多分支定向钻探技术在隧道勘察中的应用

王勇刚, 孙红林, 胡志新, 王义红, 吕伟伟

(1. 中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北 武汉 430063; 2. 水下隧道技术国家地方联合工程研究中心,湖北 武汉 430063; 3. 陕西太合智能钻探有限公司, 陕西 西安 710000)

0 引言

在工程勘察领域,现阶段最为直观和可靠的方式是: 通过地面竖向钻探对地表以下一定范围内的土样和岩芯进行物理力学指标的测试,在孔内辅以1种或几种物探手段,两者相互印证,从而揭示工程场地的地质条件。竖向钻探作为一种成熟的技术手段,已经形成了一系列规范和综合勘察体系。

随着我国经济的快速增长,工程建设规模和数量不断提高,建设环境日趋复杂,建设区域遍布空间拥挤、交通阻塞的城市,地势险要、人烟罕至的深山等; 同时,工程建设的安全化程度、对勘察工作的精细化要求也在不断提高[1]。工程建设要以工程地质勘察为前提,对于建筑密集、交通繁忙、管线密布的复杂城区,通航环境复杂的水(海)域,高落差的复杂陡峻山区,或地层结构陡倾多变、岩溶发育、受陡倾构造控制的工程地质条件复杂的区域,传统的竖向勘探技术受地面环境因素或自身工艺制约而无法实施或存在精度低的问题,无法满足精细化勘探和现有规范规程的要求,导致工程地质情况探察不清,设计与实际地质情况有一定差距,影响工程建设和运营安全[2]。针对上述情况,工程勘察行业引入了定向钻进技术,发挥其钻孔轨迹可控、钻进距离长、施工现场布置灵活等优势,以解决工程勘察所遇到的施工场地空间极其受限的问题[3-4]。

在高峻陡峭、剧烈起伏山岭地段的超长超深隧道,目前已有项目采用水平、俯斜、仰斜定向钻探来揭示隧道洞身地质情况[5-6]。在建筑密集、交通繁忙、管线密布的复杂城区,也进行了一些定向勘探方面的工作。例如: 徐州轨道交通1号线工程地质勘察中采用水平定向孔结合综合测井查明盾构区间岩溶发育情况[7]; 广州地铁7号线工程地质勘察中采用定向钻连续取芯方案查明隧道结构穿越瘦狗岭断裂的地质特征[8]。但对于复杂的工程地质问题,采用开设数条分支钻孔的方式进行精准探测,还鲜有尝试。

本文在广州至广州南的铁路隧道地质勘察中采用可控轨迹的多分支定向钻探技术,通过钻孔取芯与孔内测试手段,详细查明隧址区工程地质条件,为隧道的精准设计、施工提供前提条件。

1 定向钻探技术

根据轨迹设计要求,使用造斜工具,不断控制钻头前进方向,并将钻孔逐渐延伸至预定目标的钻进方法称为可控轨迹定向钻探技术。该技术也可以与其他钻探技术相结合,如钻探取芯技术、随钻测量技术以及综合测井技术。多种技术结合使探察钻孔轨迹线附近一定范围内的工程地质情况成为可能,并成为了一种新的工程地质勘察方法。在地质条件特别复杂、地层结构变化频繁、近垂向构造发育时,可沿地下工程的特定位置布设2条或数条定向勘察孔,或者实施数条分支钻孔,精准揭示沿地下工程轴线方向详细的线状地质条件,满足地质资料准确可靠的要求。

1.1 定向钻探钻进原理

定向钻探装备包括定向钻机、测量系统、冲洗液循环装置、螺杆钻具、钻杆钻头等。其中螺杆钻具是定向钻区别于竖向钻最重要的部件,其详细结构见图1。

1—旁通阀; 2—钻具外壳; 3—螺杆马达; 4—万向轴; 5—传动轴; 6—马达外壳; 7—定子(橡胶衬套); 8—转子。

螺杆钻具最关键的部件是螺杆马达,由2个表面带有螺旋齿和槽的定子和转子组成。当高压液体进入定子与转子之间的空腔时,产生的不均衡压差迫使转子旋转,将冲洗液压力能转换为机械能,通过万向轴驱动钻头旋转,从而达到回转切屑破碎岩体的目的。

1.2 定向钻探工艺

在轨迹较为复杂的定向钻进中,一般需要采用复合钻进的方法,比纯滑动的钻进效率更高。滑动钻进时高压冲洗液驱动螺杆马达转动,钻机动力头和钻杆不回转,钻孔沿螺杆马达工具面稳定向前滑动; 滑动钻进具有钻孔轨迹平滑性差、排渣能力弱、钻进阻力大的特点。采用复合钻进时,螺杆马达在带动钻头转动的同时钻杆钻具也一起回转,达到滑动造斜和回转稳斜的效果;复合钻进具有碎岩和出渣能力强、钻进阻力小、钻压传递效率高、孔壁更光滑、钻进效率高的特点[9-10]。

1.3 定向钻探取芯技术

取芯是工程地质勘察对钻探工作的一项基本要求。经过几十年的发展,根据钻进效率与取芯效果的不同,定向钻探取芯技术主要可分为2种: 提钻取芯和绳索取芯。

提钻取芯是取芯钻探最早采用的方法,钻具结构和钻探工艺相对简单,可靠性高,便于实现机械控制,可在曲线段取芯。但提钻取芯也存在辅助作业时间长、钻探效率低的缺点,在反复提放过程中会对孔壁稳定性产生不利影响,当地质条件不良、岩体破碎时,上部孔壁岩层易掉落孔底,极易造成卡钻等孔内事故,影响取芯的质量[11]。

绳索取芯主要适用于定向近直孔段。在定向钻进过程中,当钻杆内的岩芯管被岩芯充满,不用将孔内钻杆提升至钻孔地表,可以直接借助岩芯钻探专用打捞器将岩芯管提取到地面。因此,绳索取芯的效率比提钻取芯高,目前在地质岩芯钻探行业内已得到广泛应用[12-13]。

1.4 分支孔技术

如果遇到地质条件特别复杂、地层结构变化频繁的孔段,可在定向钻主孔的基础上,选择在地层相对稳定的部位开设分支钻孔,分支钻孔可设定为上翘或下弯或者两者均采用。为减小钻具在多次弯曲时产生的摩阻力,在设计分支钻孔时,应使轨迹尽可能平滑。

1.5 钻孔轨迹控制与随钻测量技术

随着人们对钻探工艺要求的提高,钻孔轨迹控制技术也越来越重要,其主要方法是: 通过随钻测量仪实时监测钻孔倾角、方位角、孔深等参数,再与设计轨迹进行对比,通过调整螺杆钻具的工具面角使钻孔按照预定轨迹延伸。

1.6 综合测井技术

在工程地质勘察方面,综合测井技术主要用于围岩级别的划分、裂隙破碎带的判识、地温测试、放射性测试以及含水层的判断等。根据工程需要,可用钻杆将测井仪器送入指定位置,全孔或间隔测试孔内声波波速、电阻率、自然伽马、井温等,与采取的岩芯综合分析,可更好地解决复杂的工程地质问题。

2 应用工程概况

2.1 工程概况

广州至广州南铁路设计速度为200 km/h,起自广茂铁路五眼桥线路所,终至广州南站。除两端接线工程外,线路全部采用地下敷设方式通过,为1座长约13 km的隧道,并设2处竖井,最大埋深为65 m,洞身大部分位于弱风化基岩内,拟采用盾构法施工。

2.2 工程地质条件

沿线属珠江三角洲冲积平原区,地形相对平坦、开阔,大部分被开垦为民宅、村舍、厂房,交通便利,沿线房屋密集,地表浅层管线密布。沿线地表全部被第四系沉积物所覆盖,主要为人工填土,全新统冲洪积(Q4al+pl)软—硬塑粉质黏土、黏土,局部夹透镜状砂层,零星出露流—软塑状淤泥、淤泥质黏土,第四系地层厚5～11 m。下伏基岩为白垩系(K)泥岩、砂岩及钙质砂岩,偶见泥灰岩。

线位大部分位于房屋密集的城市区域,特别是DK6+600～DK7+200段,地表左右侧400 m范围内遍布住宅、学校、道路,不具备地面竖向钻探的实施条件(见图2),因此采用地面定向钻方案进行工程地质勘探。

图2 DK6+600～DK7+200段勘察范围平面示意图

3 定向钻孔设计及技术要求

3.1 钻孔轨迹设计

钻孔轨迹设计之前,需要先确定可用于现场施工的场地,不危及周边建筑物基础,远离地下管网,有足够平坦开阔的空间用于钻机摆放、冲洗液循环、工具材料堆放,并尽量减小钻孔平面弯曲。本段隧道轴线方位角为332.25°,定向孔需沿隧道轴线在距离洞底下方1 m位置定向延伸。选取地平面开孔点为坐标原点,平行隧道轴线方向为X轴,垂直隧道轴线方向为Y轴,竖直向下方向为Z轴。采用均角全距法,考虑钻机设备、钻杆或钻具所确定的弯曲强度,同时满足孔内物探测试、芯样物理力学性质测试的最小直径要求,再进行钻孔轨迹设计。定向钻孔平面投影、纵剖面分别见图3和图4。

图3 定向钻孔平面投影图(单位: m)

图4 定向钻孔纵剖面图(单位: m)

如图3和图4所示,定向孔开孔位于O点,孔径153 mm,开孔倾角为-20°,方位角为326°,OA为斜直孔段;AB段孔径为110 mm,在两平面内造斜,水平方向弯曲强度为1°/6 m,竖直方向弯曲强度为1°/6 m;BC段孔径为110 mm,仅在竖直方向造斜,弯曲强度为1.5°/6 m。分支孔1直径为110 mm,D点孔深为228 m,为分支孔1造斜起点;DI段为分支孔1造斜段,仅竖直方向弯曲,强度为1.5°/6 m;IE为分支孔1直孔段。分支孔2直径为110 mm,F点孔深为366 m,为分支孔2造斜起点;FJ段为分支孔2造斜段,仅竖直方向弯曲,强度为1.5°/6 m;JG为分支孔2直孔段。

设计钻孔总长960 m。其中,主孔长630 m,2个分支孔长330 m。

3.2 钻孔工艺设计

根据项目所处环境,设计钻孔深度、结构,以及地质勘察的需求,选用ZYL-7000D型履带式全液压定向钻机,配置相关配套设备,见表1。在定向钻进的各阶段采用不同的钻具组合(见表2),以减少钻探难度,提高岩芯采取率。

表1 定向钻机及辅助设备

表2 钻具组合表

3.3 定向钻工程地质勘探技术要求

为使定向钻进成果满足工程地质勘察的精度要求,在钻探过程中应按如下技术要求执行。

1)开孔高度允许偏差±30 mm,角度允许偏差±0.5°,方位角允许偏差±0.5°。

2)采用钻孔轨迹随钻测量控制技术,钻进过程每次进行1次孔斜角和方位角的测量与校正,孔斜角、方位角的测量精度分别为±0.1°和±0.3°。

3)实际钻孔轨迹需满足精度要求,适时采用纠偏技术,钻孔轨迹偏离度应控制在0.5°/100 m以内,空间方向终孔偏距控制在1 m以内。

4)沿洞身方向每隔15～30 m取1组岩芯;岩面变化较大地段采取加密取芯或全孔段取芯的方式。

4 现场实施及工效分析

4.1 现场实施

4.1.1 场地要求

本项目场地尺寸为8 m×6 m(长×宽),采用混凝土找平硬化,坡度-10°,设置供排水系统,采用柴油机自发电。

4.1.2 钻探施工

按照设计好的平面位置、高程、开孔方位角、倾角确定钻机位置,并将支撑柱牢固固定。

场地表层为第四系地层,开孔采用φ110 mm钻头加φ73 mm通缆钻杆,初始阶段采用低压力、小泵量回转钻进,根据孔内返渣情况适当增加推进压力及泵量,直至钻进77 m较完整基岩处停止钻进。反复洗孔后更换φ95 mm扩孔钻杆、φ110/153 mm扩孔钻头进行扩孔作业。定向钻进过程中保持钻压为15～30 kN、泵量为240～280 L/min、泵压为3～4 MPa。

定向钻成孔顺序为主孔—分支孔1—主孔—分支孔2—主孔。分支孔1施工完成后,将钻具、钻杆回退至主孔预开的分支孔1,通过钻机动力头调整造斜钻具高边方向,采用低速磨削滑动定向钻进工艺,使钻孔轨迹沿钻孔主轴近水平延伸,于主孔366 m处再开设分支孔2,重复上述过程,最终完成主孔施工。

本项目在地面开孔后,需经过约180 m造斜进入近水平段,且钻进过程需再次造斜进入分支孔,钻孔轨迹整体存在较大弧度、狗腿,不满足绳索取芯工艺技术要求,因而本次采用提钻取芯的方法。

根据前期初勘地质资料,定向钻孔0～30 m为第四系地层;30～77 m为全—强风化泥质砂岩、砂岩、砂砾岩地层,岩体破碎,轨迹设计为斜直孔,本段采用单动双管复合片钻进取芯方式,可最大限度地保证岩芯的完整性和原状性。

孔深77 m以上为弱风化泥质砂岩、砂岩、砂砾岩地层。采用单动双管取芯工具串取芯时,在重力作用下,内岩芯筒与取芯工具的外筒内壁始终处于接触、摩擦状态。由于外筒壁较薄,取芯数次后,丝扣连接处磨损严重,故在实施过程中将取芯方式调整为单管取芯。但常规取芯的钻头内台阶无锥度,单管取芯时不易卡断岩芯,卡簧磨损过快。因此,通过对钻头进行二次加工,在钻头内壁车出内台阶锥度,岩芯带动卡簧下行并被卡于内台价处,大幅提高了岩芯采取率。本段岩体较完整,孔壁相对稳定,但孔身结构极为复杂,小S型拐弯多,为确保孔内安全,减少钻杆疲劳及磨损,采用0°螺杆钻具+岩芯管+φ110 mm复合片取芯钻头+卡簧组合的方式,沿洞身方向每隔10～15 m取1组岩芯。本项目共采取岩芯45次,累计取芯长度45.3 m,土层取芯率达到90%,岩层取芯率达到95%。典型岩芯照片见图5。

(a) 第四系地层岩芯

4.1.3 钻孔轨迹对比

钻孔轨迹采用随钻测量装置,钻进过程中每3 m采集1次数据;完成钻孔后,钻杆回退时于相同位置再采集1次数据,将2次采集的数据进行平均。以开孔点为坐标原点,经数据转换,将实测坐标与设计坐标进行对比,代表性点位坐标数据见表3。

表3 实测坐标与设计坐标对比表

由表3可以看出,轨迹偏移量基本控制在0.7 m误差范围以内。分支孔2深510 m处轨迹偏移较大,为分支孔2的末端,原因是司钻人员操作失误、复位失败,导致后续定向时弯螺杆工具面向角调整错误,钻进时弯头没有按照司钻人员意图钻进,轨迹偏移增大。

4.1.4 物探测试

为查明隧道洞身一定范围内的围岩完整性,划分围岩级别,在孔内进行声波、电法物探测试,测定岩体纵波波速,圈定裂隙破碎带范围。探测采用声波电法一体化测井仪、1个探头(发射器)加8个接收装置(复合传感器),1次测量同时采集波速信号和电阻率数据。孔内物探设备及线缆布设见图6。

图6 孔内物探设备及线缆布设示意图

钻孔完成后,将φ95 mm扩孔钻杆(中空)下放至孔底附近,预留3～5 m裸孔;探头及传感器采用数据线缆与地面接收装置连接,两端固定推送活塞装置,将数据线缆从孔口穿过密闭三通阀。以高压水作为动力,将探头及传感器、推送活塞逐步推出钻杆至裸孔段。之后缓慢将钻杆从孔口提出,每节钻杆均从整根数据线缆尾端取下,然后回拉数据线缆带动探头及传感器回退,连续进行数据采集。

本项目电法供电时间0.5 s,采样时间间隔0.05 s,地震参数采样间隔50 kHz。探头每回退0.5 m测试1次,如此重复,直至测试完毕,共采集1 069个测点。

本次定向钻总共布设声波、电法测井测线610 m,其中533 m处于无钢套管的裸孔中,靠近孔口的77 m位于护孔的钢套管内部。因钢套管对声波与电法信号存在干扰,严重影响测试数据质量,故本次有效测试数据为裸孔中533 m测线的测试数据。部分孔段物探测试波形如图7所示。

图7 孔内综合物探波形图

从钻孔电阻率、波速测井曲线综合分析判断,钻孔测试段内声波速度总体分布在1 850 ～2 250 m/s,整体相对稳定,变化幅值相对较小,表明测试段内岩性相对完整。235～309 m、488～527 m等位置处电阻率值相对较低,结合钻探取芯资料分析,推测为岩体较破碎,裂隙充水充泥所致。

4.2 工效分析

本项目定向钻于2021年10月17日开孔,2021年12月11日终孔,钻进总时长56 d,有效钻进时长44 d。其中,纯钻时长339.5 h,纯钻率32.15%;辅助时长619.5 h,辅助率58.66%;机故时间23 h,机故率2.18%;其他停待时间74 h。辅助时间主要用于提钻取芯,重复下钻杆的时间。从以上数据可以看出,提钻取芯花费时间约占总时长的60%,提高取芯效率可以大幅度提高可控轨迹钻探地质勘察的效率。

5 结论与讨论

本文基于在广州城区成功实施的主孔660 m+分支孔330 m可控轨迹钻探工作,辅以取芯及物探测试,获取了地层信息及隧道设计参数,解决了复杂城市环境勘察难题,其优势主要体现在以下方面。

1)可沿隧道洞身进行连续“线状”精准勘探。即采用钻孔轨迹控制技术使钻孔沿隧道设计轴线连续精准钻进,将垂直孔“点”勘察,优化为水平孔“线”勘察,提高勘探成果的利用率。

2)分支技术可对重大的工程地质问题进行精准探测。借助定向钻轨迹可控的优势,对于地质情况不明或存在重大工程地质问题的区域,采用分支孔技术,从主孔开设分支孔到达指定区域,实现对目标位置地质情况的精准探测。

3)根据地层变化情况,动态调整取芯密度。采用取芯技术,可对节理、构造发育情况进行精确刻画,对岩芯进行基本物理力学测试后,可详细分析沿线地层的特性,并提供准确的岩性参数。在基岩变化较大地段加密取芯,变化不大地段适当减少取芯。

4)实时监测钻进参数,及时了解地层变化。对于不同的钻进地层,钻机设备所表现出的钻进参数不同,因此,钻进数据可概化为粗略反映地层物理力学性质的参数。对定向钻进过程中的设备钻进数据进行实时监测,通过参数反演实时粗略掌握钻进地层的性质,及时了解地层变化,提高工作效率,达到精细化勘探的目的。

5)物探与钻探的相互验证。定向钻探技术的探测手段包括钻探和物探2种,通过对2种探测技术的特点进行分析和研究,整合物探与钻探结果,利用钻探成果对物探资料开展精细解译工作,实现工程地质勘探过程中钻探物探技术一体化探测,进一步提高工程地质勘探结果的可靠性和准确性。

但是,受限于设备、材料、工艺等方面的制约,可控轨迹钻探技术在工程地质勘察中的应用还存在很大的改进空间。

1)由于可控轨迹钻探存在较大的曲率变化,无法采用绳索取芯;当采用提钻取芯时,需频繁起下钻,在钻杆遭受严重磨损的同时,钻探工效大幅降低。因此,针对工程地质勘察的特定需求,需在钻探设备、钻进工艺方面进行研究改进,提高取芯效率。

2)物探设备需要向小型化、自动化、随钻可测可视化方向发展,并且随钻测试需要将多种物探手段和技术融合,实施一体化探测。