水平钻孔技术在川藏铁路勘察中的应用

陈 婷，王军伟，武栋栋，李良泉，张 冲，崔 雷

（陕西铁道工程勘察有限公司，陕西 西安 710003）

1 概述

川藏铁路位于青藏高原东南部，在铁路综合勘察工作中，地质钻探[1]作为最直接的勘察手段。可以为设计提供详实、可靠的资料，从而确保项目设计、施工、运营、维护各阶段工作的安全。但川藏铁路高海拔、缺氧、严寒、构造发育、地形陡峻等给工程地质勘探工作设置了一道极难逾越的屏障，传统的工程地质钻探设备[2]或器具工艺已不能满足勘察设计工作的需要。部分钻孔无法达到隧道洞身垂直地面投影位置，需钻孔采用定向钻探技术[3]进行勘探。

在川藏铁路地质勘察工作过程中，验证、试制与研究钻探设备及相关的器具工艺，使得定向钻探实施深度获得突破，为勘察设计工作提供详实可靠的数据资料，对保证本项目各阶段的顺利实施具有极其重要的意义，也是在勘察设计阶段迫切需要解决的重大难题。

2 工程钻探现状

2.1 水平孔钻探技术的突破

工程地质勘探在设备、工艺方法及技术方面一直处在勘探行业的末位，随着社会整体技术水平的提高，既有勘探技术为长大埋深隧道等的勘察设计提供的勘探数据十分有限，工程地质勘探落后的设备和技术已成为制约工程建设水平的关键。

藏东南复杂艰险山区沿线海拔高、高差大、雪山及沟壑密布，自然环境恶劣，极端气候现象频发，很多影响川藏铁路线路方案的重点桥隧工程位于无人区内，工程地质勘察难度极大。再加上地下工程工点局部段落埋深超过2km，传统的工程地质钻探设备或器具工艺已无法顺利实施，对地下工程工程勘察设计工作提出巨大挑战。川藏铁路水平钻探技术的引进，将推动工程地质勘探技术的突破和提升，奠定基础设施建设的坚实基础。

2.2 水平孔钻探技术的研究实施

（1）为适应可施钻场地匮乏、道路不通、海拔高、地形陡等极困难的施工环境，采用全孔取芯超深水平孔工程钻探成套技术，保障钻孔的顺利实施，提升工程勘察水平孔钻探技术。

（2）在隧道傍山段或隧道经过的沟谷内，设置钻场，利用定向钻探技术，钻至隧道洞身附近位置，采取岩芯、获得详实的勘探资料，解决极其困难条件下垂直孔无法实施导致的资料缺失难题。

3 川藏铁路钻探工艺概述

为了能更好地实现绳索取芯[4]功能，在传统绳索取芯钻具的内管总成和打捞器上增加水封装置，同时在钻杆上端增加一个特制的三通设备。在内管投放时，将内管总成放进钻杆内，水封装置和钻杆内壁形成一个滑动密封，用泵向钻杆内泵水将内管总成压入孔底。打捞内管总成时，同样将打捞器放进钻杆内，水封装置和钻杆内壁形成一个滑动密封，然后在钻杆上端接上特制三通装置，打捞器钢丝绳通过三通上端带密封装置的孔内引出，通过三通进水管向钻杆内泵水，打捞器在水压的作用下滑入孔内，打捞钢丝绳在打捞器的牵引下通过三通上端密封装置进入钻杆，到达孔底勾住内管总成后，用地面钢丝绳绞车将内管总成提出地面，完成取芯工作。

绳索取芯钻探工艺是通过泥浆泵加压冲洗液向孔内输送内管和打捞矛，来实现绳索取芯工艺的要求，具有绳索取芯工艺的优点。水平孔使用绳索钻进取芯工艺流程见图1。

4 水平孔泥浆性能与护壁堵漏技术

4.1 孔口孔壁稳定性保障

（1）在修整场地时，对其坡体溜塌物进行清表；

（2）对孔口下套管。

4.2 孔内孔隙大，漏浆极其严重的部分

（1）漏浆极其严重，采用粘土—水泥浆液进行封堵。

（2）采用泡沫泥浆进行顶漏钻进。

4.3 钻进较完整地层

采用无固相、低粘冲洗液。

4.4 钻进破碎地层，伴有塌孔、卡钻等现象

采用高粘度、高切力低比重的膨润土—高分子聚合物浆液。

4.5 水平钻探孔内事故处理[5]

4.5.1 卡钻事故处理[6]方法

通过现场的地层、岩芯情况、钻进时的征兆，分析卡钻事故发生的原因。如图2所示。

（1）孔壁岩石掉块，岩层滑移和错动。

（2）孔壁和岩芯不规则。

（3）孔身弯曲，孔壁形成键槽。

（4）孔身不规整，孔径大小变换悬殊。

4.5.1.1 卡钻事故处理

在钻进过程中，发生孔壁掉块、岩层滑移错动和孔壁岩芯不规则导致的卡钻事故。

（1）采用千斤顶外顶。

（2）在前期孔浅时，利用反钻钻杆先对上部的钻杆返出，用大一级岩芯管连接薄壁硬质合金钻头进行扩孔套取。

（3）在后期孔深时，利用反钻钻杆先对上部的钻杆返出，紧接着利用小一级的钻头从粗径钻具内向内透，透过1～2m，如果透的过程中由于钻具的振动而解卡，则通过丝锥捞取，如不能解卡，则使用小一级钻头持续钻进。

（4）孔内岩粉较多，易形成悬桥。增大冲洗量，如果消除不了，利用反钻钻杆先对上部的钻杆返出，下同孔径的钻具进行扫孔，消除岩粉障碍，再下丝锥捞取下部钻具。

4.5.1.2 卡钻事故预防

（1）在松软坍塌、掉块、裂隙发育、容易产生滑移和错动的岩层中钻进时，尽量保持孔壁的稳定性。

（2）做好孔内清洁。

4.5.2 漏浆事故处理方法

通过现场的地层、岩芯情况、钻进时的征兆，分析全孔漏浆的原因：

（1）地层的层理及其节理裂隙极其发育，致使浆液沿着裂隙缝流走。

（2）冲洗液的性能不能有效起到护壁堵漏的作用。

（3）泥浆压力高于孔内水头压力。

钻进过程中，出现漏浆现象异常严重，有以下几个办法处理：

（1）在孔口或者孔深不深时，利用套管来进行护壁堵漏。

（2）在孔深较深时，存在大的裂隙，漏浆严重，现场采用粘度较高的膨润土、粘土球与纤维物，或者聚丙烯酰胺或者植物胶进行堵漏，若效果不佳，则采用水泥浆液进行堵漏。

（3）在浆液通过小的层理和小的空隙流失时，现场则采用配方泥浆，通过调配膨润土+高聚物分子浆液来达到护壁堵漏和携带岩粉等作用。

（4）在钻具处涂抹润滑油脂等材料，从孔口注入泥浆，保证润滑。

（5）选取比重较小的泡沫泥浆作为冲洗液，减小漏失。

（6）在漏失较小处，加大泥浆泵泵压和泵量，进行顶漏钻进。

5 水平钻孔工程实例

5.1 川藏铁路夏里隧道2AC51KSZ-1#水平钻孔

5.1.1 钻探目的

查明夏里隧道出口段的地层岩性特征、层厚、完整程度、地质构造、富水性等工程地质条件和水文地质条件。为设计提供地质基础数据。

5.1.2 实施情况

水平钻施工区域的岩性为灰岩与片岩互层，岩质较软。根据地质调查，在钻孔进口段岩性主要为三叠系上统灰岩夹片岩，中部横穿洛隆至八宿断裂带，钻孔深部岩性为三叠系上统片岩。该孔所在区域，受构造活动影响，地层破碎，灰岩风化较为严重和多段局部存在溶蚀作用，岩芯采取较为破碎；压碎岩，原岩结构已破坏，岩芯被挤压、揉裂呈碎屑状及少量碎块状，岩质软；片岩的板理及其节理裂隙极其发育。

该孔终孔深度550.2m，顺利完成了钻探成孔作业，岩芯采取率大于95%，为后续相关专业分析、孔内综合测试工作创造了条件，实现了预定的钻探目标。探明了断层破碎带的倾向倾角、宽度，查明了隧道洞身范围内的岩体完整性。同时通过该钻孔还形成了整套的水平钻孔技术体系，对以后的钻孔作业具有指导意义。见图3。

5.2 川藏铁路通麦隧道水平孔3DXZ-1钻孔

5.2.1 钻探目的

查明钻探范围内（包括隧道洞身范围）的地层岩性、地质构造、节理发育程度、岩体完整程度及地下水发育程度，为工程设计提供地质参数并做出工程地质评价。

5.2.2 实施情况

水平钻施工区域的穿过嘉黎迫龙藏布断裂带。岩性主要为元古界片麻岩夹大理岩。开孔处地层岩性为松散坡积物，覆盖层较厚，含块石。钻进过程中遇到断层破碎带，裂隙发育，岩层破碎。孔内发生了涌水，大量地下水向孔外涌出（施钻中遇到涌水，通过调整泥浆比重，改善泥浆性能，同时进行跟管钻进）。

该孔终孔深度629m，顺利完成了钻探成孔作业，该孔的顺利终孔为后续相关专业分析、孔内综合测试工作创造了条件，实现了预定的钻探目标。查明了钻探范围内（包括隧道洞身范围）的地层岩性、查明了F48断裂边界、节理发育程度、岩体完整程度及地下水发育程度，为工程设计提供地质参数并做出工程地质评价。见图4。

6 结论

川藏铁路高海拔、缺氧、严寒、构造发育、地形陡峻等给工程地质勘探工作设置了一道极难逾越的屏障。为适应可施钻场地匮乏、道路不通、海拔高、地形陡等极困难的施工环境。为了适应沿线地质复杂、自然环境恶劣和满足地质技术要求，引进使用水平孔工程地质钻探技术，进行高原复杂山区交通工程勘察。为查明地下工程地质条件、保证勘察设计工作的顺利进行提供了保障。此次川藏铁路水平钻孔钻探技术的实施，将推动工程地质勘探技术的突破和提升，奠定基础设施建设的坚实基础获得了丰富的勘察数据和成果，服务川藏铁路综合勘察研究，为工程设计提供详实、可靠的勘察资料，积累了丰富的高原山区勘察工程经验，为超深水平孔全孔取芯工程地质钻探发展奠定了基础。