水平定向鉆在公路隧道工程中的應用及分析

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股份有限公司，西安 710018）

0 引言

水平定向鉆技術經過幾十年發展，從最初只能進行小河流作業到穿越大江大河，鉆進地層從砂土層發展到巖石地層，從石油、天然氣、自來水、污水等管線鋪設到高速公路、鐵路、海灘、島嶼、隧道等工程領域的應用，在全國乃至全世界有著越來越廣泛的應用及發展空間。

1 項目概況

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，隧道出口段掘進至F7斷裂帶前一段超前地質鉆項目，如圖1所示。其兼具地質勘查及為隧道施工導水的功能。勝利隧道具有“一長、二深、五高”的特點，其中隧道最大埋深1112.2m，“五高”指高地應力、高地震烈度、高環保要求、高寒、高海拔。復雜的地質和自然環境，使得本次水平定向鉆施工尤為困難，加之鉆進長度1720m,入鉆點高程與隧道軸線高程相差約264m，孔徑0.25m。設計曲線在平面上劃R800弧，鉆進地層主要為風化大理巖夾變質砂巖，根據物探解譯及區域地質資料，該段為褶皺段，裂隙發育、巖體破碎、碎裂狀結構，更加大了工程難度。

圖1 天山勝利隧道進口

1.1 地質條件

基于隧道工程項目情況介紹，此次水平定向鉆穿越場址區位于構造剝蝕高中山地貌區，中軸線地面高程2772.00～4113.00m，相對高差1341.00m，地形起伏大，巖石風化強烈，冰川及冰川地貌發育，堆積物主要以第四系冰水堆積碎塊石土為主。擬建隧道進、出口均位于山前斜坡地帶，隧道進口自然坡角約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風化凝灰質砂巖，自然邊坡處于基本穩定狀態。隧址區進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

根據初勘工程地質調繪及鉆探成果，隧址區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）；泥盆系上統天格爾組灰綠色凝灰質砂巖（D3tb）、中元古代（Pt2）薊縣系卡瓦布拉克群第二組（Jxk2）灰褐色變質砂巖、砂質板巖；中元古代（Pt2）長城系星星峽群（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巖（γδS1Q、γδS2Q）、晉寧運動期青白口紀侵入灰色片麻狀閃長巖（tnQbH），水平定向鉆穿越曲線所經過地層初步判斷以強-中風化凝灰質砂巖、碳質板巖、花崗閃長巖等巖層為主。

2 工程機械與設備選擇

2.1 施工機械設備

根據該工程特點及地質條件，選用古登（GD3500-L）鉆機，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

控向系統采用美國VectorMagnetics公司的P2地磁復合導向系統。在正常情況下，鉆進方向及埋深通過P2系統進行監測，并在地表布設人工磁場對監測數據進行校核。本項目除前段200m在克服困難的條件下可布人工磁場外，其余1500m左右由于高差及山勢陡峭無法布置人工磁場，因此選擇加裝慣導陀螺儀與P2相互驗證，慣導陀螺儀測量不受地形限制，不受深度限制，不受電磁干擾，定位精度高且數據連續，抗干擾強，兩者共用以提高控向精度。

2.3 配套機具

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

由于鉆孔軌跡曲率半徑較小（R=800m），鉆進過程中牙輪鉆頭磨損較快，使用壽命較短，每個牙輪鉆頭平均鉆進時間不超過44.6h，鉆進長度平均不超過246m。

由于鉆井液配制成本比較高，在長距離巖石鉆進中使用量比較大，在振動篩等泥漿凈化系統后可以增加離心機除固相設備，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

根據地質資料情況，現場鉆進速度、反渣情況綜合確定泥漿配比。地層情況變化及時調整配比，根據經驗，水平定向鉆所用泥漿由三大部分材料組成：膨潤土、泥漿添加劑和水。在施工過程中用燒堿、純堿對泥漿pH值進行調節，維持泥漿pH值在9～10之間。泥漿作用的發揮和泥漿材料的組成有很大關系。因而，當需要突出某一方面作用時，就應該有針對性地調整泥漿配料的成分。

2.5 清孔方式及井下電視

鉆孔后通過加大泵量，進行活塞式反復推拉洗孔盡量清除孔內鉆渣，洗孔結束后用清水對泥漿進行不斷稀釋及置換，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通過鉆桿進行高壓吹掃。待清孔結束即可送入井下電視查看程控效果及地層情況。

3 現場施工

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。根據施工天氣情況和工程設備及地質條件，按照如下步驟進行施工：見圖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℃，嚴重影響定向鉆施工中泥漿系統的正常運行，因此搭建保溫大棚十分必要。在大棚內采用2臺電鍋爐及5臺大鐵爐綜合取暖方式，保證棚內溫度在0℃以上，施工用水、泥漿不結冰，確保水平定向鉆勘察工作順利進行，如圖5所示。

圖5 保溫大棚

②套管安裝：

在隧道進口沿軸線30m范圍內，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120cm，嚴重影響控向，并會形成冒漿、漏漿等現象。為此在該段范圍內，采用安裝套管方式達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：

本次水平定向鉆隧道勘察項目，采用設備主要有GD3500-L型定向鉆機、發電機組、泥漿泵、泥漿攪拌回收系統、P2控向系統等。見圖7-圖9。

圖7 博阿斷裂

圖9 巖屑采集

④涌水量觀測：

涌水量每日觀測一次。

⑤取芯：

圖8 P2控向顯示平面位置及高程

在施工過程中，分別在1003m、1900m處取芯兩次。見圖10-圖11。

圖10 1003m取芯

圖11 1900m取芯

⑥綜合測井：

在終孔后，對2271m鉆孔全程進行綜合測井。

⑦孔內電視：

對2271m鉆孔全程進行孔內電視攝像。見圖12。

圖12 孔內電視

4 結語

本文結合工程實例，通過水平定向鉆進技術在天山勝利隧道工程中的成功應用，總結了在鉆進施工中施工機械設備、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驗，同時也為同行們在以后類似穿越工程中提供借鑒經驗。