水平鉆孔技術在川藏鐵路勘察中的應用

陳 婷，王軍偉，武棟棟，李良泉，張 沖，崔 雷

（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西 西安 710003）

1 概述

川藏鐵路位于青藏高原東南部，在鐵路綜合勘察工作中，地質鉆探[1]作為最直接的勘察手段。可以為設計提供詳實、可靠的資料，從而確保項目設計、施工、運營、維護各階段工作的安全。但川藏鐵路高海拔、缺氧、嚴寒、構造發育、地形陡峻等給工程地質勘探工作設置了一道極難逾越的屏障，傳統的工程地質鉆探設備[2]或器具工藝已不能滿足勘察設計工作的需要。部分鉆孔無法達到隧道洞身垂直地面投影位置，需鉆孔采用定向鉆探技術[3]進行勘探。

在川藏鐵路地質勘察工作過程中，驗證、試制與研究鉆探設備及相關的器具工藝，使得定向鉆探實施深度獲得突破，為勘察設計工作提供詳實可靠的數據資料，對保證本項目各階段的順利實施具有極其重要的意義，也是在勘察設計階段迫切需要解決的重大難題。

2 工程鉆探現狀

2.1 水平孔鉆探技術的突破

工程地質勘探在設備、工藝方法及技術方面一直處在勘探行業的末位，隨著社會整體技術水平的提高，既有勘探技術為長大埋深隧道等的勘察設計提供的勘探數據十分有限，工程地質勘探落后的設備和技術已成為制約工程建設水平的關鍵。

藏東南復雜艱險山區沿線海拔高、高差大、雪山及溝壑密布，自然環境惡劣，極端氣候現象頻發，很多影響川藏鐵路線路方案的重點橋隧工程位于無人區內，工程地質勘察難度極大。再加上地下工程工點局部段落埋深超過2km，傳統的工程地質鉆探設備或器具工藝已無法順利實施，對地下工程工程勘察設計工作提出巨大挑戰。川藏鐵路水平鉆探技術的引進，將推動工程地質勘探技術的突破和提升，奠定基礎設施建設的堅實基礎。

2.2 水平孔鉆探技術的研究實施

（1）為適應可施鉆場地匱乏、道路不通、海拔高、地形陡等極困難的施工環境，采用全孔取芯超深水平孔工程鉆探成套技術，保障鉆孔的順利實施，提升工程勘察水平孔鉆探技術。

（2）在隧道傍山段或隧道經過的溝谷內，設置鉆場，利用定向鉆探技術，鉆至隧道洞身附近位置，采取巖芯、獲得詳實的勘探資料，解決極其困難條件下垂直孔無法實施導致的資料缺失難題。

3 川藏鐵路鉆探工藝概述

為了能更好地實現繩索取芯[4]功能，在傳統繩索取芯鉆具的內管總成和打撈器上增加水封裝置，同時在鉆桿上端增加一個特制的三通設備。在內管投放時，將內管總成放進鉆桿內，水封裝置和鉆桿內壁形成一個滑動密封，用泵向鉆桿內泵水將內管總成壓入孔底。打撈內管總成時，同樣將打撈器放進鉆桿內，水封裝置和鉆桿內壁形成一個滑動密封，然后在鉆桿上端接上特制三通裝置，打撈器鋼絲繩通過三通上端帶密封裝置的孔內引出，通過三通進水管向鉆桿內泵水，打撈器在水壓的作用下滑入孔內，打撈鋼絲繩在打撈器的牽引下通過三通上端密封裝置進入鉆桿，到達孔底勾住內管總成后，用地面鋼絲繩絞車將內管總成提出地面，完成取芯工作。

繩索取芯鉆探工藝是通過泥漿泵加壓沖洗液向孔內輸送內管和打撈矛，來實現繩索取芯工藝的要求，具有繩索取芯工藝的優點。水平孔使用繩索鉆進取芯工藝流程見圖1。

4 水平孔泥漿性能與護壁堵漏技術

4.1 孔口孔壁穩定性保障

（1）在修整場地時，對其坡體溜塌物進行清表；

（2）對孔口下套管。

4.2 孔內孔隙大，漏漿極其嚴重的部分

（1）漏漿極其嚴重，采用粘土—水泥漿液進行封堵。

（2）采用泡沫泥漿進行頂漏鉆進。

4.3 鉆進較完整地層

采用無固相、低粘沖洗液。

4.4 鉆進破碎地層，伴有塌孔、卡鉆等現象

采用高粘度、高切力低比重的膨潤土—高分子聚合物漿液。

4.5 水平鉆探孔內事故處理[5]

4.5.1 卡鉆事故處理[6]方法

通過現場的地層、巖芯情況、鉆進時的征兆，分析卡鉆事故發生的原因。如圖2所示。

（1）孔壁巖石掉塊，巖層滑移和錯動。

（2）孔壁和巖芯不規則。

（3）孔身彎曲，孔壁形成鍵槽。

（4）孔身不規整，孔徑大小變換懸殊。

4.5.1.1 卡鉆事故處理

在鉆進過程中，發生孔壁掉塊、巖層滑移錯動和孔壁巖芯不規則導致的卡鉆事故。

（1）采用千斤頂外頂。

（2）在前期孔淺時，利用反鉆鉆桿先對上部的鉆桿返出，用大一級巖芯管連接薄壁硬質合金鉆頭進行擴孔套取。

（3）在后期孔深時，利用反鉆鉆桿先對上部的鉆桿返出，緊接著利用小一級的鉆頭從粗徑鉆具內向內透，透過1～2m，如果透的過程中由于鉆具的振動而解卡，則通過絲錐撈取，如不能解卡，則使用小一級鉆頭持續鉆進。

（4）孔內巖粉較多，易形成懸橋。增大沖洗量，如果消除不了，利用反鉆鉆桿先對上部的鉆桿返出，下同孔徑的鉆具進行掃孔，消除巖粉障礙，再下絲錐撈取下部鉆具。

4.5.1.2 卡鉆事故預防

（1）在松軟坍塌、掉塊、裂隙發育、容易產生滑移和錯動的巖層中鉆進時，盡量保持孔壁的穩定性。

（2）做好孔內清潔。

4.5.2 漏漿事故處理方法

通過現場的地層、巖芯情況、鉆進時的征兆，分析全孔漏漿的原因：

（1）地層的層理及其節理裂隙極其發育，致使漿液沿著裂隙縫流走。

（2）沖洗液的性能不能有效起到護壁堵漏的作用。

（3）泥漿壓力高于孔內水頭壓力。

鉆進過程中，出現漏漿現象異常嚴重，有以下幾個辦法處理：

（1）在孔口或者孔深不深時，利用套管來進行護壁堵漏。

（2）在孔深較深時，存在大的裂隙，漏漿嚴重，現場采用粘度較高的膨潤土、粘土球與纖維物，或者聚丙烯酰胺或者植物膠進行堵漏，若效果不佳，則采用水泥漿液進行堵漏。

（3）在漿液通過小的層理和小的空隙流失時，現場則采用配方泥漿，通過調配膨潤土+高聚物分子漿液來達到護壁堵漏和攜帶巖粉等作用。

（4）在鉆具處涂抹潤滑油脂等材料，從孔口注入泥漿，保證潤滑。

（5）選取比重較小的泡沫泥漿作為沖洗液，減小漏失。

（6）在漏失較小處，加大泥漿泵泵壓和泵量，進行頂漏鉆進。

5 水平鉆孔工程實例

5.1 川藏鐵路夏里隧道2AC51KSZ-1#水平鉆孔

5.1.1 鉆探目的

查明夏里隧道出口段的地層巖性特征、層厚、完整程度、地質構造、富水性等工程地質條件和水文地質條件。為設計提供地質基礎數據。

5.1.2 實施情況

水平鉆施工區域的巖性為灰巖與片巖互層，巖質較軟。根據地質調查，在鉆孔進口段巖性主要為三疊系上統灰巖夾片巖，中部橫穿洛隆至八宿斷裂帶，鉆孔深部巖性為三疊系上統片巖。該孔所在區域，受構造活動影響，地層破碎，灰巖風化較為嚴重和多段局部存在溶蝕作用，巖芯采取較為破碎；壓碎巖，原巖結構已破壞，巖芯被擠壓、揉裂呈碎屑狀及少量碎塊狀，巖質軟；片巖的板理及其節理裂隙極其發育。

該孔終孔深度550.2m，順利完成了鉆探成孔作業，巖芯采取率大于95%，為后續相關專業分析、孔內綜合測試工作創造了條件，實現了預定的鉆探目標。探明了斷層破碎帶的傾向傾角、寬度，查明了隧道洞身范圍內的巖體完整性。同時通過該鉆孔還形成了整套的水平鉆孔技術體系，對以后的鉆孔作業具有指導意義。見圖3。

5.2 川藏鐵路通麥隧道水平孔3DXZ-1鉆孔

5.2.1 鉆探目的

查明鉆探范圍內（包括隧道洞身范圍）的地層巖性、地質構造、節理發育程度、巖體完整程度及地下水發育程度，為工程設計提供地質參數并做出工程地質評價。

5.2.2 實施情況

水平鉆施工區域的穿過嘉黎迫龍藏布斷裂帶。巖性主要為元古界片麻巖夾大理巖。開孔處地層巖性為松散坡積物，覆蓋層較厚，含塊石。鉆進過程中遇到斷層破碎帶，裂隙發育，巖層破碎?？變劝l生了涌水，大量地下水向孔外涌出（施鉆中遇到涌水，通過調整泥漿比重，改善泥漿性能，同時進行跟管鉆進）。

該孔終孔深度629m，順利完成了鉆探成孔作業，該孔的順利終孔為后續相關專業分析、孔內綜合測試工作創造了條件，實現了預定的鉆探目標。查明了鉆探范圍內（包括隧道洞身范圍）的地層巖性、查明了F48斷裂邊界、節理發育程度、巖體完整程度及地下水發育程度，為工程設計提供地質參數并做出工程地質評價。見圖4。

6 結論

川藏鐵路高海拔、缺氧、嚴寒、構造發育、地形陡峻等給工程地質勘探工作設置了一道極難逾越的屏障。為適應可施鉆場地匱乏、道路不通、海拔高、地形陡等極困難的施工環境。為了適應沿線地質復雜、自然環境惡劣和滿足地質技術要求，引進使用水平孔工程地質鉆探技術，進行高原復雜山區交通工程勘察。為查明地下工程地質條件、保證勘察設計工作的順利進行提供了保障。此次川藏鐵路水平鉆孔鉆探技術的實施，將推動工程地質勘探技術的突破和提升，奠定基礎設施建設的堅實基礎獲得了豐富的勘察數據和成果，服務川藏鐵路綜合勘察研究，為工程設計提供詳實、可靠的勘察資料，積累了豐富的高原山區勘察工程經驗，為超深水平孔全孔取芯工程地質鉆探發展奠定了基礎。