多分支定向鉆探技術在隧道勘察中的應用

王勇剛, 孫紅林, 胡志新, 王義紅, 呂偉偉

(1. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北 武漢 430063; 2. 水下隧道技術國家地方聯合工程研究中心,湖北 武漢 430063; 3. 陜西太合智能鉆探有限公司, 陜西 西安 710000)

0 引言

在工程勘察領域,現階段最為直觀和可靠的方式是: 通過地面豎向鉆探對地表以下一定范圍內的土樣和巖芯進行物理力學指標的測試,在孔內輔以1種或幾種物探手段,兩者相互印證,從而揭示工程場地的地質條件。豎向鉆探作為一種成熟的技術手段,已經形成了一系列規范和綜合勘察體系。

隨著我國經濟的快速增長,工程建設規模和數量不斷提高,建設環境日趨復雜,建設區域遍布空間擁擠、交通阻塞的城市,地勢險要、人煙罕至的深山等; 同時,工程建設的安全化程度、對勘察工作的精細化要求也在不斷提高[1]。工程建設要以工程地質勘察為前提,對于建筑密集、交通繁忙、管線密布的復雜城區,通航環境復雜的水(海)域,高落差的復雜陡峻山區,或地層結構陡傾多變、巖溶發育、受陡傾構造控制的工程地質條件復雜的區域,傳統的豎向勘探技術受地面環境因素或自身工藝制約而無法實施或存在精度低的問題,無法滿足精細化勘探和現有規范規程的要求,導致工程地質情況探察不清,設計與實際地質情況有一定差距,影響工程建設和運營安全[2]。針對上述情況,工程勘察行業引入了定向鉆進技術,發揮其鉆孔軌跡可控、鉆進距離長、施工現場布置靈活等優勢,以解決工程勘察所遇到的施工場地空間極其受限的問題[3-4]。

在高峻陡峭、劇烈起伏山嶺地段的超長超深隧道,目前已有項目采用水平、俯斜、仰斜定向鉆探來揭示隧道洞身地質情況[5-6]。在建筑密集、交通繁忙、管線密布的復雜城區,也進行了一些定向勘探方面的工作。例如: 徐州軌道交通1號線工程地質勘察中采用水平定向孔結合綜合測井查明盾構區間巖溶發育情況[7]; 廣州地鐵7號線工程地質勘察中采用定向鉆連續取芯方案查明隧道結構穿越瘦狗嶺斷裂的地質特征[8]。但對于復雜的工程地質問題,采用開設數條分支鉆孔的方式進行精準探測,還鮮有嘗試。

本文在廣州至廣州南的鐵路隧道地質勘察中采用可控軌跡的多分支定向鉆探技術,通過鉆孔取芯與孔內測試手段,詳細查明隧址區工程地質條件,為隧道的精準設計、施工提供前提條件。

1 定向鉆探技術

根據軌跡設計要求,使用造斜工具,不斷控制鉆頭前進方向,并將鉆孔逐漸延伸至預定目標的鉆進方法稱為可控軌跡定向鉆探技術。該技術也可以與其他鉆探技術相結合,如鉆探取芯技術、隨鉆測量技術以及綜合測井技術。多種技術結合使探察鉆孔軌跡線附近一定范圍內的工程地質情況成為可能,并成為了一種新的工程地質勘察方法。在地質條件特別復雜、地層結構變化頻繁、近垂向構造發育時,可沿地下工程的特定位置布設2條或數條定向勘察孔,或者實施數條分支鉆孔,精準揭示沿地下工程軸線方向詳細的線狀地質條件,滿足地質資料準確可靠的要求。

1.1 定向鉆探鉆進原理

定向鉆探裝備包括定向鉆機、測量系統、沖洗液循環裝置、螺桿鉆具、鉆桿鉆頭等。其中螺桿鉆具是定向鉆區別于豎向鉆最重要的部件,其詳細結構見圖1。

1—旁通閥; 2—鉆具外殼; 3—螺桿馬達; 4—萬向軸; 5—傳動軸; 6—馬達外殼; 7—定子(橡膠襯套); 8—轉子。

螺桿鉆具最關鍵的部件是螺桿馬達,由2個表面帶有螺旋齒和槽的定子和轉子組成。當高壓液體進入定子與轉子之間的空腔時,產生的不均衡壓差迫使轉子旋轉,將沖洗液壓力能轉換為機械能,通過萬向軸驅動鉆頭旋轉,從而達到回轉切屑破碎巖體的目的。

1.2 定向鉆探工藝

在軌跡較為復雜的定向鉆進中,一般需要采用復合鉆進的方法,比純滑動的鉆進效率更高。滑動鉆進時高壓沖洗液驅動螺桿馬達轉動,鉆機動力頭和鉆桿不回轉,鉆孔沿螺桿馬達工具面穩定向前滑動; 滑動鉆進具有鉆孔軌跡平滑性差、排渣能力弱、鉆進阻力大的特點。采用復合鉆進時,螺桿馬達在帶動鉆頭轉動的同時鉆桿鉆具也一起回轉,達到滑動造斜和回轉穩斜的效果;復合鉆進具有碎巖和出渣能力強、鉆進阻力小、鉆壓傳遞效率高、孔壁更光滑、鉆進效率高的特點[9-10]。

1.3 定向鉆探取芯技術

取芯是工程地質勘察對鉆探工作的一項基本要求。經過幾十年的發展,根據鉆進效率與取芯效果的不同,定向鉆探取芯技術主要可分為2種: 提鉆取芯和繩索取芯。

提鉆取芯是取芯鉆探最早采用的方法,鉆具結構和鉆探工藝相對簡單,可靠性高,便于實現機械控制,可在曲線段取芯。但提鉆取芯也存在輔助作業時間長、鉆探效率低的缺點,在反復提放過程中會對孔壁穩定性產生不利影響,當地質條件不良、巖體破碎時,上部孔壁巖層易掉落孔底,極易造成卡鉆等孔內事故,影響取芯的質量[11]。

繩索取芯主要適用于定向近直孔段。在定向鉆進過程中,當鉆桿內的巖芯管被巖芯充滿,不用將孔內鉆桿提升至鉆孔地表,可以直接借助巖芯鉆探專用打撈器將巖芯管提取到地面。因此,繩索取芯的效率比提鉆取芯高,目前在地質巖芯鉆探行業內已得到廣泛應用[12-13]。

1.4 分支孔技術

如果遇到地質條件特別復雜、地層結構變化頻繁的孔段,可在定向鉆主孔的基礎上,選擇在地層相對穩定的部位開設分支鉆孔,分支鉆孔可設定為上翹或下彎或者兩者均采用。為減小鉆具在多次彎曲時產生的摩阻力,在設計分支鉆孔時,應使軌跡盡可能平滑。

1.5 鉆孔軌跡控制與隨鉆測量技術

隨著人們對鉆探工藝要求的提高,鉆孔軌跡控制技術也越來越重要,其主要方法是: 通過隨鉆測量儀實時監測鉆孔傾角、方位角、孔深等參數,再與設計軌跡進行對比,通過調整螺桿鉆具的工具面角使鉆孔按照預定軌跡延伸。

1.6 綜合測井技術

在工程地質勘察方面,綜合測井技術主要用于圍巖級別的劃分、裂隙破碎帶的判識、地溫測試、放射性測試以及含水層的判斷等。根據工程需要,可用鉆桿將測井儀器送入指定位置,全孔或間隔測試孔內聲波波速、電阻率、自然伽馬、井溫等,與采取的巖芯綜合分析,可更好地解決復雜的工程地質問題。

2 應用工程概況

2.1 工程概況

廣州至廣州南鐵路設計速度為200 km/h,起自廣茂鐵路五眼橋線路所,終至廣州南站。除兩端接線工程外,線路全部采用地下敷設方式通過,為1座長約13 km的隧道,并設2處豎井,最大埋深為65 m,洞身大部分位于弱風化基巖內,擬采用盾構法施工。

2.2 工程地質條件

沿線屬珠江三角洲沖積平原區,地形相對平坦、開闊,大部分被開墾為民宅、村舍、廠房,交通便利,沿線房屋密集,地表淺層管線密布。沿線地表全部被第四系沉積物所覆蓋,主要為人工填土,全新統沖洪積(Q4al+pl)軟—硬塑粉質黏土、黏土,局部夾透鏡狀砂層,零星出露流—軟塑狀淤泥、淤泥質黏土,第四系地層厚5～11 m。下伏基巖為白堊系(K)泥巖、砂巖及鈣質砂巖,偶見泥灰巖。

線位大部分位于房屋密集的城市區域,特別是DK6+600～DK7+200段,地表左右側400 m范圍內遍布住宅、學校、道路,不具備地面豎向鉆探的實施條件(見圖2),因此采用地面定向鉆方案進行工程地質勘探。

圖2 DK6+600～DK7+200段勘察范圍平面示意圖

3 定向鉆孔設計及技術要求

3.1 鉆孔軌跡設計

鉆孔軌跡設計之前,需要先確定可用于現場施工的場地,不危及周邊建筑物基礎,遠離地下管網,有足夠平坦開闊的空間用于鉆機擺放、沖洗液循環、工具材料堆放,并盡量減小鉆孔平面彎曲。本段隧道軸線方位角為332.25°,定向孔需沿隧道軸線在距離洞底下方1 m位置定向延伸。選取地平面開孔點為坐標原點,平行隧道軸線方向為X軸,垂直隧道軸線方向為Y軸,豎直向下方向為Z軸。采用均角全距法,考慮鉆機設備、鉆桿或鉆具所確定的彎曲強度,同時滿足孔內物探測試、芯樣物理力學性質測試的最小直徑要求,再進行鉆孔軌跡設計。定向鉆孔平面投影、縱剖面分別見圖3和圖4。

圖3 定向鉆孔平面投影圖(單位: m)

圖4 定向鉆孔縱剖面圖(單位: m)

如圖3和圖4所示,定向孔開孔位于O點,孔徑153 mm,開孔傾角為-20°,方位角為326°,OA為斜直孔段;AB段孔徑為110 mm,在兩平面內造斜,水平方向彎曲強度為1°/6 m,豎直方向彎曲強度為1°/6 m;BC段孔徑為110 mm,僅在豎直方向造斜,彎曲強度為1.5°/6 m。分支孔1直徑為110 mm,D點孔深為228 m,為分支孔1造斜起點;DI段為分支孔1造斜段,僅豎直方向彎曲,強度為1.5°/6 m;IE為分支孔1直孔段。分支孔2直徑為110 mm,F點孔深為366 m,為分支孔2造斜起點;FJ段為分支孔2造斜段,僅豎直方向彎曲,強度為1.5°/6 m;JG為分支孔2直孔段。

設計鉆孔總長960 m。其中,主孔長630 m,2個分支孔長330 m。

3.2 鉆孔工藝設計

根據項目所處環境,設計鉆孔深度、結構,以及地質勘察的需求,選用ZYL-7000D型履帶式全液壓定向鉆機,配置相關配套設備,見表1。在定向鉆進的各階段采用不同的鉆具組合(見表2),以減少鉆探難度,提高巖芯采取率。

表1 定向鉆機及輔助設備

表2 鉆具組合表

3.3 定向鉆工程地質勘探技術要求

為使定向鉆進成果滿足工程地質勘察的精度要求,在鉆探過程中應按如下技術要求執行。

1)開孔高度允許偏差±30 mm,角度允許偏差±0.5°,方位角允許偏差±0.5°。

2)采用鉆孔軌跡隨鉆測量控制技術,鉆進過程每次進行1次孔斜角和方位角的測量與校正,孔斜角、方位角的測量精度分別為±0.1°和±0.3°。

3)實際鉆孔軌跡需滿足精度要求,適時采用糾偏技術,鉆孔軌跡偏離度應控制在0.5°/100 m以內,空間方向終孔偏距控制在1 m以內。

4)沿洞身方向每隔15～30 m取1組巖芯;巖面變化較大地段采取加密取芯或全孔段取芯的方式。

4 現場實施及工效分析

4.1 現場實施

4.1.1 場地要求

本項目場地尺寸為8 m×6 m(長×寬),采用混凝土找平硬化,坡度-10°,設置供排水系統,采用柴油機自發電。

4.1.2 鉆探施工

按照設計好的平面位置、高程、開孔方位角、傾角確定鉆機位置,并將支撐柱牢固固定。

場地表層為第四系地層,開孔采用φ110 mm鉆頭加φ73 mm通纜鉆桿,初始階段采用低壓力、小泵量回轉鉆進,根據孔內返渣情況適當增加推進壓力及泵量,直至鉆進77 m較完整基巖處停止鉆進。反復洗孔后更換φ95 mm擴孔鉆桿、φ110/153 mm擴孔鉆頭進行擴孔作業。定向鉆進過程中保持鉆壓為15～30 kN、泵量為240～280 L/min、泵壓為3～4 MPa。

定向鉆成孔順序為主孔—分支孔1—主孔—分支孔2—主孔。分支孔1施工完成后,將鉆具、鉆桿回退至主孔預開的分支孔1,通過鉆機動力頭調整造斜鉆具高邊方向,采用低速磨削滑動定向鉆進工藝,使鉆孔軌跡沿鉆孔主軸近水平延伸,于主孔366 m處再開設分支孔2,重復上述過程,最終完成主孔施工。

本項目在地面開孔后,需經過約180 m造斜進入近水平段,且鉆進過程需再次造斜進入分支孔,鉆孔軌跡整體存在較大弧度、狗腿,不滿足繩索取芯工藝技術要求,因而本次采用提鉆取芯的方法。

根據前期初勘地質資料,定向鉆孔0～30 m為第四系地層;30～77 m為全—強風化泥質砂巖、砂巖、砂礫巖地層,巖體破碎,軌跡設計為斜直孔,本段采用單動雙管復合片鉆進取芯方式,可最大限度地保證巖芯的完整性和原狀性。

孔深77 m以上為弱風化泥質砂巖、砂巖、砂礫巖地層。采用單動雙管取芯工具串取芯時,在重力作用下,內巖芯筒與取芯工具的外筒內壁始終處于接觸、摩擦狀態。由于外筒壁較薄,取芯數次后,絲扣連接處磨損嚴重,故在實施過程中將取芯方式調整為單管取芯。但常規取芯的鉆頭內臺階無錐度,單管取芯時不易卡斷巖芯,卡簧磨損過快。因此,通過對鉆頭進行二次加工,在鉆頭內壁車出內臺階錐度,巖芯帶動卡簧下行并被卡于內臺價處,大幅提高了巖芯采取率。本段巖體較完整,孔壁相對穩定,但孔身結構極為復雜,小S型拐彎多,為確保孔內安全,減少鉆桿疲勞及磨損,采用0°螺桿鉆具+巖芯管+φ110 mm復合片取芯鉆頭+卡簧組合的方式,沿洞身方向每隔10～15 m取1組巖芯。本項目共采取巖芯45次,累計取芯長度45.3 m,土層取芯率達到90%,巖層取芯率達到95%。典型巖芯照片見圖5。

(a) 第四系地層巖芯

4.1.3 鉆孔軌跡對比

鉆孔軌跡采用隨鉆測量裝置,鉆進過程中每3 m采集1次數據;完成鉆孔后,鉆桿回退時于相同位置再采集1次數據,將2次采集的數據進行平均。以開孔點為坐標原點,經數據轉換,將實測坐標與設計坐標進行對比,代表性點位坐標數據見表3。

表3 實測坐標與設計坐標對比表

由表3可以看出,軌跡偏移量基本控制在0.7 m誤差范圍以內。分支孔2深510 m處軌跡偏移較大,為分支孔2的末端,原因是司鉆人員操作失誤、復位失敗,導致后續定向時彎螺桿工具面向角調整錯誤,鉆進時彎頭沒有按照司鉆人員意圖鉆進,軌跡偏移增大。

4.1.4 物探測試

為查明隧道洞身一定范圍內的圍巖完整性,劃分圍巖級別,在孔內進行聲波、電法物探測試,測定巖體縱波波速,圈定裂隙破碎帶范圍。探測采用聲波電法一體化測井儀、1個探頭(發射器)加8個接收裝置(復合傳感器),1次測量同時采集波速信號和電阻率數據。孔內物探設備及線纜布設見圖6。

圖6 孔內物探設備及線纜布設示意圖

鉆孔完成后,將φ95 mm擴孔鉆桿(中空)下放至孔底附近,預留3～5 m裸孔;探頭及傳感器采用數據線纜與地面接收裝置連接,兩端固定推送活塞裝置,將數據線纜從孔口穿過密閉三通閥。以高壓水作為動力,將探頭及傳感器、推送活塞逐步推出鉆桿至裸孔段。之后緩慢將鉆桿從孔口提出,每節鉆桿均從整根數據線纜尾端取下,然后回拉數據線纜帶動探頭及傳感器回退,連續進行數據采集。

本項目電法供電時間0.5 s,采樣時間間隔0.05 s,地震參數采樣間隔50 kHz。探頭每回退0.5 m測試1次,如此重復,直至測試完畢,共采集1 069個測點。

本次定向鉆總共布設聲波、電法測井測線610 m,其中533 m處于無鋼套管的裸孔中,靠近孔口的77 m位于護孔的鋼套管內部。因鋼套管對聲波與電法信號存在干擾,嚴重影響測試數據質量,故本次有效測試數據為裸孔中533 m測線的測試數據。部分孔段物探測試波形如圖7所示。

圖7 孔內綜合物探波形圖

從鉆孔電阻率、波速測井曲線綜合分析判斷,鉆孔測試段內聲波速度總體分布在1 850 ～2 250 m/s,整體相對穩定,變化幅值相對較小,表明測試段內巖性相對完整。235～309 m、488～527 m等位置處電阻率值相對較低,結合鉆探取芯資料分析,推測為巖體較破碎,裂隙充水充泥所致。

4.2 工效分析

本項目定向鉆于2021年10月17日開孔,2021年12月11日終孔,鉆進總時長56 d,有效鉆進時長44 d。其中,純鉆時長339.5 h,純鉆率32.15%;輔助時長619.5 h,輔助率58.66%;機故時間23 h,機故率2.18%;其他停待時間74 h。輔助時間主要用于提鉆取芯,重復下鉆桿的時間。從以上數據可以看出,提鉆取芯花費時間約占總時長的60%,提高取芯效率可以大幅度提高可控軌跡鉆探地質勘察的效率。

5 結論與討論

本文基于在廣州城區成功實施的主孔660 m+分支孔330 m可控軌跡鉆探工作,輔以取芯及物探測試,獲取了地層信息及隧道設計參數,解決了復雜城市環境勘察難題,其優勢主要體現在以下方面。

1)可沿隧道洞身進行連續“線狀”精準勘探。即采用鉆孔軌跡控制技術使鉆孔沿隧道設計軸線連續精準鉆進,將垂直孔“點”勘察,優化為水平孔“線”勘察,提高勘探成果的利用率。

2)分支技術可對重大的工程地質問題進行精準探測。借助定向鉆軌跡可控的優勢,對于地質情況不明或存在重大工程地質問題的區域,采用分支孔技術,從主孔開設分支孔到達指定區域,實現對目標位置地質情況的精準探測。

3)根據地層變化情況,動態調整取芯密度。采用取芯技術,可對節理、構造發育情況進行精確刻畫,對巖芯進行基本物理力學測試后,可詳細分析沿線地層的特性,并提供準確的巖性參數。在基巖變化較大地段加密取芯,變化不大地段適當減少取芯。

4)實時監測鉆進參數,及時了解地層變化。對于不同的鉆進地層,鉆機設備所表現出的鉆進參數不同,因此,鉆進數據可概化為粗略反映地層物理力學性質的參數。對定向鉆進過程中的設備鉆進數據進行實時監測,通過參數反演實時粗略掌握鉆進地層的性質,及時了解地層變化,提高工作效率,達到精細化勘探的目的。

5)物探與鉆探的相互驗證。定向鉆探技術的探測手段包括鉆探和物探2種,通過對2種探測技術的特點進行分析和研究,整合物探與鉆探結果,利用鉆探成果對物探資料開展精細解譯工作,實現工程地質勘探過程中鉆探物探技術一體化探測,進一步提高工程地質勘探結果的可靠性和準確性。

但是,受限于設備、材料、工藝等方面的制約,可控軌跡鉆探技術在工程地質勘察中的應用還存在很大的改進空間。

1)由于可控軌跡鉆探存在較大的曲率變化,無法采用繩索取芯;當采用提鉆取芯時,需頻繁起下鉆,在鉆桿遭受嚴重磨損的同時,鉆探工效大幅降低。因此,針對工程地質勘察的特定需求,需在鉆探設備、鉆進工藝方面進行研究改進,提高取芯效率。

2)物探設備需要向小型化、自動化、隨鉆可測可視化方向發展,并且隨鉆測試需要將多種物探手段和技術融合,實施一體化探測。