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)測試技術(shù)，能直觀、準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、無法預(yù)報部分小斷層和貫穿性大節(jié)理、破碎巖體鉆進困難等不足。
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)測試技術(shù)，能直觀、準確地了解隧道掌子面前方不良地質(zhì)情況。
目前，國外巖層水平定向鉆技術(shù)在場地勘察、導(dǎo)向軌跡設(shè)計、導(dǎo)向孔開挖、導(dǎo)向方法和鉆進設(shè)備方面均已有應(yīng)用。我國引進水平定向鉆技術(shù)較晚，近年來在理論研究和設(shè)備研發(fā)方面得到快速提升，國產(chǎn)水平定向鉆機已經(jīng)達到國外先進水平。
（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)用是通過平行于隧道設(shè)計軸線鉆水平勘察孔，并在孔內(nèi)開展取芯、水壓致裂、綜合測井和孔內(nèi)電視等相關(guān)測試，利用綜合測試手段可對隧道設(shè)計軸線圍巖的巖性變化、破碎帶分布范圍以及隧道涌水情況等進行精確劃分，實現(xiàn)隧道圍巖地質(zhì)預(yù)報。該技術(shù)主要包括鉆進、取芯、導(dǎo)向、隨鉆測量、綜合測井等五項核心技術(shù)。
（1）鉆進技術(shù)。水平定向鉆進以全面鉆進為主，并根據(jù)地質(zhì)設(shè)計和工況來決定具體取芯間隔。全面鉆進以井底動力（螺桿鉆具）驅(qū)動牙輪鉆頭復(fù)合鉆進為主。極堅硬地層時采用“渦輪鉆具驅(qū)動金剛石鉆頭”復(fù)合鉆進，利用渦輪鉆具的高轉(zhuǎn)速特性進行高效碎巖；或采用“螺桿鉆具＋液動錘”二合一復(fù)合鉆進，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。繩索取芯是當巖心裝滿內(nèi)管時，不提鉆而用繩索打撈器從鉆桿內(nèi)把內(nèi)管撈取出來獲得巖心。繩索取芯因其鉆進效率高、巖芯采取率高、勞動強度低、鉆探成本低等顯著優(yōu)點，而廣泛使用。提鉆取芯是鉆頭鉆達取芯點時，將孔內(nèi)所有鉆具完全起出，更換為取芯鉆具，下鉆進行取芯鉆進，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，如此往復(fù)，直至完成所有取芯計劃。
（3）導(dǎo)向技術(shù)。水平定向鉆通過人工磁導(dǎo)航定向鉆進控向系統(tǒng)（無線）、隨鉆測量有線導(dǎo)向系統(tǒng)實時獲取和調(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)角度信息實時控制鉆具前進方向，從而保證鉆具沿著隧道軸跡進行鉆探勘察。
（4）隨鉆測量技術(shù)。通過傳感器測量近鉆頭參數(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、電阻率測井錄）、鉆井參數(shù)（井底鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速）等，利用井下發(fā)射器通過信號遙測通道（硬導(dǎo)線法、電磁波法、鉆井液脈沖法）發(fā)送至地面，實現(xiàn)隨鉆參數(shù)測量。
（5）綜合測井。每完成一次取芯后，利用取芯孔進行一次水力壓裂試驗，測量地應(yīng)力的大小和方向。在勘察孔鉆至設(shè)計孔深之后，提鉆安裝無電纜存儲式測井儀器，利用聲波、自然伽馬、電阻率等對鉆孔圍巖的巖性、孔溫、密度、滲透性、含水率等參數(shù)進行檢測。亦可安裝電池存儲式孔內(nèi)視頻檢測儀器進行孔內(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)報技術(shù)的探測范圍和數(shù)據(jù)精度均不能滿足施工安全需求�；谒蕉ㄏ蜚@探技術(shù)，可以利用小型化鉆機在隧道緊急停車區(qū)進行水平定向鉆超前地質(zhì)預(yù)報，在不影響隧道正常施工條件下，補充傳統(tǒng)超前地質(zhì)預(yù)報的技術(shù)局限性。
水平定向鉆探技術(shù)能夠精確地對隧道圍巖信息進行詳細的勘察，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）建立水平定向鉆進參數(shù)與鉆孔圍巖的關(guān)聯(lián)性，研究鉆頭破巖機理與隧道圍巖強度的變化關(guān)系，為施工掘進提供真實可靠的數(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，實現(xiàn)間斷取芯，對巖芯進行抗壓強度等基本物理測試，詳細分析隧道沿線巖性的基本物理特性，為隧道圍巖分級提供精確的巖性參數(shù)。
（3）采用綜合測井技術(shù)中的水壓至裂測試、聲波、自然伽馬、電阻率、孔內(nèi)電視等手段對水平勘察孔內(nèi)圍巖巖性進行劃分，對孔內(nèi)圍巖應(yīng)力特性、溫度、密度、滲透性、裂隙發(fā)育程度等進行評價。
水平定向鉆探技術(shù)對隧道施工有一定影響：
（1）在掌子面鉆勘察孔能直接、準確地了解前方圍巖地質(zhì)情況，但會嚴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)，需占用較長的施工作業(yè)時間，嚴重影響施工效率；
（2）在隧道橫通道、緊急停車道等部位以平行于隧道設(shè)計軸線鉆勘察孔對隧道施工影響較小。
同時，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)報效果較差，很難預(yù)測到正洞掌子面前方的小斷層和貫穿性大節(jié)理，特別是與隧道軸線平行的結(jié)構(gòu)面；
（2）在破碎巖體中易卡鉆，鉆進作業(yè)速度慢，面臨塌孔等風(fēng)險；
（3）超長距離水平定向鉆探連續(xù)取芯、深埋地質(zhì)高精度鉆進定位系統(tǒng)及導(dǎo)向控制等技術(shù)還需要進一步研究。
技術(shù)經(jīng)濟性方面，水平定向鉆探技術(shù)的經(jīng)濟性受鉆探工況、地質(zhì)條件、設(shè)備能力、進尺速度、取芯要求、現(xiàn)場試驗和測井效率、隧道施工速度等綜合因素影響，實際應(yīng)用中，可通過設(shè)備選型、鉆進方案優(yōu)化等手段，實現(xiàn)鉆進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，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，中煤科工集團西安研究院使用ZDY1000G型全液壓高轉(zhuǎn)速鉆機和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終孔直徑78.5mm、終孔深度401.8mm的水平取芯鉆孔的現(xiàn)場試驗，為當時國內(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隧道勘察鉆探中，西北有色713隊使用陜西西探地質(zhì)裝備有限公司XDQ-1200輕便型鉆機開展水平超前地質(zhì)預(yù)報鉆孔作業(yè)，孔徑75mm，終孔深度 750.5m，創(chuàng)造了輕便型鉆機水平鉆探孔國內(nèi)深度記錄。
➤2020年1月4日，四川地礦局402隊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)造了國內(nèi)工勘同類鉆孔深度記錄。
➤2020年5月30日，陜西中科非開挖技術(shù)股份有限公司在烏尉高速天山勝利隧道項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，終孔水平鉆進長度為2271m，再次刷新紀錄。
➤國外方面，美國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長的地鐵供水隧道地質(zhì)最復(fù)雜的部分，利用一個533m長的鉆孔從地面以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)測試技術(shù)，一定程度上能直觀、準確的了解隧道掌子面前方不良地質(zhì)情況。
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