水平定向鉆在公路隧道工程中的應(yīng)用及分析

張群英ZHANG Qun-ying；楊杜娟YANG Du-juan；袁野YUAN Ye

（陜西中科非開挖技術(shù)股份有限公司，西安 710018）

0 引言

水平定向鉆技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，從最初只能進(jìn)行小河流作業(yè)到穿越大江大河，鉆進(jìn)地層從砂土層發(fā)展到巖石地層，從石油、天然氣、自來(lái)水、污水等管線鋪設(shè)到高速公路、鐵路、海灘、島嶼、隧道等工程領(lǐng)域的應(yīng)用，在全國(guó)乃至全世界有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用及發(fā)展空間。

1 項(xiàng)目概況

本次定向鉆工程是天山勝利隧道G0711烏魯木齊-尉犁-若羌高速公路，隧道出口段掘進(jìn)至F7斷裂帶前一段超前地質(zhì)鉆項(xiàng)目，如圖1所示。其兼具地質(zhì)勘查及為隧道施工導(dǎo)水的功能。勝利隧道具有“一長(zhǎng)、二深、五高”的特點(diǎn)，其中隧道最大埋深1112.2m，“五高”指高地應(yīng)力、高地震烈度、高環(huán)保要求、高寒、高海拔。復(fù)雜的地質(zhì)和自然環(huán)境，使得本次水平定向鉆施工尤為困難，加之鉆進(jìn)長(zhǎng)度1720m,入鉆點(diǎn)高程與隧道軸線高程相差約264m，孔徑0.25m。設(shè)計(jì)曲線在平面上劃R800弧，鉆進(jìn)地層主要為風(fēng)化大理巖夾變質(zhì)砂巖，根據(jù)物探解譯及區(qū)域地質(zhì)資料，該段為褶皺段，裂隙發(fā)育、巖體破碎、碎裂狀結(jié)構(gòu)，更加大了工程難度。

圖1 天山勝利隧道進(jìn)口

1.1 地質(zhì)條件

基于隧道工程項(xiàng)目情況介紹，此次水平定向鉆穿越場(chǎng)址區(qū)位于構(gòu)造剝蝕高中山地貌區(qū)，中軸線地面高程2772.00～4113.00m，相對(duì)高差1341.00m，地形起伏大，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，冰川及冰川地貌發(fā)育，堆積物主要以第四系冰水堆積碎塊石土為主。擬建隧道進(jìn)、出口均位于山前斜坡地帶，隧道進(jìn)口自然坡角約40°～45°，表層主要為第四系崩坡積碎塊石土，下伏基巖為泥盆系強(qiáng)風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖，自然邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。隧址區(qū)進(jìn)口處為烏魯木齊河河谷，兩岸陡峭，通行條件差，其地形地貌，如圖2所示。

圖2 地形地貌

1.2 地層巖性

根據(jù)初勘工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探成果，隧址區(qū)地層主要為第四系沖洪積卵石（Q4al+pl）、崩坡積碎石（Q4c+dl）、冰水堆積碎石（Q4fgl）；泥盆系上統(tǒng)天格爾組灰綠色凝灰質(zhì)砂巖（D3tb）、中元古代（Pt2）薊縣系卡瓦布拉克群第二組（Jxk2）灰褐色變質(zhì)砂巖、砂質(zhì)板巖；中元古代（Pt2）長(zhǎng)城系星星峽群（CHx）灰綠色石英片巖、片麻巖及華力西期侵入淺肉紅色花崗斑巖（γC2dH）灰白色花崗巖（ηγD1H）、加里東期侵入灰白色花崗閃長(zhǎng)巖（γδS1Q、γδS2Q）、晉寧運(yùn)動(dòng)期青白口紀(jì)侵入灰色片麻狀閃長(zhǎng)巖（tnQbH），水平定向鉆穿越曲線所經(jīng)過(guò)地層初步判斷以強(qiáng)-中風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、碳質(zhì)板巖、花崗閃長(zhǎng)巖等巖層為主。

2 工程機(jī)械與設(shè)備選擇

2.1 施工機(jī)械設(shè)備

根據(jù)該工程特點(diǎn)及地質(zhì)條件，選用古登（GD3500-L）鉆機(jī)，最大回拖力3600kN，最大扭矩112000N·m，如圖3所示。

圖3 GD3500-L型定向鉆

2.2 控向儀器

控向系統(tǒng)采用美國(guó)VectorMagnetics公司的P2地磁復(fù)合導(dǎo)向系統(tǒng)。在正常情況下，鉆進(jìn)方向及埋深通過(guò)P2系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在地表布設(shè)人工磁場(chǎng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。本項(xiàng)目除前段200m在克服困難的條件下可布人工磁場(chǎng)外，其余1500m左右由于高差及山勢(shì)陡峭無(wú)法布置人工磁場(chǎng)，因此選擇加裝慣導(dǎo)陀螺儀與P2相互驗(yàn)證，慣導(dǎo)陀螺儀測(cè)量不受地形限制，不受深度限制，不受電磁干擾，定位精度高且數(shù)據(jù)連續(xù)，抗干擾強(qiáng)，兩者共用以提高控向精度。

2.3 配套機(jī)具

由于鉆孔軌跡高差較大（264m），為保證鉆進(jìn)液的有效循環(huán)，選用兩臺(tái)泥漿泵（GN2500），泵量2500L/Min，最大壓力10MPa，兩臺(tái)泥漿泵并聯(lián)使用。施工中使用泥漿馬達(dá)需要大量的泥漿泵，為使鉆井液可以更好地循環(huán)，綜合考慮鉆井液的攜帶能力，主要是提高鉆井液的動(dòng)塑比，靜切力等指標(biāo)；適當(dāng)?shù)慕档豌@井液粘度，增強(qiáng)其流動(dòng)性提高流速，可起到更好的效果。

由于鉆孔軌跡曲率半徑較?。≧=800m），鉆進(jìn)過(guò)程中牙輪鉆頭磨損較快，使用壽命較短，每個(gè)牙輪鉆頭平均鉆進(jìn)時(shí)間不超過(guò)44.6h，鉆進(jìn)長(zhǎng)度平均不超過(guò)246m。

由于鉆井液配制成本比較高，在長(zhǎng)距離巖石鉆進(jìn)中使用量比較大，在振動(dòng)篩等泥漿凈化系統(tǒng)后可以增加離心機(jī)除固相設(shè)備，可以較好地除去鉆井液中的固相成分，提高鉆速以及鉆井液的攜帶能力。

2.4 泥漿配比方案

根據(jù)地質(zhì)資料情況，現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)速度、反渣情況綜合確定泥漿配比。地層情況變化及時(shí)調(diào)整配比，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，水平定向鉆所用泥漿由三大部分材料組成：膨潤(rùn)土、泥漿添加劑和水。在施工過(guò)程中用燒堿、純堿對(duì)泥漿pH值進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持泥漿pH值在9～10之間。泥漿作用的發(fā)揮和泥漿材料的組成有很大關(guān)系。因而，當(dāng)需要突出某一方面作用時(shí)，就應(yīng)該有針對(duì)性地調(diào)整泥漿配料的成分。

2.5 清孔方式及井下電視

鉆孔后通過(guò)加大泵量，進(jìn)行活塞式反復(fù)推拉洗孔盡量清除孔內(nèi)鉆渣，洗孔結(jié)束后用清水對(duì)泥漿進(jìn)行不斷稀釋及置換，直至入鉆口位置流出清水為止。如用清水稀釋、置換效果不佳可考慮加裝空壓機(jī)通過(guò)鉆桿進(jìn)行高壓吹掃。待清孔結(jié)束即可送入井下電視查看程控效果及地層情況。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工

由于受隧道工程總工期的限制，水平定向鉆勘察安排在冬季施工。根據(jù)施工天氣情況和工程設(shè)備及地質(zhì)條件，按照如下步驟進(jìn)行施工：見(jiàn)圖4。

圖4 施工步驟

①搭建保溫大棚：

冬季施工，條件異常惡劣。日平均氣溫-10℃，夜間最低溫度-30℃，嚴(yán)重影響定向鉆施工中泥漿系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此搭建保溫大棚十分必要。在大棚內(nèi)采用2臺(tái)電鍋爐及5臺(tái)大鐵爐綜合取暖方式，保證棚內(nèi)溫度在0℃以上，施工用水、泥漿不結(jié)冰，確保水平定向鉆勘察工作順利進(jìn)行，如圖5所示。

圖5 保溫大棚

②套管安裝：

在隧道進(jìn)口沿軸線30m范圍內(nèi)，定向鉆穿越地層主要為第四系沖洪積卵石、崩坡積碎石、冰水堆積碎石等，其中含有大量飄石，直徑一般在40～80cm，大者可達(dá)120cm，嚴(yán)重影響控向，并會(huì)形成冒漿、漏漿等現(xiàn)象。為此在該段范圍內(nèi)，采用安裝套管方式達(dá)到隔離不良地層的目的，如圖6所示。

圖6 不良地層

③控向鉆進(jìn)：

本次水平定向鉆隧道勘察項(xiàng)目，采用設(shè)備主要有GD3500-L型定向鉆機(jī)、發(fā)電機(jī)組、泥漿泵、泥漿攪拌回收系統(tǒng)、P2控向系統(tǒng)等。見(jiàn)圖7-圖9。

圖7 博阿斷裂

圖9 巖屑采集

④涌水量觀測(cè)：

涌水量每日觀測(cè)一次。

⑤取芯：

圖8 P2控向顯示平面位置及高程

在施工過(guò)程中，分別在1003m、1900m處取芯兩次。見(jiàn)圖10-圖11。

圖10 1003m取芯

圖11 1900m取芯

⑥綜合測(cè)井：

在終孔后，對(duì)2271m鉆孔全程進(jìn)行綜合測(cè)井。

⑦孔內(nèi)電視：

對(duì)2271m鉆孔全程進(jìn)行孔內(nèi)電視攝像。見(jiàn)圖12。

圖12 孔內(nèi)電視

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)水平定向鉆進(jìn)技術(shù)在天山勝利隧道工程中的成功應(yīng)用，總結(jié)了在鉆進(jìn)施工中施工機(jī)械設(shè)備、控向儀器、鉆具選擇、泥漿配比方案及清孔方式等，積累了在高速公路工程的施工經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為同行們?cè)谝院箢愃拼┰焦こ讨刑峁┙梃b經(jīng)驗(yàn)。