趙飛濤,竇 斌*,陶維昱,管應(yīng)穩(wěn),項(xiàng) 洋,苗晉偉,沈紹波,王勇剛
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢),湖北 武漢 430074;2.長(zhǎng)江巖土工程總公司,湖北 武漢 430015;3.陜西太合智能鉆探有限公司,陜西 西安 710086;4.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063)
長(zhǎng)大隧道屬于規(guī)模大、造價(jià)高的線路工程,地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性對(duì)隧道建設(shè)、運(yùn)營(yíng)安全都有重要影響,在隧道穿越城區(qū)密集建筑群時(shí),受到隧道埋深、施工條件、外界環(huán)境的影響,傳統(tǒng)勘探手段往往會(huì)受到限制甚至難以實(shí)施,需要選擇合理的勘探方法查明隧道地質(zhì)條件;定向鉆探可以選擇合適的施工場(chǎng)地遠(yuǎn)距離開孔,通過造斜技術(shù)使鉆具沿隧道掘進(jìn)方向精準(zhǔn)的揭示隧道圍巖情況。
定向鉆探技術(shù)起源于石油鉆井工業(yè),1932 年在美國(guó)加利福尼亞州亨延灘完成的石油鉆井是現(xiàn)存有記錄的最早的定向鉆井,目前被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘探開發(fā)、管道非開挖鋪設(shè)領(lǐng)域。經(jīng)過將近一個(gè)世紀(jì)的積累和發(fā)展,在定向鉆探設(shè)備、鉆進(jìn)技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、軌跡控制技術(shù)、取心技術(shù)、物探測(cè)試技術(shù)等方面已經(jīng)形成了較為完善的體系[1-13]。
我國(guó)在1985 年通過引進(jìn)美國(guó)技術(shù)完成了黃河穿越管道的定向鉆進(jìn)施工[5-6]。川藏鐵路隧道工程勘察中,采用斜直孔的方式,完成超深繩索取心定向勘探孔27 個(gè),最深孔達(dá)1888.88 m;2020 年,天山勝利隧道勘察完成定向孔2271 m,并在孔內(nèi)開展取心和孔內(nèi)電視探測(cè)。眾多項(xiàng)目的成功實(shí)施證明了定向鉆探勘察技術(shù)用于隧道勘察的可行性及高效性[13-17]。
本文對(duì)可精準(zhǔn)定位的定向鉆探技術(shù)的主要技術(shù)原理進(jìn)行梳理分析,并以某鐵路隧道在復(fù)雜城區(qū)的應(yīng)用為例介紹定向鉆探技術(shù)在隧道勘察領(lǐng)域的實(shí)施情況和相關(guān)成果。
定向鉆探技術(shù)是依靠鉆具、造斜工藝和隨鉆測(cè)量系統(tǒng),使鉆孔沿預(yù)定軌跡鉆進(jìn)的一種鉆探方法。當(dāng)定向鉆探技術(shù)與取心技術(shù)、物探技術(shù)、原位測(cè)試技術(shù)相配合,就會(huì)形成在勘察領(lǐng)域極具優(yōu)勢(shì)的定向勘探技術(shù),定向勘探裝備系統(tǒng)組成見圖1。
圖1 定向勘探裝備系統(tǒng)組成示意Fig.1 Composition diagram of directional drilling equipment system
得益于定向鉆探超強(qiáng)的軌跡控制能力,定向勘探具有軌跡靈活、鉆進(jìn)能力強(qiáng)、適應(yīng)能力強(qiáng)、地面環(huán)境影響小的優(yōu)勢(shì),其鉆孔軌跡可根據(jù)建(構(gòu))筑物需要進(jìn)行靈活調(diào)整,在建筑密集區(qū)、復(fù)雜水域、陡峻山區(qū)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)這些傳統(tǒng)鉆探實(shí)施困難的復(fù)雜情況下,可以充分顯示出其優(yōu)越性,達(dá)到精細(xì)化勘察的目的。
鉆孔軌跡控制技術(shù)是定向鉆探的關(guān)鍵技術(shù),其原理是在鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆具相關(guān)參數(shù)和方位信息,不斷與設(shè)計(jì)軌跡對(duì)照并動(dòng)態(tài)調(diào)整使鉆孔按預(yù)定軌跡鉆進(jìn)[6]。這需要設(shè)備滿足2 個(gè)方面的要求,一是鉆機(jī)、鉆具具備良好的機(jī)械性能,具備強(qiáng)勁的鉆進(jìn)能力和一定的方位調(diào)整能力;二是精確的測(cè)量系統(tǒng)可及時(shí)反饋鉆具位置信息,以便隨時(shí)對(duì)軌跡進(jìn)行調(diào)整。從這個(gè)角度,定向鉆進(jìn)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)是鉆孔軌跡控制技術(shù)的基礎(chǔ)。
1.1.1 定向鉆進(jìn)技術(shù)
目前,定向鉆進(jìn)技術(shù)以無巖心鉆進(jìn)為主,使用的井下動(dòng)力鉆具主要有螺桿鉆具、渦輪鉆具和電動(dòng)鉆具。渦輪鉆具長(zhǎng)度較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,不適合在較小的井眼中使用;電動(dòng)鉆具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低、對(duì)絕緣性和密閉性的要求高、維修工作復(fù)雜困難。所以,定向鉆探一般采用螺桿鉆具,螺桿鉆具具有低速大扭矩、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、后期維修便捷的優(yōu)點(diǎn)。
一般情況下,通過調(diào)節(jié)螺桿鉆具面向角滑動(dòng)鉆進(jìn)即可達(dá)到造斜的目的,造斜困難時(shí)也可采用連續(xù)造斜器進(jìn)行造斜;還可以通過馬達(dá)定子和鉆桿的回轉(zhuǎn)消除結(jié)構(gòu)彎角的導(dǎo)向造斜作用實(shí)現(xiàn)“回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜”,復(fù)合鉆進(jìn)是“滑動(dòng)造斜”和“回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜”兩種定向模式的復(fù)合,有更強(qiáng)的排渣能力,在長(zhǎng)距離鉆進(jìn)中有更強(qiáng)的可靠性[18]。
1.1.2 鉆孔測(cè)量技術(shù)
鉆孔軌跡的計(jì)算需要獲取鉆孔不同區(qū)段的孔深、傾角和方位角??咨羁筛鶕?jù)鉆具的長(zhǎng)度獲得,隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(MWD)可在鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)獲取軌道參數(shù)、工具面角(ω)、孔底鉆壓、扭矩和轉(zhuǎn)速,可通過有線、泥漿脈沖、電磁波、聲波和光纖等方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?。目前設(shè)備一般都帶有自動(dòng)計(jì)算程序,在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)參數(shù)的同時(shí)可根據(jù)設(shè)定程序自動(dòng)計(jì)算出實(shí)際軌跡,現(xiàn)場(chǎng)與設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行對(duì)比后可立即進(jìn)行動(dòng)態(tài)糾偏。
定向鉆進(jìn)取心技術(shù)有繩索取心和提鉆取心兩種,繩索取心受重力和鉆孔軌跡影響在定向鉆進(jìn)中應(yīng)用較為困難,目前提鉆取心技術(shù)是較為常用可靠的方式。提鉆取心時(shí)可將整個(gè)鉆進(jìn)過程分為定向鉆進(jìn)(全面破碎)和取心鉆進(jìn)2 個(gè)部分。定向鉆孔由于獨(dú)特的鉆進(jìn)方式和鉆孔軌跡,巖心管極易彎曲,進(jìn)而影響巖心狀態(tài)和采取率,增加卡鉆風(fēng)險(xiǎn),當(dāng)鉆孔軌跡經(jīng)過多次造斜后,取心難度更大。
測(cè)井技術(shù)是物探技術(shù)在鉆孔中的應(yīng)用,通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析解譯可獲知巖土體的結(jié)構(gòu)特征和物理力學(xué)參數(shù),更好地解決復(fù)雜的工程地質(zhì)問題[19]。在鉆進(jìn)過程中,隨鉆測(cè)量系統(tǒng)(MWD)增加物探測(cè)試功能,如伽馬射線、電阻率測(cè)試,就形成隨鉆測(cè)井技術(shù)(LWD),該技術(shù)在獲取鉆進(jìn)參數(shù)的同時(shí),可獲取地層的物理性態(tài)特性,提高地層評(píng)價(jià)能力。
某鐵路隧道項(xiàng)目位于珠江三角洲沖積平原區(qū)(局部為殘丘),樁號(hào)DK6+600~DK7+200 段采用盾構(gòu)法施工,斷面形式為?12.4 m 圓形結(jié)構(gòu),軌面埋深約65 m,隧道洞底線埋深約68 m。
根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307—2012),勘察區(qū)域?qū)儆诳拐鹨话愕囟?,圍巖的巖土性質(zhì)一般,屬于中等復(fù)雜場(chǎng)地,詳細(xì)勘察時(shí)地下區(qū)間勘察點(diǎn)間距應(yīng)不大于50 m[20]。
勘察區(qū)域內(nèi)房屋密集、管線交錯(cuò)、交通繁忙、人口密度大,若采用傳統(tǒng)垂直孔鉆探方法,設(shè)計(jì)孔位多難以實(shí)施,考慮采用定向鉆探技術(shù)進(jìn)行勘察。
2.1.1 軌跡設(shè)計(jì)
為獲取DK6+600~DK7+200 段隧道詳細(xì)地質(zhì)情況,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和設(shè)備性能,將勘察主孔分為造斜段和近水平段,選取一處較為平坦開闊處作為施工場(chǎng)地,場(chǎng)地選擇滿足定向鉆探的曲率半徑要求,使鉆機(jī)可從地面鉆至隧道洞身位置進(jìn)行主孔定向鉆探;沿線路方向在隧道底板下方1 m 布置主孔,在主孔上部布置2 個(gè)分支孔,以獲取巖層風(fēng)化界面或上覆蓋地層信息。
主孔設(shè)計(jì)進(jìn)尺630 m,最大埋深69 m,在225、354 m 處分別施工分支孔,2 個(gè)分支孔合計(jì)進(jìn)尺330 m,成孔順序?yàn)橹骺?1 號(hào)分支孔-主孔-2 號(hào)分支孔-主孔,鉆孔孔徑≮110 mm。另外,為增加鉆探成果的可信性,在距離開孔處20 m 的洞軸線附近設(shè)置垂直驗(yàn)證孔。鉆孔軌跡見圖2。
圖2 DK6+600—DK7+200 段定向鉆孔布置示意Fig.2 Directional drilling layout of DK6+600—DK7+200 section
2.1.2 取樣要求
沿洞身方向每隔15~30 m 取一組巖心,巖面變化較大或存在不良地質(zhì)區(qū)段應(yīng)加密取心或全孔段取心。
2.1.3 物探測(cè)試
鉆孔完成后,采用綜合測(cè)井技術(shù)對(duì)鉆孔進(jìn)行物探測(cè)試,使用震波電法一體化測(cè)井儀,一次測(cè)量可同時(shí)采集波速信號(hào)和電阻率數(shù)據(jù)。同時(shí)在地面沿鉆孔軌跡進(jìn)行微動(dòng)譜比法測(cè)試。
物探測(cè)試通過物性差異獲得巖體性質(zhì)的變化情況,高密度電阻率通過測(cè)試電阻率的變化,可推測(cè)巖土體內(nèi)的結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)特征;聲波測(cè)試可通過測(cè)定巖體聲波數(shù)據(jù)推測(cè)巖體狀態(tài)和物理力學(xué)參數(shù);微動(dòng)譜比法可揭示探測(cè)場(chǎng)地的基巖和覆蓋層界線。
2.2.1 施工設(shè)備及工藝
根據(jù)該項(xiàng)目特點(diǎn)及勘察技術(shù)要求,選用ZYL-7000D 型履帶式全液壓定向鉆機(jī)進(jìn)行施工。該鉆機(jī)最大鉆進(jìn)深度1000 m,最大輸出扭矩7000 N·m,隨機(jī)配有螺桿馬達(dá)、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、鉆桿及各類鉆頭;鉆機(jī)技術(shù)成熟可靠,具有扭矩大、鉆速高、可配合取心、可調(diào)開孔傾角的優(yōu)勢(shì),適用于各類地層的定向鉆進(jìn),在礦山礦井超前預(yù)報(bào)、排放水、瓦斯抽放孔定向施工中應(yīng)用較為廣泛,技術(shù)成熟可靠。
鉆進(jìn)過程主要包括開孔、擴(kuò)孔、定向鉆進(jìn)、取心幾個(gè)階段,通過調(diào)整鉆具組合提高鉆進(jìn)效率和滿足取心要求,各施工階段鉆具組合見表1。
表1 鉆具組合Table 1 Drilling tools combination table
2.2.2 鉆孔施工情況及難點(diǎn)
2.2.2.1 軌跡控制
鉆孔設(shè)計(jì)軌跡復(fù)雜,軌跡控制難度大,本次定向鉆探有效工作日44 天,施工主孔孔深650.75 m(投影距離586 m),1 號(hào)分支孔孔深152.45 m,2 號(hào)分支孔孔深161.45 m,累計(jì)進(jìn)尺964.65 m,軌跡偏移量大部分控制在0.5 m 誤差范圍以內(nèi),主孔最大偏移0.81 m,2 號(hào)分支孔在末端498 m 處軌跡偏移2.28 m,原因是司鉆人員操作失誤,導(dǎo)致后續(xù)定向時(shí)彎頭工具面向角調(diào)整錯(cuò)誤。
2.2.2.2 取心
采用提鉆取心工藝,進(jìn)入深部穩(wěn)定地層后,鉆孔較深,孔內(nèi)鉆進(jìn)阻力和鉆壓較大,為提高巖心取心效率,使用 “螺桿鉆具+巖心管+?110 復(fù)合片單管取心鉆頭”的組合方式,一定程度上提高了整體取心效率,但螺桿馬達(dá)存在一定彎度,影響巖心的完整性,增加了鉆桿磨損,因此,在取心前先擴(kuò)孔一段距離,繼而調(diào)整螺桿鉆具工具面向角進(jìn)行鉆進(jìn)取心,同時(shí)在取心鉆頭內(nèi)增加卡簧以便拔斷巖心。
2.2.2.3 物探測(cè)試
由于鉆孔存在彎曲段和水平段,物探測(cè)試時(shí)難以依靠設(shè)備自重到達(dá)預(yù)定位置,通過在設(shè)備前后段加裝牽引活塞和推送活塞,依靠高壓水沖送順利完成了測(cè)試。
根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)方案,本次鉆探采用提鉆取心工藝對(duì)全部區(qū)段進(jìn)行間隔取心,共完成取心45 組,其中土樣2 組,巖樣43 組,巖心試樣完整,間距和試樣質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求。典型巖心照片見圖3。
圖3 典型巖心照片F(xiàn)ig.3 Typical core photograph
電阻率與聲波在主鉆孔中進(jìn)行,微動(dòng)譜比法沿隧道軸線地面布置,本次定向鉆探總共布設(shè)聲波、電法測(cè)井測(cè)線610 m,其中靠近孔口的76.4 m 位于護(hù)孔的鋼套管內(nèi)部,因鋼套管對(duì)聲波與電法信號(hào)存在干擾,嚴(yán)重影響測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量,故本次有效測(cè)試數(shù)據(jù)為裸孔中533.6 m,共采集1069 個(gè)(0.5 m 間距)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。電阻率、波速曲線及微動(dòng)譜比成果與現(xiàn)場(chǎng)鉆探資料揭露情況相對(duì)吻合,見圖4、圖5。
圖4 波速和電阻率曲線Fig.4 Wave velocity and resistivity curve
圖5 微動(dòng)譜比成果Fig.5 Results of fretting spectrum ratio
通過鉆孔揭露情況,結(jié)合取樣測(cè)試及物探成果,DK6+645~DK6+750 里程范圍內(nèi)地層從上到下依次為第四系填土、全—弱風(fēng)化的白堊系(K)泥質(zhì)砂巖、含礫砂巖,基巖節(jié)理裂隙發(fā)育,但多被泥、鈣質(zhì)充填,透水性及富水性弱。隧道圍巖主要為Ⅲ和Ⅳ類巖體,地質(zhì)剖面見圖6。
圖6 工程地質(zhì)剖面Fig.6 Engineering geological profile
本次勘探沿隧道設(shè)計(jì)軸線附近連續(xù)鉆進(jìn)獲取了隧道全區(qū)段范圍的圍巖地質(zhì)情況,查明了勘察區(qū)域的地層分布情況和水文地質(zhì)情況,通過取樣試驗(yàn)和物探測(cè)試獲得了巖土體的物理力學(xué)參數(shù),物探成果與鉆探情況相符,勘探范圍內(nèi)鉆探精度高、測(cè)試成果可靠。
與傳統(tǒng)鉆探手段相比,定向鉆探技術(shù)在鉆探深度、精度和靈活性等方面有巨大的提升,鉆探能力的提升帶來的顯著優(yōu)勢(shì)可以歸納為以下幾個(gè)方面:
(1)破解地面條件的制約:可控軌跡定向鉆探技術(shù)具有極強(qiáng)的靈活性和針對(duì)性,可通過軌跡調(diào)整繞開障礙物鉆進(jìn)至預(yù)定位置,并完成取樣、物探測(cè)試等相關(guān)任務(wù),完成傳統(tǒng)鉆探多數(shù)情況極難完成的全斷面鉆進(jìn),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域地質(zhì)情況的精準(zhǔn)探測(cè)。
(2)施工場(chǎng)地友好:在城區(qū)實(shí)施時(shí)可以有效避開地面道路、綠地和住宅,減小鉆探施工對(duì)周邊環(huán)境的影響;在山區(qū)及水域施工時(shí)可通過調(diào)整場(chǎng)地位置保障施工安全;可減少頻繁的設(shè)備轉(zhuǎn)移過程,改善鉆探工作環(huán)境。
(3)通過隨鉆測(cè)量系統(tǒng),可獲取鉆進(jìn)參數(shù),通過建立數(shù)據(jù)和巖土體之間的關(guān)聯(lián)模型后,可實(shí)時(shí)掌握巖土體特性,提高勘察水平。
(4)通過整合物探與鉆探結(jié)果,利用鉆探成果對(duì)物探資料開展精細(xì)化解譯,實(shí)現(xiàn)工程地質(zhì)勘探過程中鉆探物探技術(shù)一體化探測(cè),提高工程地質(zhì)勘探結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性[6]。
雖然地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)規(guī)范《定向鉆探技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0054—2014)對(duì)定向鉆探的實(shí)施做了詳細(xì)規(guī)定[12],但如何制定技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)適用、滿足勘察目的的定向勘察方案,尚無規(guī)范對(duì)此做出明確規(guī)定。定向鉆孔的布置方案和取樣缺少指標(biāo)控制,不僅會(huì)引發(fā)技術(shù)人員的困惑,也勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一些爭(zhēng)議。
譬如:《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307—2012)對(duì)鉆孔深度做了明確規(guī)定,要求勘探孔應(yīng)進(jìn)入隧道底板以下不小于2~3 倍的隧洞直徑或?qū)挾?,在隧道底板下為弱微風(fēng)化巖石時(shí)應(yīng)滿足上述要求或不小于3~5 m[20]。本案例中鉆孔并沒有達(dá)到該深度,但傳統(tǒng)勘察是根據(jù)鉆孔結(jié)合經(jīng)驗(yàn)推測(cè)鉆孔之間的地質(zhì)情況,定向勘察是沿隧洞底板下部的連續(xù)勘探,且隧洞區(qū)段位于弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、含礫砂巖中,通過現(xiàn)有勘探方案可充分地掌握隧道圍巖地質(zhì)情況,那么,現(xiàn)有勘察方案是否符合相關(guān)規(guī)范的要求、是否需要再增加鉆探工作量,具體采用什么標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定,都是值得商榷的問題。
眾所周知,勘察規(guī)范作為重要的技術(shù)依據(jù)和準(zhǔn)則,指引著行業(yè)的發(fā)展方向,規(guī)范和保障著技術(shù)人員的從業(yè)行為,對(duì)技術(shù)方案的制訂起著重要的指導(dǎo)作用,因此,為規(guī)范定向鉆探在勘察領(lǐng)域的應(yīng)用,促進(jìn)定向勘察技術(shù)的發(fā)展,相關(guān)規(guī)范的制定是迫在眉睫的任務(wù)。
在建筑密集區(qū)域,定向勘察使用大功率鉆探設(shè)備、螺桿鉆具及隨鉆測(cè)量系統(tǒng),通過軌跡控制技術(shù)遠(yuǎn)距離開孔繞避地面障礙物,沿隧道設(shè)計(jì)軸線一定范圍內(nèi)進(jìn)行了連續(xù)勘探,同時(shí)在隧道上方成功實(shí)施2個(gè)羽狀分支孔;采用提鉆取心工藝對(duì)全部區(qū)段進(jìn)行間隔取心,并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況完成孔內(nèi)物探測(cè)試。沿隧道設(shè)計(jì)軸線連續(xù)鉆進(jìn)減少了無效鉆探的同時(shí)提高了勘察精度,鉆探和物探的相互驗(yàn)證保證了成果的可靠性,項(xiàng)目的成功實(shí)施,證明定向鉆進(jìn)技術(shù)是復(fù)雜城區(qū)隧道勘察的一種有效手段。
可控軌跡定向鉆探技術(shù)具有長(zhǎng)距離軌跡可控、場(chǎng)地適宜性強(qiáng)、鉆孔利用率高、周邊環(huán)境影響小的優(yōu)勢(shì),可以破解復(fù)雜環(huán)境對(duì)地面條件的制約,在建筑密集區(qū)、復(fù)雜水域、陡峻山區(qū)等傳統(tǒng)鉆探實(shí)施困難的情況下均有較強(qiáng)的可實(shí)施性,但本案例也顯示出定向鉆探技術(shù)復(fù)雜、控制難度大、人員水平要求高等固有特點(diǎn)。另外,定向鉆探在勘察工程中的使用尚無規(guī)范做出明確規(guī)定。因此,應(yīng)根據(jù)勘察領(lǐng)域的要求和特點(diǎn),制定明確可行的技術(shù)原則和規(guī)范,并不斷完善設(shè)備工藝,提升定向勘察技術(shù)的自動(dòng)化、智能化水平,以促使定向勘察技術(shù)更廣泛的應(yīng)用。