可變向連續取芯技術在城市軌道交通勘察中的應用

郭永順 溫曉虎 陳素敏 吳 輝 黃宇輝 智 剛 左戰旗 譚雄衛

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308；3.湖南衛誠地質科技有限公司，長沙 410007)

1 概述

隨著城市軌道交通的發展，大量線路不可避免地穿越斷裂帶等復雜地質環境，其中，斷裂帶的分布、活動特征及場地的穩定性對軌道交通建設影響較大[1-3]。目前，城市軌道交通勘察工作中，以常規垂直鉆探為主，局部地段受地面場地條件限制，無法實施垂直鉆探，往往造成了勘察鉆孔完成率較低。物探作為一種間接補充探測手段，經常應用于缺乏地質資料地段，然而，受人為解譯影響，物探始終存在地球物理反演的多解性，需要鉆探進一步驗證[4-6]。

在廣州地鐵7號線二期工程中，受鐵路、快速路等特殊場地條件影響，常規垂直鉆探及物探手段均無法進行，為了更加準確地揭露斷裂帶，基于水平定向連續取芯技術，將高精度定向鉆探技術與繩索取芯技術有機結合，以期解決在城市軌道交通勘察項目中遇到的難題。

2 定向鉆取芯技術的現狀

定向鉆技術已廣泛應用于礦產、油氣等領域，通過在目標層位的靶向取芯，實現對地質礦產資源的勘查[7-10]。近年來，定向鉆技術也相繼應用于深埋長大隧道勘察中，在某高原艱險鐵路勘察中，已經實現3 000 m級水平定向鉆井，并采用取芯間距為100 m的間斷取芯方式；在西南某隧道，將繩索取芯工藝應用于定向鉆，完成了903.28 m繩索取芯水平孔。不難看出，現有鐵路勘察中的應用均為水平孔，主要難點為防止鉆孔軌跡受重力因素的偏斜[11]。

在定向造斜鉆進的同時進行取芯，仍是目前存在的技術難題，國內已有機構進行相關研究，并取得一定成果。然而該技術仍存在鉆具易磨損、易損件壽命短、取芯直徑小等缺點，與國外同類技術相比，在造斜強度上還存在較大差距[12-14]。

現有定向鉆探多依靠高壓水驅動孔底馬達來實現孔底鉆進，由于鉆桿固定，確定工具面角的母線十分方便，通過隨鉆測斜儀在任何時候都可以準確測出定向鉆的工具面角，以確保定向鉆探的精度。然而，由孔底馬達實現的定向鉆探在取芯方面還存在較大不足，故其在地質勘察領域應用受到極大的限制[15-16]。

3 定向連續取芯關鍵技術及創新性

傳統定向鉆在定向造斜鉆進時，不能連續取芯，且繩索取芯也只應用在直孔中，故如何將定向鉆進技術與繩索取芯技術相結合，成為了技術的關鍵。水平定向鉆繩索取芯技術通過地面鉆機，以設計頂角及方位角鉆進，在連續不斷的繩索取芯鉆進的同時，鉆孔軌跡可按設計要求不斷調整頂角與方位角，鉆孔接近目標地層時，可由射孔時的90°(或任意角度)變成與地面平行的0°，然后沿水平方向連續不斷取芯鉆進。

3.1 定向造斜鉆具的設計

目前，定向鉆具應用比較成熟的有單動雙管、雙動雙管、螺桿鉆等類型。單動雙管鉆具工作時，內管保持不動外管轉動，具有振動、擺動較小，對巖芯的擾動較小，取芯率較好等優點；雙動雙管鉆具工作時，內、外兩層巖心管在鉆進時同時回轉，主要適用于松散、易坍塌的取樣，但內外管同時轉動，也同樣會出現鉆具振動、摩擦等機械力對巖芯的破壞作用[17]。上述兩種鉆具均對鉆具定向轉位影響很大，并不能實現人工的定向控制；螺桿鉆鉆具是底孔馬達驅動，雖然可以人工精確定向，但不能連續取芯[18]。

為實現定向連續取芯的技術，對現有鉆具進行改進，克服了現有技術的不足。依托于廣州地鐵7號線二期工程，應用單動三管鉆具球籠式可轉位定向裝置(見圖1)，在不影響取芯內管取樣的情況下，由不動外管固定導向，采用不同傾角的彎頭形式，并與動管組合成為球籠式結構，形成類似球關節運動的可轉位定向鉆進[19]。

圖1 球籠式可轉位定向裝置

為了保證外管固定，設計了一種機械卡瓦式外管制動裝置(見圖2)。當動管花鍵軸下壓時，推動第一推力球軸承和制動卡瓦錐度推桿向下移動。當推動到一定位置時，在制動卡瓦錐度推桿擠壓下，外管制動卡瓦向外頂出，使其能夠很好地與巖石接觸，在外管制動卡瓦的作用下，能夠進行可靠的外管制動。當動管花鍵軸下壓推力消除時，利用螺旋彈簧的彈力使得外管制動卡瓦自動復位，從而解除對外管的制動，即可以提鉆。該鉆具的設計可以適用于不同地質條件下的高精度定向鉆探。

圖2 機械卡瓦式制動裝置

3.2 定向取芯自動尋位技術

在任意方向的定向鉆探中，由于鉆桿的高速轉動，角度變化對尋找工具面角的母線不利。定向取芯自動尋位技術可以解決無法同時實現任意設定軌跡定向鉆探及連續取芯鉆探的問題。

測量工作角度時，定向取芯尋位裝置見圖3(a)，外套管與上內套管通過止動螺釘與止動槽的配合實現相對固定，將隨鉆測量儀通過靠近上內套管一端的內孔開口投入外套管的內孔，并順著端面滑入斜口引鞋內。此時，隨鉆儀與導向套管的相對位置及角度固定，導向套管與上內套管的相對位置和角度固定，上內套管與外套管的相對位置及角度固定，故外套管與鉆頭工具面母線的相對位置及角度也是確定的，通過讀取隨鉆儀的數據，即可測量出鉆頭的工具面角、方位角及頂角等技術參數[20]。

取芯鉆探時的狀態見圖3(b)，此時，外套管與上內套管分離，下內套管、上內套管、中內套管、導向套管及彈性元件作為一個整體，可相對于外套管轉動，從而實現從鉆桿至鉆頭的傳動，進而實現取芯鉆探。

圖3 定向取芯自動尋位裝置

待孔底的儀器測得孔下的空間參數及造斜工具的工作狀態，上傳地面計算機，工程人員根據實測數據決定是否調動地面的回轉裝置，以調節造斜工具狀態，并使其達到目的層的鉆探。該系統可以對鉆孔軌跡進行有效控制，可以使鉆頭沿著設計的方向達到目標。

3.3 定向造斜與取芯技術融合

定向繩索連續取芯鉆進技術是指把定向鉆進技術與繩索取芯技術有機結合起來的一門新型的勘察技術，技術難點如下。

(1)鉆進時下部鉆具的穩定性較差，導致巖芯不能均勻進入，其原因為井眼軸線與鉆具軸線的不重合。

(2)取芯工具軸線與重力線存在一定的夾角，普通取芯工具在這種情況下會出現2種取芯難的情況：①取芯工具的阻卡現象；②取芯工具在重力的作用下下垂，與外筒內壁接觸，在取芯鉆進時，內置的芯筒與外筒一起轉動，使取芯效果變差。

(3)井底的實際鉆井壓與井口顯示的鉆壓不一致，是由于定向井的鉆柱與井壁之間產生的摩擦力比較大導致的。

(4)在定向井的取芯作業過程中，應該正確判斷鉆壓，使內外巖芯筒居中，并對井眼進行清潔。

研發的定向繩索取芯鉆進系統由鉆桿及鉆頭、取芯內管總成、球籠式定向造斜裝置、測量導向裝置、計算機及軟件、巖芯打撈裝置組成，見圖4。

圖4 定向繩索取芯鉆探系統

4 水平定向連續取芯技術的應用

4.1 工程概況

廣州地鐵7號線二期工程線路區間YDK31+457～YDK32+590段下穿廣九鐵路及廣園快速路，該段隧道軌面埋深為30.6 m。根據《廣東省廣州市軌道交通七號線二期工程(大學城南—水西北)地質災害危險性評估報告》，大沙東站—姬堂站區間線路穿越瘦狗嶺斷裂，產狀為SE95～110°/SW∠50～70°，其地質災害危險性為中等[21]。因此，詳細查明該斷裂帶南端的具體位置，并對該斷裂對擬建線路的影響進行詳細評價尤為重要。

4.2 現場實施

鉆探施工場地選擇在距離鐵路南側約80 m位置，為準確查明隧道結構穿越斷裂帶的具體位置，造斜后目標水平段各孔與隧道結構位置關系見圖5，分別位于左右線中線隧道結構頂板下方1 m及結構頂板上方1.5 m位置。

圖5 水平定向鉆孔水平段相對位置關系(單位：m)

根據設計軌跡，采用XY-4型鉆探機進行鉆進，配備BW320型泥漿泵進行泥漿護壁及地層加固，利用DST隨鉆測斜儀每3 m進行測斜及糾偏，利用定向造斜裝置進行定向造斜，利用繩索打撈器對取芯內管進行巖芯提取(見圖6)。共完成4個水平定向取芯鉆孔，其中左線ZK1號孔完成孔深157.98 m，49個回次，用時41 d；左線ZK2號孔完成孔深189.84 m，60個回次，共用25 d；右線ZK5號孔完成孔深158.50 m，50個回次，共用26 d；右線ZK6號孔完成孔深190.10 m，61個回次，共用38 d。其中左右線各有1個鉆孔穿越廣園快速路，以覆蓋地質空白區域。

圖6 定向測斜及繩索取芯

5 水平定向鉆斷裂勘察成果

5.1 揭露斷裂帶地質特征

水平定向連續取芯技術首次在瘦狗嶺斷裂勘察中應用，實現了全孔段的定向連續取芯，取芯對地層的擾動較小，取芯率滿足要求，取芯揭露地層細節特征明顯。在隧道水平段，由南向北依次劃分出全風化含礫巖層及斷裂影響帶，主要有角礫狀變質含礫砂巖(斷層泥、碎塊狀變質含礫砂巖、巖塊狀變質含礫砂巖、角礫狀碎裂巖(斷層泥)、碎塊狀碎裂巖以及巖塊狀碎裂巖)。影響帶內地層受構造影響多為中風化夾強風化，巖芯呈巖塊及碎塊狀，巖質較軟，局部地段夾有斷層泥，原巖主要為含礫砂巖、花崗巖，取芯率達到90%以上。節理裂隙發育，裂隙面粗糙，存在明顯的擦痕，裂隙局部填充石英脈，呈微張開平緩裂隙，偶見硅化巖及含礫砂巖中包裹花崗巖塊及混雜的現象。

以左線Z1、Z2為例，準確查明了隧道內白堊系康樂段地層與燕山期花崗巖地層不整合接觸帶位置，接觸帶位置巖性變化明顯(見圖7、圖8)。

圖7 廣州地鐵7號線二期左線下穿廣九鐵路水平定向取芯探軌跡

圖8 廣州地鐵7號線二期工程揭露地層

定向鉆探揭露，斷層影響帶內地層按巖性可分為變質含礫砂巖及花崗質碎裂巖，見圖9。其中變質含礫砂巖遇水易軟化崩解，根據風化程度不同，呈現巖塊狀、碎塊狀及半巖半土狀，巖塊狀巖芯取芯率可達95%以上，碎塊狀及半巖半土狀取芯率為60%～70%，隨著靠近斷裂帶接觸面，該巖性基本呈現斷層泥；花崗質碎裂巖根據風化程度不同呈現土柱狀、碎塊狀及巖塊狀，碎裂結構，可見絹云母化、綠泥石化和碳酸鹽化，節理裂隙強烈發育，巖塊狀巖芯取芯率可達85%以上，碎塊狀及半巖半土狀取芯率為50%～60%。受斷裂影響，斷裂帶內巖芯極破碎，取芯率整體較低，取芯較困難。

圖9 定向鉆揭露斷裂縱斷面

5.2 斷裂破碎帶巖礦分析

結合斷裂影響帶巖礦鑒定結果，由南向北到斷裂接觸面，地層為細礫巖、長英質碎裂巖及碎裂巖化絹云母化長英質黑云長石脈狀混合巖(見圖10)。①細礫巖呈褐紅色、塊狀，主要由碎屑物和填隙物組成，碎屑物礦物成分主要由石英、長石組成，巖屑多呈次棱角狀-次原狀，主要為花崗巖、黑云母長石變粒巖、石英巖、碳酸鹽巖等組成，綠簾石零星分布，填隙物包括有泥質、鐵質、鈣質，巖石后期經歷構造作用，部分礦物可見壓碎，局部可見細小裂隙。②長英質碎裂巖呈灰白色，塊狀構造，受構造應力作用較強，由碎塊和基質兩部分組成，碎塊由鉀長石、石英和黑云母組成，石英、長石多成碎裂狀，多見壓碎重結晶及波狀消光，基質為長石、石英、絹云母等呈細小粒狀及粉狀分布在碎塊周圍，波狀消光明顯。③碎裂巖化絹云母化長英質黑云長石脈狀混合巖呈灰色，脈狀構造，基體為黑云母長石變粒巖，脈體為花崗質，呈脈狀分布，部分長石包裹自形黑云母或渾圓狀石英，說明巖石可能經歷巖漿混染作用，其他長英質礦物可見被壓碎，經歷構造碎裂作用強烈。

圖10 巖礦鑒定鏡下詳情

5.3 斷裂破碎帶強度分析

水平定向鉆采取的巖芯直徑為45 mm，滿足室內試驗要求，通過采取典型巖樣進行了強度試驗(見表1)。巖塊狀變質含礫粗砂巖的飽和單軸抗壓強度為2.21～9.98 MPa(橫向抗壓強度)，點荷載強度為1.18～2.66 MPa，換算單軸抗壓強度為25.84～47.53 MPa。巖塊狀碎裂巖的飽和單軸抗壓強度為3.93～13.1 MPa(橫向抗壓強度)，點荷載強度為0.7～1.81 MPa，換算單軸抗壓強度為17.46～35.6 MPa。經過對比，巖塊狀變質含礫砂巖的橫向抗壓強度為豎向抗壓強度的1/10～1/3，巖塊狀碎裂巖的橫向抗壓強度為豎向抗壓強度的1/2～1，說明變質含礫砂巖接近水平層理，巖塊狀碎裂巖裂隙平緩，也說明沿隧道方向的水平鉆孔取芯能真實反映盾構開挖的巖體強度狀態。

表1 斷裂破碎帶巖石水平及豎向力學性質對比 MPa

5.4 斷裂面與隧道相交產狀

水平定向鉆揭露，左線ZK1鉆孔在里程ZDK32+521.14、ZK2鉆孔在里程ZDK32+522.26處存在巖性變化面，傾角約為70°；右線ZK5鉆孔在里程YDK32+510.10、ZK6鉆孔在里程YDK32+512.33處存在巖性變化面，傾角約為51°，基于此判斷瘦狗嶺斷裂面產狀為SE132O/SW∠51～70O，與區域斷裂顯示產狀接近一致，也進一步說明取芯技術的可靠性。

水平定向鉆連續取芯技術的應用，直接揭露到隧道內及上方的地質特征，對指導設計施工具有更直觀的參考價值，建議設計施工單位根據反映出的地質情況，提前采取有針對性的措施。

6 結論

(1)在充分調研現有定向鉆技術的基礎上，結合近年來在鐵路隧道勘察中開展超長水平孔定向取芯技術經驗，通過技術研發，將定向鉆技術與繩索取芯技術融合，克服了軟弱覆蓋層及斷裂破碎地層鉆孔容易垮塌埋鉆的危險，完成φ45 mm的連續取芯。

(2)該技術在城市軌道交通領域的應用，彌補了因場地條件受限不能開展垂直鉆探及物探工作的不足，解決了廣州地鐵7號線二期工程穿越瘦狗嶺斷裂存在較大的地質風險。通過連續取芯技術結合土工試驗，揭露了隧道結構穿越瘦狗嶺斷裂的地質特征，并查明了瘦狗嶺斷裂面的產狀及與隧道的接觸位置關系，為設計施工提前采取相關措施提供重要的地質依據。

(3)隨著城市軌道交通發展，新線路勘察遇到的難題也不斷凸顯，水平定向連續取芯技術為城市軌道交通勘察提供了一種新的勘察手段，尤其在地鐵穿越建構筑物、鐵路、高速公路等影響地面鉆探作業情況下優勢明顯。