摘 要：
水平定向鉆探技術(shù)將傳統(tǒng)的地勘取芯技術(shù)與水平定向鉆技術(shù)結(jié)合，輔以孔內(nèi)測(cè)試技術(shù)，能直觀、準(zhǔn)確地了解隧道掌子面前方不良地質(zhì)情況。目前，該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外隧道地質(zhì)勘察中已經(jīng)有所應(yīng)用，但也存在影響隧道施工工藝、無(wú)法預(yù)報(bào)部分小斷層和貫穿性大節(jié)理、破碎巖體鉆進(jìn)困難等不足。
水平定向鉆技術(shù)最早起源于石油鉆井工業(yè)，廣泛用于市政管道、油氣管道的建設(shè)領(lǐng)域。世界上第一個(gè)水平定向鉆鋪設(shè)管道工程出現(xiàn)在1971年，1988年首次成功實(shí)現(xiàn)巖層水平定向鉆管道穿越施工。水平定向鉆探技術(shù)將傳統(tǒng)的地勘取芯技術(shù)與水平定向鉆技術(shù)結(jié)合，輔以孔內(nèi)測(cè)試技術(shù)，能直觀、準(zhǔn)確地了解隧道掌子面前方不良地質(zhì)情況。
目前，國(guó)外巖層水平定向鉆技術(shù)在場(chǎng)地勘察、導(dǎo)向軌跡設(shè)計(jì)、導(dǎo)向孔開(kāi)挖、導(dǎo)向方法和鉆進(jìn)設(shè)備方面均已有應(yīng)用。我國(guó)引進(jìn)水平定向鉆技術(shù)較晚，近年來(lái)在理論研究和設(shè)備研發(fā)方面得到快速提升，國(guó)產(chǎn)水平定向鉆機(jī)已經(jīng)達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。
（一）水平定向鉆探技術(shù)概況
水平定向鉆探技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用是通過(guò)平行于隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)鉆水平勘察孔，并在孔內(nèi)開(kāi)展取芯、水壓致裂、綜合測(cè)井和孔內(nèi)電視等相關(guān)測(cè)試，利用綜合測(cè)試手段可對(duì)隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)圍巖的巖性變化、破碎帶分布范圍以及隧道涌水情況等進(jìn)行精確劃分，實(shí)現(xiàn)隧道圍巖地質(zhì)預(yù)報(bào)。該技術(shù)主要包括鉆進(jìn)、取芯、導(dǎo)向、隨鉆測(cè)量、綜合測(cè)井等五項(xiàng)核心技術(shù)。
（1）鉆進(jìn)技術(shù)。水平定向鉆進(jìn)以全面鉆進(jìn)為主，并根據(jù)地質(zhì)設(shè)計(jì)和工況來(lái)決定具體取芯間隔。全面鉆進(jìn)以井底動(dòng)力（螺桿鉆具）驅(qū)動(dòng)牙輪鉆頭復(fù)合鉆進(jìn)為主。極堅(jiān)硬地層時(shí)采用“渦輪鉆具驅(qū)動(dòng)金剛石鉆頭”復(fù)合鉆進(jìn)，利用渦輪鉆具的高轉(zhuǎn)速特性進(jìn)行高效碎巖；或采用“螺桿鉆具＋液動(dòng)錘”二合一復(fù)合鉆進(jìn)，增加沖擊載荷，提高碎巖效率。
（2）取芯技術(shù)。取芯技術(shù)可分為繩索取芯和提鉆取芯。繩索取芯是當(dāng)巖心裝滿(mǎn)內(nèi)管時(shí)，不提鉆而用繩索打撈器從鉆桿內(nèi)把內(nèi)管撈取出來(lái)獲得巖心。繩索取芯因其鉆進(jìn)效率高、巖芯采取率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、鉆探成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，而廣泛使用。提鉆取芯是鉆頭鉆達(dá)取芯點(diǎn)時(shí)，將孔內(nèi)所有鉆具完全起出，更換為取芯鉆具，下鉆進(jìn)行取芯鉆進(jìn)，取芯完成后，再次取出孔內(nèi)所有鉆具至地表，更換為全面導(dǎo)向鉆頭繼續(xù)導(dǎo)向鉆進(jìn)，如此往復(fù)，直至完成所有取芯計(jì)劃。
（3）導(dǎo)向技術(shù)。水平定向鉆通過(guò)人工磁導(dǎo)航定向鉆進(jìn)控向系統(tǒng)（無(wú)線(xiàn)）、隨鉆測(cè)量有線(xiàn)導(dǎo)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取和調(diào)整鉆具的姿態(tài)角度信息，包括深度、傾角、方位角和工具面向角等，并可根據(jù)這些姿態(tài)角度信息實(shí)時(shí)控制鉆具前進(jìn)方向，從而保證鉆具沿著隧道軸跡進(jìn)行鉆探勘察。
（4）隨鉆測(cè)量技術(shù)。通過(guò)傳感器測(cè)量近鉆頭參數(shù)信息：定向數(shù)據(jù)（井斜角、方位角、工具面角）、地層特性（伽馬射線(xiàn)、電阻率測(cè)井錄）、鉆井參數(shù)（井底鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速）等，利用井下發(fā)射器通過(guò)信號(hào)遙測(cè)通道（硬導(dǎo)線(xiàn)法、電磁波法、鉆井液脈沖法）發(fā)送至地面，實(shí)現(xiàn)隨鉆參數(shù)測(cè)量。
（5）綜合測(cè)井。每完成一次取芯后，利用取芯孔進(jìn)行一次水力壓裂試驗(yàn)，測(cè)量地應(yīng)力的大小和方向。在勘察孔鉆至設(shè)計(jì)孔深之后，提鉆安裝無(wú)電纜存儲(chǔ)式測(cè)井儀器，利用聲波、自然伽馬、電阻率等對(duì)鉆孔圍巖的巖性、孔溫、密度、滲透性、含水率等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。亦可安裝電池存儲(chǔ)式孔內(nèi)視頻檢測(cè)儀器進(jìn)行孔內(nèi)巖性判別。
（二）水平定向鉆探技術(shù)的適應(yīng)性分析
在復(fù)雜地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的探測(cè)范圍和數(shù)據(jù)精度均不能滿(mǎn)足施工安全需求�；谒蕉ㄏ蜚@探技術(shù)，可以利用小型化鉆機(jī)在隧道緊急停車(chē)區(qū)進(jìn)行水平定向鉆超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，在不影響隧道正常施工條件下，補(bǔ)充傳統(tǒng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的技術(shù)局限性。
水平定向鉆探技術(shù)能夠精確地對(duì)隧道圍巖信息進(jìn)行詳細(xì)的勘察，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）建立水平定向鉆進(jìn)參數(shù)與鉆孔圍巖的關(guān)聯(lián)性，研究鉆頭破巖機(jī)理與隧道圍巖強(qiáng)度的變化關(guān)系，為施工掘進(jìn)提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。
（2）將傳統(tǒng)地勘取芯技術(shù)與水平定向鉆技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)間斷取芯，對(duì)巖芯進(jìn)行抗壓強(qiáng)度等基本物理測(cè)試，詳細(xì)分析隧道沿線(xiàn)巖性的基本物理特性，為隧道圍巖分級(jí)提供精確的巖性參數(shù)。
（3）采用綜合測(cè)井技術(shù)中的水壓至裂測(cè)試、聲波、自然伽馬、電阻率、孔內(nèi)電視等手段對(duì)水平勘察孔內(nèi)圍巖巖性進(jìn)行劃分，對(duì)孔內(nèi)圍巖應(yīng)力特性、溫度、密度、滲透性、裂隙發(fā)育程度等進(jìn)行評(píng)價(jià)。
水平定向鉆探技術(shù)對(duì)隧道施工有一定影響：
（1）在掌子面鉆勘察孔能直接、準(zhǔn)確地了解前方圍巖地質(zhì)情況，但會(huì)嚴(yán)重影響鉆爆法隧道施工作業(yè)，且難以適配TBM隧道掌子面作業(yè)，需占用較長(zhǎng)的施工作業(yè)時(shí)間，嚴(yán)重影響施工效率；
（2）在隧道橫通道、緊急停車(chē)道等部位以平行于隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)鉆勘察孔對(duì)隧道施工影響較小。
同時(shí)，水平定向鉆探技術(shù)也存在一定的局限性：
（1）在復(fù)雜地質(zhì)條件下預(yù)報(bào)效果較差，很難預(yù)測(cè)到正洞掌子面前方的小斷層和貫穿性大節(jié)理，特別是與隧道軸線(xiàn)平行的結(jié)構(gòu)面；
（2）在破碎巖體中易卡鉆，鉆進(jìn)作業(yè)速度慢，面臨塌孔等風(fēng)險(xiǎn)；
（3）超長(zhǎng)距離水平定向鉆探連續(xù)取芯、深埋地質(zhì)高精度鉆進(jìn)定位系統(tǒng)及導(dǎo)向控制等技術(shù)還需要進(jìn)一步研究。
技術(shù)經(jīng)濟(jì)性方面，水平定向鉆探技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性受鉆探工況、地質(zhì)條件、設(shè)備能力、進(jìn)尺速度、取芯要求、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和測(cè)井效率、隧道施工速度等綜合因素影響，實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)設(shè)備選型、鉆進(jìn)方案優(yōu)化等手段，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)效率與施工成本的合理匹配。
（三）水平定向鉆探技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
近年來(lái)，水平定向鉆探技術(shù)在地質(zhì)勘察領(lǐng)域已有相關(guān)研究與應(yīng)用。
➤2013年，中煤科工集團(tuán)西安研究院使用ZDY1000G型全液壓高轉(zhuǎn)速鉆機(jī)和φ75mm坑道用繩索取芯鉆具在陜西寶雞太白縣金礦完成了一個(gè)終孔直徑78.5mm、終孔深度401.8mm的水平取芯鉆孔的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)水平繩索取芯鉆孔深度記錄；
➤2019年10月，川藏鐵路洛隆段察達(dá)隧道勘察鉆探中，西北有色713隊(duì)使用陜西西探地質(zhì)裝備有限公司XDQ-1200輕便型鉆機(jī)開(kāi)展水平超前地質(zhì)預(yù)報(bào)鉆孔作業(yè)，孔徑75mm，終孔深度 750.5m，創(chuàng)造了輕便型鉆機(jī)水平鉆探孔國(guó)內(nèi)深度記錄。
➤2020年1月4日，四川地礦局402隊(duì)金鉆公司在西南某隧道勘查中順利完成一眼903.28m（75mm口徑）水平取芯鉆孔，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)工勘同類(lèi)鉆孔深度記錄。
➤2020年5月30日，陜西中科非開(kāi)挖技術(shù)股份有限公司在烏尉高速天山勝利隧道項(xiàng)目采用水平定向鉆間斷取芯技術(shù)，于1900m處成功提取博阿斷裂帶巖芯，終孔水平鉆進(jìn)長(zhǎng)度為2271m，再次刷新紀(jì)錄。
➤國(guó)外方面，美國(guó)馬薩諸塞州水資源管理局（MWRA）將定向取芯鉆井系統(tǒng)用于該市28.3km長(zhǎng)的地鐵供水隧道地質(zhì)最復(fù)雜的部分，利用一個(gè)533m長(zhǎng)的鉆孔從地面以30度角彎曲鉆孔至水平位置，并與63m深度的隧道頂部平行取芯，巖芯用于預(yù)測(cè)隧道地質(zhì)條件。
川藏鐵路雅安至林芝新建段隧道數(shù)量眾多，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。將傳統(tǒng)的地勘取芯技術(shù)與水平定向鉆技術(shù)結(jié)合，輔以孔內(nèi)測(cè)試技術(shù)，一定程度上能直觀、準(zhǔn)確的了解隧道掌子面前方不良地質(zhì)情況。
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