桿內(nèi)。

圖7 測斜儀無磁鉆桿投送Fig.7 Running in hole of the inclinometer with non-magnetic drill pipes

3.2 涌水封隔導(dǎo)流技術(shù)

水平鉆孔一般涌水量較大，需要處理的沖洗液量較大，從而導(dǎo)致環(huán)保壓力大，工人操作環(huán)境較差。現(xiàn)場采用以下幾種方法進(jìn)行處理：一是水泥固井，一開主要為滑坡體覆蓋層，鉆進(jìn)完成后，為防止地下涌水影響滑坡體穩(wěn)定，導(dǎo)致鉆孔發(fā)生偏斜或套管斷裂，下入套管后進(jìn)行水泥固井，便于孔口安裝涌水分離導(dǎo)流裝置。二是采用套管封隔措施，每開次鉆進(jìn)完成后，將鉆桿作為套管留在孔內(nèi)，封隔破碎地層與涌水。三是優(yōu)選高壓泵，平衡孔內(nèi)涌水壓力，采用BW300/16型高壓地質(zhì)泵，泵壓可達(dá)16 MPa，防止孔內(nèi)涌水壓力過大，投送、打撈內(nèi)管困難。四是孔口涌水分離導(dǎo)流，采用涌水導(dǎo)流裝置（如圖8所示），把套管外干凈涌水直接導(dǎo)流出去，減少污水沉淀量，優(yōu)化現(xiàn)場操作環(huán)境。

圖8 孔口導(dǎo)流裝置Fig.8 Flow diversion device at the hole collar

3.3 內(nèi)管投送與打撈技術(shù)

高壓涌水地層進(jìn)行水平繩索取心鉆進(jìn)，內(nèi)管若投送不到位，需要提大鉆，會極大地延誤施工進(jìn)程。為此，制定了嚴(yán)格的施工操作規(guī)程：一是時間控制，同樣泵量，每次投送內(nèi)管時，盡量泵送時間長一點(diǎn)，確保內(nèi)管具有足夠的下行時間。二是低速回轉(zhuǎn)并上下活動鉆桿，內(nèi)管在鉆桿中下行運(yùn)動，因鉆孔彎曲或鉆桿內(nèi)不規(guī)則，導(dǎo)致內(nèi)管運(yùn)行阻卡，通過鉆桿回轉(zhuǎn)或上下活動，便于內(nèi)管到位，也有利于排砂。三是手摸鉆桿感覺，當(dāng)內(nèi)管到位時，手摸鉆桿感覺到內(nèi)管到位震擊現(xiàn)象。四是注意泥漿泵柴油機(jī)聲音和泵壓變化，當(dāng)內(nèi)管投送到位時，泵壓升高，柴油機(jī)負(fù)荷變大，聲音變大［10-11］。

打撈內(nèi)管時，采用大泵量高泵壓推送水平內(nèi)管打撈機(jī)構(gòu)，平衡孔內(nèi)涌水壓力，打撈內(nèi)管。內(nèi)管提出孔口后，快速投放已準(zhǔn)備好的另一套內(nèi)管總成。

3.4 復(fù)雜地層鉆頭適應(yīng)性研究

為提高取心鉆頭機(jī)械鉆速和使用壽命，優(yōu)選3個不同的金剛石鉆頭生產(chǎn)廠家；鉆頭水口和切削齒形狀分別為環(huán)形、齒輪形和梯齒形，增大鉆頭水口面積；胎 體 硬 度 設(shè) 計(jì)HRC10～15、HRC15～20、HRC20～25、HRC25～30和HRC30～35五個規(guī)格，金剛石胎體高度8～10 mm，金剛石粒度以粗顆粒為主，根據(jù)地層情況現(xiàn)場進(jìn)行金剛石取心鉆頭優(yōu)選，找到一種適合該地層的高效長壽命繩索取心鉆頭，避免經(jīng)常提大鉆［12］。多種規(guī)格取心鉆頭如圖9所示。

通過取心鉆頭與地層適應(yīng)性優(yōu)選，圖9（c）B廠家環(huán)形金剛石鉆頭更適宜于現(xiàn)場砂板巖地層，該鉆頭胎體硬度為HRC20～25，金剛石顆粒為中—粗顆粒，鉆頭的壽命一般為300～400 m，機(jī)械鉆速一般為3～6 m/h，大大減少繩索取心提大鉆次數(shù)，維護(hù)孔壁穩(wěn)定，提高了臺月效率。

3.5 提高巖心采取率工藝

該水平孔穿越巨型滑坡堆積體，鉆遇深灰-灰黑色炭質(zhì)（砂質(zhì)）板巖、淺灰色變質(zhì)砂巖，中間夾節(jié)理密集帶及斷層角礫巖，炭質(zhì)板巖易水敏水化（如圖10所示），坍塌掉塊，易憋泵。圖11為掃孔取上來的掉塊、水化巖屑。水平鉆孔地下涌水嚴(yán)重，涌水量達(dá)30～60 m3/h以上，泥漿護(hù)壁困難。

圖10 炭質(zhì)板巖水敏水化Fig.10 Water-sensitive hydration of carbonaceous slate

圖11 孔內(nèi)坍塌掉塊Fig.11 Collapsed blocks in the hole

針對不同孔內(nèi)情況，采取如下提高巖心采取率的措施：一開采用?139.7 mm大直徑鉆桿同徑取心鉆進(jìn)，?145 mm鉆頭，減小鉆桿與孔壁環(huán)空間隙，鉆具穩(wěn)定性好，采用高粘高切泥漿體系，護(hù)壁攜巖效果好，取心質(zhì)量好，原狀性好［13］。開展鉆頭與地層適應(yīng)性研究，少提鉆，減少對孔壁擾動，鉆頭使用壽命可達(dá)300～400 m［14］。優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，采用高轉(zhuǎn)速快速鉆進(jìn)，最快機(jī)械鉆速達(dá)6 m/h以上，減少涌水對巖心沖刷。制定操作規(guī)程，保證內(nèi)管投送到位，如三開鉆進(jìn)井段中，602.50～713.90 m為一大型斷層破碎帶，雖然地層比較破碎，但在鉆進(jìn)過程中嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，確保內(nèi)管每次投送到位，減少提大鉆次數(shù)，快速鉆進(jìn)，減少對孔壁擾動和涌水對巖心沖刷，保證了該段巖心采取率，鉆進(jìn)深度111.40 m，取心長度109.18 m，取心率高達(dá)98.00%［15］。

3.6 千米級繩索取心定向鉆進(jìn)裝備

針對川藏鐵路勘查孔高效施工要求，鉆機(jī)必須具備足夠的動力，以處理在鉆進(jìn)斷層、軟弱夾層、破碎帶、節(jié)理發(fā)育層可能出現(xiàn)的垮孔、卡鉆和抱鉆等孔內(nèi)事故。自主研發(fā)千米級全液壓動力頭水平定向鉆機(jī)，在現(xiàn)有全液壓動力頭鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)鉆機(jī)升降平臺和變幅機(jī)構(gòu)，提高了鉆探裝備水平鉆進(jìn)穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)多角度鉆探，模塊化設(shè)計(jì)，動力頭遠(yuǎn)程控制多個液控變量馬達(dá)實(shí)現(xiàn)多擋無極變速，輸出扭矩大，可實(shí)現(xiàn)NQ系列1800 m水平繩索取心鉆進(jìn)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。鉆機(jī)所有功能均為液壓驅(qū)動，操作方便，控制精準(zhǔn)，取心作業(yè)效率高，可滿足高山峽谷區(qū)工程勘查水平鉆探需求。

根據(jù)水平定向鉆進(jìn)對鉆機(jī)功能的要求，確定鉆機(jī)由6大部分組成：動力機(jī)、履帶行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)裝置、給進(jìn)機(jī)構(gòu)、鉆塔升降平臺和液壓傳動系統(tǒng)。鉆機(jī)整體布置如圖12所示。

圖12 鉆機(jī)整體布置Fig.12 Overall layout of the drill

4 結(jié)論

通過超長水平繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)與裝備研發(fā)，創(chuàng)新了水平繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)體系，并在川藏鐵路進(jìn)行應(yīng)用與示范工程，優(yōu)質(zhì)高效完成了超長水平繩索取心鉆孔施工任務(wù)。利用自主研發(fā)的千米級鉆機(jī)和定向鉆進(jìn)技術(shù)，順利完成了卡子拉一號隧道1212.0 m水平鉆 孔，方位偏差≤1°，孔 斜0.76°/100 m，機(jī)械鉆速3.09 m/h，臺月效率350.29 m，創(chuàng)造了國內(nèi)水平繩索鉆桿PQ、HQ深度588 m和974 m兩項(xiàng)最新記錄。

水平穿越斷層與節(jié)理密集帶，提供原狀巖心，為查明洞身結(jié)構(gòu)和測井通道提供支撐。鉆孔成功穿越三千萬方巨型滑坡，探明陡傾巖層構(gòu)造，揭露3條斷層和19處節(jié)理破碎帶，克服了嚴(yán)重涌水（60 m3/h）、地層易水敏水化、井斜等難題。提供原狀巖心，巖心采取率達(dá)97.76%，為地質(zhì)查明洞身結(jié)構(gòu)和測井通道提供了支撐。直觀查明隧道洞身段地層巖性、陡傾巖層構(gòu)造、水文地質(zhì)條件等情況，為解決高原鐵路長大深埋隧道勘察難題提供借鑒，具有示范與推廣作用。