工程科学与技术   2022, Vol. 54 Issue (2): 21-29
超深定向钻探技术在川藏铁路隧道勘察中的应用
徐正宣1,2, 刘建国2, 吴金生3, 冯涛2, 陈明浩2, 王彦东2, 袁东2     
1. 西南交通大学,四川 成都 611756;
2. 中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031;
3. 中国地质科学院 探矿工艺研究所,四川 成都 611734
基金项目: 四川省重点研发计划项目(2019YFG0460;2019YFG0001);中国铁路总公司重大项目(P2018G046);中铁二院科研项目(KSNQ212020)
摘要: 针对川藏铁路沿线地形高差大,隧道工程顶部地形陡峻,隧道长、埋深大,交通条件极差,竖向深孔勘探无法实施等难题,以及现有定向勘探钻机在高山峡谷地区铁路勘察适应性差和定向勘探技术不能满足铁路隧道勘察对全孔地质岩心取心的技术要求等方面存在的不足,提出开展超长绳索取心定向钻探器具与装备研发、钻进技术与工艺研发、勘探模式研究及铁路超深定向勘探应用与示范工程。通过阐述超深定向钻探技术在川藏铁路隧道工程勘察中的应用现状,提出其发展建议。结论表明:1)通过超深水平定向勘探技术与装备研发,解决了川藏铁路水平深孔钻探装备难题,创新形成一套水平绳索定向钻进器具与工艺,形成一套超长绳索取心定向勘探工法。2)通过将自主研发的GXD–5S千米级全液压动力头定向钻机和超长绳索取心定向钻进技术成功应用于川藏铁路卡子拉山1号隧道,作为示范工程创造了目前国内水平绳索钻杆PQ(直径122 mm)深度588 m和HQ(直径96 mm)974 m两项最新纪录。3)基于水平钻探、斜向钻探和仰斜定向钻探3种勘察模式,构建了高山峡谷地区隧道勘察设计特殊地质因子获取地质模型。4)川藏铁路雅安至昌都段共完成超长绳索取心定向勘探钻探27孔,其中,最深水平定向钻孔深度达1 888.88 m,是国内采用NQ系列水平绳索取心最深钻孔,为超深定向钻探技术更好地服务铁路勘察设计和推广应用提供支撑。
关键词: 超深定向钻探技术    隧道勘察    水平定向钻机    超长绳索取心    川藏铁路    
Application of Ultra-deep Directional Drilling Technology in the Investigation of Sichuan—Tibet Railway Tunnel
XU Zhengxuan1,2, LIU Jianguo2, WU Jinsheng3, FENG Tao2, CHEN Minghao2, WANG Yandong2, YUAN Dong2     
1. Southwest Jiaotong Univ., Chengdu 611756, China;
2. China Railway Eryuan Eng. Group Co. Ltd., Chengdu 610031, China;
3. Inst. of Exploration Technol., Chinese Academy of Geological Sciences, Chengdu 611734, China
Abstract: In view of the large terrain elevation difference along the Sichuan—Tibet railway, the steep topography of the long and large buried depth tunnel project, extremely poor traffic conditions, and the inability to implement vertical deep hole exploration, the existing directional exploration drilling rig has some shortcomings in the poor adaptability of railway survey in high mountain and canyon areas, and the directional exploration technology cannot meet the technical requirements of full-hole geological core coring in railway tunnel surveys. It is proposed to carry out research and development of ultra-long rope coring directional drilling tools and equipment, drilling technology and process, exploration model and railway super-long directional exploration application and demonstration project. Based on the summaries of the application status of ultra-deep directional drilling technology in the Sichuan—Tibet railway tunnel engineering survey, its development suggestions were put forward. The conclusions show that: 1) Through the research and development of ultra-deep horizontal directional exploration technology and equipment, the problem of horizontal deep-hole drilling equipment on the Sichuan—Tibet railway has been solved, and a set of horizontal rope directional drilling equipment and technology has been innovated, achieving zero domestic breakthroughs, and forming a set of ultra-long rope coring directional exploration method. 2) The self-developed GXD–5S kilometer-level full-hydraulic power-head directional drilling rig and super-long rope core directional drilling technology have been successfully applied to the Kazila Mountain No. 1 Tunnel of the Sichuan—Tibet railway and created a domestic horizontal rope as a demonstration project the two latest records of drill pipe PQ (diameter 122 mm) with depth 588 m and HQ (diameter 96 mm) with depth 974 m. 3) Through three survey modes of horizontal drilling, oblique drilling, and upside directional drilling, special geological factors for tunnel survey design in high mountains and valleys were constructed to obtain new geological models. 4) A total of 27 ultra-deep rope coring directional exploration drilling holes were completed in the Ya’an—Changdu section of the Sichuan—Tibet railway, of which the deepest horizontal directional drilling depth was 1888.88 m. Deep directional drilling technology provides a better support for the railway survey design and popularization and application.
Key words: ultra-deep directional drilling technology    tunnel survey    horizontal directional drilling rig    ultra-long rope core    Sichuan—Tibet railway    

川藏铁路雅安至林芝段新建正线长度约1 011 km,新建车站24座(不含雅安站、林芝站);分布隧道72座,长约838 km,占线路长度约83%;桥梁87座,长约114 km,占线路长度约11%;路基长约59 km,占线路长度约6%。川藏铁路为Ⅰ级双线电气化铁路,设计时速160~200 km/h[1]。受强烈的新构造运动影响,高地应力大变形及岩爆、活动断裂及高烈度地震、高地温及高温热水等隧道工程地质问题极为突出,超长深埋极复杂隧道勘察是全线工程勘察的重点和难点,而地质钻探又是制约川藏铁路地质勘察的瓶颈。深孔勘探采用超深定向钻探技术,能够克服地形困难,弥补陡倾岩层竖向钻探技术的缺点,直接模拟隧道施工阶段洞身前沿隧道地质情况,改变过去垂直“点”勘察为“线”勘察,提高勘察效率,为隧道勘察设计施工提出合理建议。

定向勘探钻机方面,国外的液压钻机已经走过了160余年的发展历程,其水平定向钻进设备研究较成熟,如:澳大利亚定向钻机可以在煤、岩层中成孔达千米以上,主要用于煤矿井下以瓦斯抽放、探排水、勘探及地质构造探测为目的本煤层及煤层与煤层之间定向钻进和回转钻进。20世纪60年代,中国开始向国外学习,引进并仿制了比较成熟的立轴式钻机,并在全国范围内推广使用。此后的二十年内,立轴式钻机的研发和改进工作一直在进行。当液压技术在国外兴起并逐渐发展完善时,国内的液压领域依然方兴未艾。国家“十一五”期间,国内的液压岩心钻机发展有了新的起色,很多科研机构和钻探公司先后推出了自主品牌的液压岩心钻机。如:北京天和众邦勘探技术有限公司的 CSD型液压岩心钻机,连云港黄海机械厂的HYDX系列钻机,中国地质科学院勘探技术研究所的YDX–4、YDX–5型钻机,以及中国地质装备总公司的HCDU系列钻机等,设计钻深达1 500~1 600 m。国内水平钻进钻机多应用于煤矿井下作业,代表的机型有重庆煤炭研究院生产的ZYWL–6000D、ZYWL–6000DS 和 ZYWL–4000D 型煤矿用全液压钻机,西安煤炭研究院生产的ZDY6000LD(A)、ZDY6000LD(F)型煤矿用履带式全液压坑道钻机,北方交通生产的ZDY3500L 煤矿用履带式液压坑道钻机。但上述几种类型的定向钻机钻孔能力均在500~1 000 m范围内,难以适用于千米以上的深孔定向钻进。中煤科工集团西安研究院在“十二五”期间研制的 ZDY12000LD 钻机,也无法满足地面普通回转取心钻进的要求。

定向勘探技术方面,国内定向钻进技术与国外技术水平整体上差不多,主要分为两大类:一是石油上的定向勘探钻进技术[2],另一个是地质矿产定向勘探[3-5]。石油钻进技术不适合高山峡谷地区铁路勘察应用,主要是国内石油钻机施工水平孔深度较深,钻孔主要形式是先钻垂直部分,再施工水平部分,一般不取心,体积重量大。而开展针对高山峡谷地区铁路钻探技术装备研究十分必要[6],钻探技术装备是钻探工程的重要组成部分,其随着钻探方法和钻探工艺的发展而变化,也直接影响着钻探技术水平的进步[7]。水平定向钻进技术能很好地解决隧道工程地质勘察的现状,是变革性的地质勘察技术[8-9]。研究表明,在某些特殊条件下进行水平孔钻进时,常规钻进方法实施困难,而绳索取心钻进技术具有明显的技术优势[5],主要表现为具有防孔内掉块、避免断钻杆、起钻次数减少,减轻劳动强度,减少钻探成本等优势[10]。例如:挪威对Bømlafjord海底隧道进行了长900 m的水平定向取心,在正式施工前成功检测出一个深度侵蚀通道,并及时修改施工方案避免了重大损失[11]。意大利Geodata公司在阿尔卑斯山隧道勘察中,采用定向钻探技术钻进深度2 200 m,取心长度6 m[12]。2019年,中国煤科西安研究院使用ZDY15000LD定向钻进装备在神东煤炭集团保德煤矿进行钻孔工程示范,完成了主孔深度3 353 m的沿煤层超深贯通定向钻孔;在此之前,先后完成2 311及2 570 m顺煤层超深定向孔[13-14],未取心。2019年10月,西北有色713队使用XDQ–1200轻便型钻机在川藏铁路洛隆段察达隧道勘察钻探,创下当时轻便岩心钻机水平钻探孔的国内最深纪录750.5 m[15]。2020年5月30日,乌尉高速公路天山胜利隧道超长距离水平定向钻虽然终孔深度达到了2 271 m,但其仅在1 003和1 900 m两处完成了间断定向取心。以上案例虽然成功应用定向钻进技术,但未能实现全孔连续取心。因此,小直径全孔连续取心技术仍是目前一项严峻的挑战。

超深定向钻探技术的研发和应用方面,国内外学者开展了大量的研究工作。吴纪修等[12]结合国内外水平定向勘察技术的应用现状及存在的问题,提出开展单次超过3 000 m水平定向多工艺钻进关键技术与装备攻关,构建水平定向勘察技术体系的建议。吴金生等[4]针对普通绳索取心钻进无法满足铀矿、多金属矿等新能源地质设计要求的问题,研发小直径深孔随钻定向纠斜技术,取得了较好的应用效果。张杰等[16]针对软煤钻进成孔深度浅,钻孔轨迹不可控,易出现瓦斯抽采盲区等问题,发明了气动螺杆钻具定向钻进技术,可以满足软煤井下瓦斯高效治理需要。段建利[5]以宋楼铁矿区绳索取心定向钻进技术的应用现状,印证了采用定向钻探技术的优越性。闫保永等[17]针对常规定向钻机不能完全满足国内长距离回采工作面瓦斯预抽钻孔和顶底板岩层大直径钻孔施工需求的问题,提出研制适用于大直径高位定向钻孔施工的大功率定向钻机。白璟等[18]根据现有超深超小井眼定向钻井技术能力和水平,从技术和装备的发展角度提出技术发展建议。王振[19]指出千米钻进技术必须在其技术的适用性、钻进参数和抽采参数匹配的合理性,以及使用的安全、经济效益等方面加强研究,才能充分、高效地发挥其技术优势。赵大军等[20]指出地质勘探行业在水平孔绳索取心钻进钻杆的运动和受力方面研究较少,可借鉴石油钻井作业的研究成果,对地质钻探水平孔绳索取心钻杆的受力进行专门的深入研究,为优化钻探工艺参数,优化钻具结构,提高水平孔钻探深度提供理论基础。叶兰肃等[21]利用多分支水平孔定向钻进技术,大幅度提高了矿井防治水工作效率和防治效果,降低了井下钻探注浆施工存在的安全隐患,取得较好的应用和效益。综上,在铁路工程开展超深定向钻探技术研发和应用具有迫切的需求和重大的意义。

本文通过分析现有研究存在的问题,提出千米级全液压动力头水平定向钻机研发、水平绳索随钻定向钻进器具与工艺、高原高寒高山峡谷地区铁路超长定向勘察模式及铁路超长绳索取心定向勘探技术等关键技术,对超深定向钻探技术在川藏铁路隧道工程勘察中的应用现状进行论述,提出其发展建议,为超深定向钻探技术更好地服务铁路勘察设计提供支撑。

1 研究现状存在的问题 1.1 定向勘探钻机

现有定向勘探钻机存在以下问题:

1)国内石油钻机一般不取心,体积重量大,对场地条件要求高,搬运困难,对环境敏感的高山峡谷地区铁路勘察适应性差。

2)国内煤科系统的水平定向钻机多应用于煤矿井下瓦斯抽采作业,输出最大转速150 rpm,无法满足地面普通回转取心钻进的要求[12]

3)国产全液压岩心钻机的性能稳定性差,在孔深较浅和相对较软的岩石上凿岩效果优秀,但当遇到孔深较大且为花岗岩等硬质岩时,由于钻杆过长或者阻力过大,钻机不能稳定连续输出回转并给进动力,从而导致钻头非工作性损坏和效率下降等相关问题[22]

4)智能化水平低,不能满足钻进参数数字化监测和远程控制[19]

1.2 定向勘探技术

现有定向勘探技术主要存在以下4个问题:

1)煤矿系统实施的小直径水平定向钻进主要通过特制钻杆代替电缆传递孔底钻孔轨迹信号,主要应用于煤炭井下瓦斯抽放孔和排水孔等[17],成本高、代价大;同时,此类实心钻杆不能实现绳索取心钻进,不能满足铁路隧道勘察中要求对全孔地质岩心取心的技术要求。

2)石油系统(或大直径钻井)水平定向钻进一般采用无缆随钻定向,钻孔直径大、泵量大(≥10 L/s)、泵压高、设备重,在工程地质取心钻探中应用性差。且石油(或大直径钻井)定向钻进不能水平开孔定向,一般不取心。

3)国内常用的地质系统小直径水平定向钻进方法主要有:偏心楔纠斜法,定向困难,不适用于纠斜工作量大的钻孔;连续造斜器法,定向不精确、误差大,定向仪器水平无法投送,且不适宜用于深孔造斜;采用小直径弯螺杆马达/有线随钻定向钻进,定向精确,钻孔轨迹可控且可连续造斜,泵量小(2~3 L/s),能够满足Φ96 mm、Φ76 mm口径随钻定向钻进需求,但螺杆钻是以钻井液为动力介质的一种孔底动力钻具,如何配合绳索钻杆(现有其他钻杆内通径太小)将定向器具水平投送到位、固定和打捞回收,仍需要进一步研究[23]

4)在水平(倾斜)钻孔(>500m)钻进中,现有常规的单、双管钻进,必须每个回次都要提钻和下钻,劳动强度大,钻进效率非常低,且在提钻和下钻过程中,由于孔壁掉块,容易引起孔内事故,严重的还会引起钻孔报废[24]

2 超长绳索取心定向钻探装备与器具

超深定向勘探钻孔遇高陡构造地层、软弱夹层或破碎带时,钻孔极易偏斜。当水平(仰斜)定向钻孔发生偏斜,采用无缆随钻定向纠斜时,钻孔直径大、泵量大、体积大和重量重;采用有缆随钻定向纠斜时,对如何将定向钻具水平投送到位、固定和打捞回收的研究,国内目前仍是空白。

水平(仰斜)钻孔位置一般都位于地下水位下方,涌水量大、压力大,一是影响现场工人施工环境,二是污染自然环境,因此,需要开展涌水分离导流装置及超长绳索取心定向钻探器具与装备的研发。

2.1 千米级绳索取心定向钻进装备

综合上述不足,提出自主研发千米级全液压动力头水平定向钻机,如图1所示。针对川藏铁路勘察孔高效施工要求,钻机必须具备足够的动力,以处理在钻进断层、软弱夹层、破碎带、节理发育层时可能出现的垮孔、卡钻和抱钻等孔内事故。

图1 千米级全液压动力头水平定向钻机结构 Fig. 1 Structure of kilometer level full hydraulic power head horizontal directional drilling rig

对钻机总体方案反复论证,基于现有成熟的履带式岩心钻机,通过整体式履带底车设计,对钻机各部件进行整体优化布局;采用模块化设计,便于运输及易损件的更换;设计时预留检修孔,便于钻机的日常维护。根据水平定向钻进对钻机功能的要求,确定钻机由六大部分组成:动力机、履带行走机构、回转装置、给进机构、钻塔升降平台和液压传动系统。

创新设计钻机升降平台和变幅机构,使钻机在钻进状态下更加稳定,实现多角度钻探、模块化设计;动力头远程控制多个液控变量马达,实现多档无级变速,输出扭矩大,可实现1 800 m NQ系列水平绳索取心钻进。生产试验表明,研制的GXD–5S型水平岩心钻机各项性能参数达到了设计要求,且能很好地进行水平绳索取心钻进施工,性能稳定,运行平稳。但在试验过程中,样机也暴露出一些不足,需要进一步改进与优化,使其更加符合人机工程学,提高自动化程度和施工效率。

2.2 水平绳索随钻定向钻进器具

目前,小直径水平绳索取心定向钻进没有合适的定向钻进技术方法,需要开展小直径水平绳索取心有缆随钻定向仪器水平输送工具、到位报信、固定和打捞机构的研发,以及集成无磁钻杆、绳索钻杆、定向接头、螺杆马达等器具总成,解决小直径水平孔绳索取心定向钻进技术难题。同时,可以利用同样的钻杆实现绳索取心钻进,满足地质设计需求。

2.2.1 定向钻具水平输送机构研究

研发的水平随钻定向仪器输送、固定、打捞机构如图2所示,主要由铠装电缆固定接头、回收管、压缩弹簧、弹卡板、弹卡架、半球阀、橡胶密封阀、密封活塞、悬挂环等零件组成。

图2 定向仪输送固定打捞机构结构示意图 Fig. 2 Structural diagram of conveying fixing-fishing mechanism of orienteer

其工作原理为:当把定向仪和输送固定机构放入绳索钻杆内后,在钻杆内输入高压泥浆;由于密封活塞的作用及半球阀与橡胶密封阀紧密贴合,泥浆无法与井下泥浆液连通,则在泥浆泵的作用下,输送固定机构的上端形成高压腔,下端相对是个低压腔,形成一定的压差,在压力的作用下输送固定机构被送到孔底。

2.2.2 水平绳索定向器具集成创新

研发的水平绳索定向钻具输送、固定和打捞回收机构,集成小直径有缆定向仪器、Φ73 mm和Φ89 mm无磁钻杆、仪器固定限位机构、定向接头、螺杆马达和定向钻头,形成了一套水平绳索定向钻进器具,如图3所示。

图3 水平绳索定向钻进器具 Fig. 3 Horizontal rope directional drilling apparatus

目前,国内实施的小直径水平定向钻进的实心钻杆不能实现绳索取心钻进,不能满足地质岩心钻探取心技术要求。通过研发水平绳索随钻定向取心器具,攻克了水平绳索随钻定向仪器的推送器具、固定工艺和配套器具定向钻进困难的难题,满足小直径水平绳索随钻定向钻进需求,集成创新形成一套水平绳索定向钻进器具,目前已授权实用新型专利。

研发加工生产的水平绳索定向钻具经过室内水平输送工具测试、配套无磁钻杆和定向接头测试,以及全配套测试(连接螺杆马达)3轮测试,每次到位测试20~30次,测试指标及性能均达到设计要求。

3 超长绳索取心定向钻探技术与工艺 3.1 水平绳索随钻定向技术与工艺

在攻克水平绳索随钻定向钻具的基础上,研发了水平绳索随钻定向钻进钻具组合,以及钻进参数、轨迹计算与控制、定向施工工艺流程等。水平绳索随钻定向钻进时,集成无磁钻杆、绳索钻杆、定向接头、螺杆马达等器具,解决了小直径水平孔绳索取心定向钻进难的技术难题。同时,可以利用同样的钻杆实现绳索取心钻进,满足地质设计需求。

3.2 钻孔防斜与测斜工艺

为防止钻孔偏斜,主要采用以下技术:1)固定钻机,把好开孔关。2)加长粗径钻具,以刚保直。3)减小环空间隙,以满保直。4)换径导向钻具防斜。5)钻进参数合适。6)采用大直径钻杆防斜,钻杆直径越大,刚性越好,防斜效果越好。7)取心钻头选用高胎体、胎体硬度低的钻头。8)保证孔内钻具的刚度和垂直度,不得将弯曲的钻具下入孔内。9)在500 m以上的位置,每50 m测斜一次,并记录结果。

3.3 涌水封隔导流工艺

为解决涌水问题,主要采用以下技术:1)水泥固井工艺。2)套管封隔工艺。3)优化钻头尺寸,减小钻杆与孔壁间的环空间隙,保持孔壁相对稳定。4)根据钻头与地层适应性分析,优选金刚石钻头。5)优选高压泵,平衡孔内涌水压力。6)孔口分离导流。

3.4 技术与工艺成果

通过集成水平(仰斜)绳索取心钻进技术、器具及施工工艺,优化水平(仰斜)钻孔井身结构设计和钻进参数,优选钻机、泥浆泵、绳索钻杆、取心钻具、扩孔器和取心钻头等,改进通缆水力推送装置和钻具内管的投送打捞装置,制定钻进工艺规程(流程),做好泥浆护壁堵漏措施,创新形成一套超长绳索取心钻进技术体系。

基于以上技术与工艺,历时66 d,在DZ–格聂山–定向深–01完成终孔孔深1 616.80 m的勘察孔,全孔平均采取率达94.50%,倾角14.3°;设计方位328,终孔方位335,创造了川藏铁路勘察期间2020年9月前最深、施工进度最快的水平钻孔纪录。各项指标均超过了国内、国际标准,钻探深度超过设备设计能力的35%。

该勘察孔月进尺734.90 m,日进尺24.50 m;纯钻时间656 h,约27.3 d;时效约2.47 m;纯钻时间利用率42%;辅助时间792 h,约33 d。辅助时间包括:下套管、扫孔、打捞及投送内管、提下钻杆钻具、换钻头钻具、测斜、水文观测、处理井故等。设备维修保养时间3 d,孔内地质测试2.7 d。这一成果充分印证了研发的超长绳索取心定向钻探技术与工艺的先进性和应用前景。

4 超长绳索取心定向勘探模式

根据高原高寒高山峡谷地区铁路的地形地貌、地质构造、地层岩性产状,查明隧道洞身情况和地质勘察目的,开展超深水平定向钻探、斜向定向钻探和仰斜定向钻探3种勘探模式研究,构建高山峡谷地区隧道勘察设计特殊地质因子,获取地质新模型。

4.1 超深水平定向钻探

针对铁路隧道洞口山坡陡峭,钻机难以搬迁到山顶,或临近环境敏感区,钻探施工不允许进入,且洞口地质构造复杂,岩层产状陡倾的情况,为查明洞口复杂地质构造情况,可采用超深水平定向钻探,见图4

图4 超深水平定向钻示意图 Fig. 4 Schematic diagram of ultra-deep horizontal directional drilling

4.2 超深斜向定向钻探

当隧道埋深较深,山高坡陡,钻机无法到达隧道顶部,竖向钻探难以实施,或洞身地质构造复杂,岩层产状陡倾时,为查明洞身复杂地质构造情况,可在半山腰上开挖平台,采用斜向定向钻探,揭示隧道洞身地质结构,如图5所示。

图5 超深斜向定向钻示意图 Fig. 5 Schematic diagram of ultra-deep downward oblique directional drilling

4.3 超深仰斜定向钻探

当隧道洞口地势陡峭,钻机无法到达隧道洞口,洞口地质构造复杂,岩层较陡,产状反倾时,可采用上仰斜定向钻探,揭露隧道洞身情况,如图6所示。

图6 超深仰斜定向钻示意图 Fig. 6 Schematic diagram of ultra-deep upward inclined directional drilling

5 应用与示范工程 5.1 应用现状

将研发的超深水平定向勘探技术与装备,在川藏铁路进行应用与示范,取得了较好的效果。川藏铁路雅安至昌都段共完成超长绳索取心定向勘探钻孔27个,其中水平定向钻孔16孔(最深1888.88 m),仰斜定向钻孔1孔(最深335.7 m),斜向定向钻孔10孔(最深970 m),是首次在铁路隧道勘察中进行大规模应用。其中,超深水平定向孔纪录进展如图7所示。

图7 川藏铁路超深水平定向孔纪录刷新进展 Fig. 7 Update progress of ultra deep horizontal directional hole records on Sichuan—Tibet railway

2019年1月17日,川藏铁路第1个全孔取心水平孔在康定2号隧道完成,终孔深度230.21 m;2019年6月12日,郭达山隧道进口水平孔取得突破,全孔取心钻进深度达到637.65 m,终孔直径75 mm;2020年1月4日,迎金山1号隧道全孔取心水平孔又取得新的突破,深度达到903.28 m,终孔直径75 mm[25];2020年8月25日,中国铁路史上第1个全孔取心上仰孔在宝灵山隧道诞生,孔深335.7 m;2020年8月27日,在格聂山隧道进口诞生全孔取心水平孔深度新纪录,达到1 616.8 m,终孔直径75 mm,月进尺高达735 m;2020年12月1日,由中铁二院工程集团有限责任公司和中国地质科学院探矿工艺研究所联合自主研制的“一种具有小倾角钻进功能的履带式岩心钻机”(专利号ZL202020720712.1),第一次突破1 000 m全孔取心水平钻探的纪录,在卡子拉山1号隧道完成钻探,水平孔达1 212 m,终孔直径75 mm,月进尺350 m;2021年4月28日,采用超长绳索取心定向钻探技术与工艺,在川藏铁路孜拉山隧道出口TBM施工段完成了中国铁路史上最深的全孔取心水平孔的钻探,孔深达到1 888.88 m,终孔直径78 mm,月进尺约120 m,见图8

图8 中国铁路史上最深水平孔终孔照片(截至2021年5月) Fig. 8 Photos of the deepest horizontal final hole in Chinese railway history (as of May 2021)

通过对川藏铁路20个500 m以上定向钻孔钻进进度进行统计,平均月进尺达326 m,最快月进尺达688 m;通过对5个超过1 000 m的超深水平钻孔钻进进度进行统计,平均月进尺达363 m,最快月进尺达713 m。

5.2 示范工程

以川藏铁路新都桥—理塘段卡子拉山一号隧道DZ–卡子拉山1号–定向实验–01孔为例,该孔利用自主研发GXD–5S千米级全液压动力头定向钻机(图9)和超长绳索取心定向钻进技术,优质高效地完成1 212.0 m水平定向钻探施工任务,方位偏差≤1°,孔斜0.76°/100 m,机械钻速3.09 m/h,台月效率350.29 m,创造了截至2021年3月国内水平绳索钻杆PQ(直径122 mm)深度588 m、HQ(直径96 mm)深度974 m两项纪录。同时,为铁路卡子拉山1号隧道工程勘察设计提供强有力的地质支撑,具体表现在以下两个方面:

图9 自主研发钻机在川藏铁路隧道勘察现场图 Fig. 9 Investigation site map of independently developed drilling rig in Sichuan-Tibet railway Tunnel

1)提供质量较好的原状岩心。

DZ–卡子拉山1号–定向实验–01孔水平穿越滑坡体,克服了严重涌水(60 m3/h)、地层破碎、原状取心困难等难题,提供了原状岩心,岩心采取率达97.76%,具体采取率如表1所示。为地质查明洞身结构和测井通道提供了支撑,构建了高山峡谷地区隧道勘察设计特殊地质因子获取地质模型。

表1 岩心采取率情况 Tab. 1 Core recovery rates

2)查明滑坡和陡倾岩层地质结构。

水平钻孔穿越的川藏铁路新都桥—理塘段卡子拉山1号隧道洞口3×107m3巨型滑坡,滑坡体水平厚度达48 m,为隧道洞口开挖地质设计提供依据。卡子拉山1号隧道(西俄洛镇俄洛堆村)洞口地层产状为陡倾岩层,岩层产状N60°W/50°~60°SW,地质构造复杂,单点垂直钻孔难以揭露陡倾岩层构造,该水平钻孔揭穿3条断层和19处节理破碎带;根据现场地面地质调查和目前已揭露的构造结果显示,设计钻孔施钻方向已揭露节理密集带19处,合计宽约70 m,约占比例6.27%,单个节理密集带宽1~12 m不等,节理带中岩心外观呈块状、碎块状,钻进中极易出现卡钻、堵心等事故。已揭露2条次级断层和端泥隆断裂:674.6 m处断层揭露宽度2.7 m,断层充填物角砾状,软塑;孔深900和1 100 m处为端泥隆断裂地层破碎带。

5.3 发展建议

通过在川藏铁路勘察中的实际应用,形成了一套千米级全孔取心定向钻探的成套技术体系。对一些风险极高、地质条件极其复杂的隧道,采用贯通的超前水平钻孔进行勘察是最直接、最有效的勘探手段,值得借鉴推广。隧道施工期间,无论是TBM施工还是钻爆法施工,隧道均可能存在或遭遇重大不良地质,如:长距离断层破碎带等影响隧道方案时,可尝试在正洞的侧壁开辟洞室,采用超深水平钻孔技术探明前方地质条件,如图10所示。

图10 隧道超前地质预报超深定向钻探示意图 Fig. 10 Schematic diagram of ultra deep directional drilling for tunnel advanced geological prediction

定向勘探模式方面,当隧道顶部山峰陡峭,钻孔钻机难以搬到山顶时,两山峰间的很长距离无法布置垂直钻孔,但两山中间有一个相对平缓地带,可采用“一孔多支”模式,先钻垂直钻孔,再在该垂直钻孔中沿着山峰的两侧各施工1个分支孔,如图11所示。

图11 分支定向钻示意图 Fig. 11 Schematic diagram of branch directional drilling

6 结 语

1)利用自主研发的千米级全液压动力头水平定向钻机,可实现1800 mNQ系列水平绳索取心钻进,关键技术指标达到国际领先水平,可满足高山峡谷区工程勘察水平钻探需求,解决了川藏铁路水平深孔钻探装备难题。

2)通过研发水平绳索随钻定向取心器具与工艺,创新形成一套水平绳索定向钻进器具与工艺,取得了良好的示范效果。

3)创新形成一套超长绳索取心钻进技术体系和工法(操作规程),集成国内先进的绳索取心钻探技术,创新防斜测斜、涌水分离导流技术,开展金刚石钻头与地层适应性研究,并在川藏铁路进行应用示范,总结提炼,形成一套超长绳索取心定向勘探工法。

4)优质高效地完成了超长绳索取心定向勘探钻孔施工任务,共完成定向勘探孔27个,最深水平定向钻孔深度1 888.88 m,是国内采用NQ系列水平绳索取心的最深钻孔。利用自主研发的千米级钻机和定向钻进技术,创造目前国内水平绳索钻杆PQ、HQ深度588 m和974 m两项纪录。

5)构建高山峡谷地区隧道勘察设计特殊地质因子获取地质模型。基于水平钻探、斜向钻探和仰斜定向钻探3种勘察模式,查明了隧道洞身段地层、岩性、地应力情况、地温情况、水文地质条件情况。解决了高山峡谷地区垂直钻孔搬迁无法实现的难题,查明陡倾岩层构造和隧道洞身地质结构,为高原高寒高山峡谷地区铁路勘察设计提供新模型。

6)将超深定向钻探技术在川藏铁路进行应用、示范。雅安至昌都段共完成超长绳索取心定向勘探钻孔27个,取得了较好的工程应用效果和地质意义,为铁路勘察设计提供地质支撑,为后续隧道超前地质预报中千米级超深水平钻探深度设计提供参考依据。

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