川藏铁路超深水平(定向)钻孔孔内测试的工程应用

陈 婷

(陕西铁道工程勘察有限公司，陕西 西安 710003)

1 引 言

工程勘察的重要特征是钻探成孔后，需要进行多种孔内测试[1]，以获得更加丰富的勘察数据和成果，从而更好地服务综合勘察研究，为工程设计提供翔实、可靠的地勘资料，保障铁路安全、优质的建设。

川藏铁路[2]地处高原山区，高山峡谷、地势陡峭、高原海拔(3 000～5 500 m)、高寒缺水、交通不便、生态脆弱，地质条件极其复杂，部分钻孔无法到达隧道洞身垂直地面投影位置，因此采用了定向钻探技术[3]进行勘探。随着定向钻探技术在川藏铁路地质勘察中的投入使用, 水平(定向)钻孔的孔内测试成为亟需解决的问题。本文以川藏铁路察达隧道2CDSPZ-4#定向孔为例，介绍了川藏铁路所运用的水平(定向)钻孔孔内测试方案。

2 工程概况

2.1 地形地貌

川藏铁路昌都至林芝段位于青藏高原东南部[4]，地貌形态主要受青藏高原地貌隆升的影响，总体地势西高东低。地势急剧隆升抬起，河流快速强烈下切，为典型的“V”字型高山峡谷地貌(图1)；地貌形态主要以丘状高原及构造侵蚀形成的深切峡谷地貌为其总体特征。自东向西地貌单元可划分为横断山高山峡谷区及藏东南高山峡谷区两个地貌单元。

图1 新建铁路川藏线昌都至林芝段沿线地形地势示意图Fig.1 Topographic map of Changdu-Linzhi section of new Sichuan Tibet Railway

2.2 地质概况

川藏铁路所处区域是新构造运动最为活跃的区域之一，沿线地质环境复杂[5]。地层时代从震旦系至新生界均有分布。砂岩、板岩、千枚岩为主的沉积岩、变质岩；以花岗岩为主的侵入岩；以灰岩为主的可溶岩为铁路沿线主要岩性分布。沿线以板块缝合带、地壳拼接带等深大断裂集中的区域构造格架。缝合带、拼接带区内断裂成束，密集发育，地块内断裂、褶皱均有发育。

3 水平(定向)钻孔孔内测试方法

水平(定向)孔一般沿隧道走向或与小角度相交布设，成孔后的测试工作有利于分析钻孔内物性参数及地应力信息。川藏铁路孔内测试工作分为孔内综合测试、超声成像测试及地应力测试三部分。孔内综合测试、超声成像测试的难点在于测试探管推送至测试段落；地应力测试的难点地应力测量方法。

3.1 综合测井

水平(定向)孔综合测试[6]主要有泵出法水平井测井系统[7]、钻杆输送式水平井测井系统[8]、挠性管输送方式[9]、随钻测井四种类型仪器设备[10]。根据综合分析后存储式综合测井设备适用于川藏铁路水平(定向)孔综合测试。

3.2 成像测试

水平(定向)孔成像测试[11]主要有超声成像[12]和孔内电视成像[13]两种类型的仪器设备。此次川藏铁路水平(定向)孔成像测试采用超声成像测试，由于超声成像测试数据量较大，并无存储式超声成像设备[14]，在川藏铁路水平(定向)孔测试中选择有缆设备，通过改进泵出法推进装置进行测试。

3.3 地应力测试

地应力测试[15]主要有水压致裂法[16]、应力解除法[17]、非弹性应变恢复法[18]、光纤地应力测试[19]四种类型的仪器设备。

水压致裂法是常用的垂直孔地应力测试方法，但水平(定向)孔进行测试时，封隔器、印模器与钻孔孔壁摩擦，导致封隔器、印模器损坏无法测试。

应力解除法理论上符合水平(定向)孔测试，但需要将空心包体传送至钻孔底部，成功率较低，目前有报道的成功案例为水平孔60 m左右。

光纤地应力测试主要应用于地应力监测，测试结果为地应力的相对变化值，绝对地应力值测量还处于研发过程中。

经对比分析，此次川藏铁路水平(定向)孔地应力测试采用非弹性应变恢复法。地应力方向采用超声成像技术进行判识[20]。

4 水平(定向)孔测试工程应用

4.1 察达隧道2CDSPZ-4#定向孔综合测井

4.1.1 钻孔地质情况

表层主要为第四系崩坡积碎石土、块石土，下伏基岩主要为燕山期二长花岗岩。岩体节理、基岩裂隙水较发育。川藏线察达隧道2CDSPZ-4#定向孔设计孔深720.00 m，实际孔深720.7 m，完成测试深度为717.9 m。其中测斜深度为709.98 m;超声成像测试深度706 m；地应力测试6段。

4.1.2 测井分析及解释

根据自然伽马、视电阻率、声波速度、井径及井温曲线综合分析。其中井斜测量主要测试视准线与其水平视线之间的夹角。电阻率测井主要参数为电位电阻率，其中电位电阻率测量采用双极供电倒装电位电极系。声波测井所测参数为声波时差。利用所获得的声波时差数据进行运算得出地层的声波速度。波速计算结果反映出：对于同一岩性的地层，岩层有裂隙、破碎时声波速度变小；对于不同岩性而言，地层越致密，声波速度越大，地层越松散，声波速度越小。

通过综合测井各项曲线分析(图2，图3)，对察达隧道2CDSPZ-4#钻孔的岩体完整性、裂隙发育程度进行解释，提供各地层视电阻率、自然伽马、钻孔井温、地层声波速度、井径等测井参数，为隧道围岩类别划分、力学分析提供基础数据及依据。

图2 察达隧道2CDSPZ-4#钻孔倾斜剖面Fig.2 Inclination profile of borehole 2CDSPZ-4 of Chada tunnel

图3 察达隧道2CDSPZ-4#钻孔平面投影Fig.3 Plane projection of borehole 2CDSPZ-4 of Chada tunnel

4.2 察达隧道2CDSPZ-4#定向孔超声成像测试

在察达隧道2CDSPZ-4#钻孔内，开展了超声波成像测量，确定钻孔井斜、钻孔裂隙发育程度及对岩体完整性做出评价。

4.2.1 超声成像测试原理

声学成像是专为钻孔壁提供定性图像的设备，由于它采用超声波而不是可见光，因此优点在于可在浑浊的孔内进行测试，缺点为在干孔内无法完成测试，测试结果为孔内井液超声波波速成像结果，无法直接进行岩性识别与分层，主要反应钻孔裂隙发育程度和围岩完整性特征。

超声波成像能够实时显示井壁的图像及井轴的倾向、倾角。但是要得到钻孔所穿过的岩层(或岩石节理)的倾向、倾角，则必须进行相应的处理。

4.2.2 超声成像测试数据分析解释

本次工作在钻孔中利用孔内超声波成像测试系统对岩体结构及岩体质量进行探测分析。成果图像的方位代表钻孔孔壁真实的方位，图中所解释的结构面裂隙的倾向和倾角都已经由视倾角转换成真倾角(图4)。

根据超声波解译图像的结果，对结构面倾向、倾角、密度和张开裂隙度等进行统计，结合钻孔岩芯地质编录信息，将钻孔所在岩层划分为岩体破碎带、节理密集带、节理较密集带和岩体较完整带(图5)。

图5 孔内超声成像影像成果(部分)Fig.5 Image results of in hole ultrasound imaging (part)

超声波成像系统测量井斜是基于三轴磁定向传感器和三轴加速度计实现，提供每个采集深度上钻孔的倾角、倾向，从而获得完整钻孔的井斜成果，即井轴水平面投影图、井轴任意垂直平面投影图，实现钻孔空间形态的直观展示。

4.3 察达隧道2CDSPZ-4#定向孔地应力测试

4.3.1 滞弹性应变恢复法原理

滞弹性应变恢复法(ASR法)[10]是基于岩心滞弹性应变恢复测试的一种深部应力测试的新方法。其原理是基于岩石的流变性。岩石是一种黏弹性体，具有流变性。当岩心被钻出后，即脱离应力场的作用，岩心卸荷。首先发生弹性应变恢复，称为瞬时弹性；随后发生随着时间而逐渐恢复的应变，称为滞弹性应变；最后根据岩心滞弹性应变恢复量，确定三维原地应力状态。

4.3.2 测段选择

根据现场岩心完整性及施工进尺，先后采集6段岩心开展了ASR法地应力测试工作，布置参数见表1。

表1 测试段布置

4.3.3 滞弹性应变数据现场采集

测点岩心时效性应变现场采集测试持续时间为10天左右，使用时效性应变采集器可采集和存储现场岩心时效性应变数据。滞弹性应变随时间变化趋势基本保持一致，岩心从原位状态解除提钻后，时效性应变初期变化迅速，测试后期基本保持不变，3～7天内时效性应变达到稳定峰值。

4.3.4 温度标定

由于现场岩心在取芯和贴片时岩心温度产生较大变化，因此需要通过温度标定实验各个应变片的温度系数。通过热敏电偶记录的数据，求出岩心表面温度变化，再根据标定所得的各通道温度系数，剔除由温度引起的滞弹性应变测量过程中的温度应变误差。

根据此标定及拟合曲线(图6)，最终得到温度通道的温度系数为2 811 ℃。应变通道的标定结果如表2所示。

图6 采集仪温度标定及拟合曲线Fig.6 Temperature calibration and fitting curve of acquisition instrument

表2 各通道温度系数标定结果Table 2 Calibration results of temperature coefficient of each channel

4.3.5 恒载试验

恒载试验系统包括液压加载子系统和数据采集子系统。液压加载子系统用于对现场采集岩芯进行长期恒载加压，加载方式为连续或分级双向加载，使岩芯产生滞弹性。数据采集子系统用于对加载或卸载后岩芯产生的滞弹性应变及相应的岩芯压力信号进行实时采集。测试段试件柔度标定数据见表3。

表3 测试段试件柔度标定数据

4.3.6 数据处理

1)滞弹性应变温度修正

ASR采集仪记录的各通道应变，剔除采集过程中温度变化产生的温度应变后，即得到修正的计算应变。经温度修正后的滞弹性应变—时间曲线如图7所示。

图7 测段6滞弹性应变恢复曲线Fig.7 Recovery curve of inelastic strain in test section 6

由图7可知，岩心从原位状态解除提钻后，滞弹性应变随时间逐渐恢复。在卸载初期，应变梯度较大，应变恢复较快；中期应变梯度变小，应变恢复较慢；后期时效性应变基本趋于稳定峰值。

2)滞弹性应变恢复柔度标定与计算

根据岩心滞弹性单轴恒载试验，可以获取体积模式和剪切模式滞弹性应变恢复柔度及柔度比。

3)滞弹性主应变大小及方向计算

经温度修正后的滞弹性应变稳定值代入计算软件中，即可得出滞弹性主应变的大小及方向余弦。

4)滞弹性主应力计算

根据滞弹性应变恢复的3个主应变的大小和方向，即可计算3个主应力的大小和方向(表4)。

表4 ASR法地应力计算结果

4.3.7 资料成果

由钻孔应力测试结果可知：

1)在倾斜进尺204.21～707.22 m，竖直埋深152.0～504.1 m范围内，最大主应力值为5.68～18.39 MPa，最小主应力值为3.24～10.93 MPa。

2)最大主应力平均侧压力系数为1.43，最小主应力平均侧压力系数为0.69。三个主应力大小关系为：SH>SV>Sh，反映了较强的现今水平构造应力作用的特点。

3)基于震源机制和水压致裂法的统计数据，该测段地应力场以水平应力为主，主构造应力的方向为NE向。

5 结 论

1)本文提出了工程勘察行业超深水平(定向)孔孔内测试无缆随钻技术进行综合测井，泵出法进行超声波成像测试，非弹性应变恢复法进行地应力测试的技术方案。该方案成功应用于察达隧道2CDSPZ-4#定向孔的测试，并取得了较好的效果，有效缩短测试时间及降低测试难度，提高工作效率及测试安全性,为工程勘察行业后续的超深水平(定向)孔孔内测试积累了经验；

2)超声成像技术的应用可以有效地弥补非弹性应变恢复法地应力测试的无法提供地应力方向的问题，获取完整的地应力数据；

3)超声成像技术、孔内测试技术的综合应用对于倾斜钻孔岩性深度的校正是有效的，同时可以提供隧道洞身范围内岩体的物性特征、含水层和钻孔裂隙发育方向的判识。