水平定向钻在公路隧道工程中的应用及分析

张群英ZHANG Qun-ying；杨杜娟YANG Du-juan；袁野YUAN Ye

（陕西中科非开挖技术股份有限公司，西安 710018）

0 引言

水平定向钻技术经过几十年发展，从最初只能进行小河流作业到穿越大江大河，钻进地层从砂土层发展到岩石地层，从石油、天然气、自来水、污水等管线铺设到高速公路、铁路、海滩、岛屿、隧道等工程领域的应用，在全国乃至全世界有着越来越广泛的应用及发展空间。

1 项目概况

本次定向钻工程是天山胜利隧道G0711乌鲁木齐-尉犁-若羌高速公路，隧道出口段掘进至F7断裂带前一段超前地质钻项目，如图1所示。其兼具地质勘查及为隧道施工导水的功能。胜利隧道具有“一长、二深、五高”的特点，其中隧道最大埋深1112.2m，“五高”指高地应力、高地震烈度、高环保要求、高寒、高海拔。复杂的地质和自然环境，使得本次水平定向钻施工尤为困难，加之钻进长度1720m,入钻点高程与隧道轴线高程相差约264m，孔径0.25m。设计曲线在平面上划R800弧，钻进地层主要为风化大理岩夹变质砂岩，根据物探解译及区域地质资料，该段为褶皱段，裂隙发育、岩体破碎、碎裂状结构，更加大了工程难度。

图1 天山胜利隧道进口

1.1 地质条件

基于隧道工程项目情况介绍，此次水平定向钻穿越场址区位于构造剥蚀高中山地貌区，中轴线地面高程2772.00～4113.00m，相对高差1341.00m，地形起伏大，岩石风化强烈，冰川及冰川地貌发育，堆积物主要以第四系冰水堆积碎块石土为主。拟建隧道进、出口均位于山前斜坡地带，隧道进口自然坡角约40°～45°，表层主要为第四系崩坡积碎块石土，下伏基岩为泥盆系强风化凝灰质砂岩，自然边坡处于基本稳定状态。隧址区进口处为乌鲁木齐河河谷，两岸陡峭，通行条件差，其地形地貌，如图2所示。

图2 地形地貌

1.2 地层岩性

根据初勘工程地质调绘及钻探成果，隧址区地层主要为第四系冲洪积卵石（Q4al+pl）、崩坡积碎石（Q4c+dl）、冰水堆积碎石（Q4fgl）；泥盆系上统天格尔组灰绿色凝灰质砂岩（D3tb）、中元古代（Pt2）蓟县系卡瓦布拉克群第二组（Jxk2）灰褐色变质砂岩、砂质板岩；中元古代（Pt2）长城系星星峡群（CHx）灰绿色石英片岩、片麻岩及华力西期侵入浅肉红色花岗斑岩（γC2dH）灰白色花岗岩（ηγD1H）、加里东期侵入灰白色花岗闪长岩（γδS1Q、γδS2Q）、晋宁运动期青白口纪侵入灰色片麻状闪长岩（tnQbH），水平定向钻穿越曲线所经过地层初步判断以强-中风化凝灰质砂岩、碳质板岩、花岗闪长岩等岩层为主。

2 工程机械与设备选择

2.1 施工机械设备

根据该工程特点及地质条件，选用古登（GD3500-L）钻机，最大回拖力3600kN，最大扭矩112000N·m，如图3所示。

图3 GD3500-L型定向钻

2.2 控向仪器

控向系统采用美国VectorMagnetics公司的P2地磁复合导向系统。在正常情况下，钻进方向及埋深通过P2系统进行监测，并在地表布设人工磁场对监测数据进行校核。本项目除前段200m在克服困难的条件下可布人工磁场外，其余1500m左右由于高差及山势陡峭无法布置人工磁场，因此选择加装惯导陀螺仪与P2相互验证，惯导陀螺仪测量不受地形限制，不受深度限制，不受电磁干扰，定位精度高且数据连续，抗干扰强，两者共用以提高控向精度。

2.3 配套机具

由于钻孔轨迹高差较大（264m），为保证钻进液的有效循环，选用两台泥浆泵（GN2500），泵量2500L/Min，最大压力10MPa，两台泥浆泵并联使用。施工中使用泥浆马达需要大量的泥浆泵，为使钻井液可以更好地循环，综合考虑钻井液的携带能力，主要是提高钻井液的动塑比，静切力等指标；适当的降低钻井液粘度，增强其流动性提高流速，可起到更好的效果。

由于钻孔轨迹曲率半径较小（R=800m），钻进过程中牙轮钻头磨损较快，使用寿命较短，每个牙轮钻头平均钻进时间不超过44.6h，钻进长度平均不超过246m。

由于钻井液配制成本比较高，在长距离岩石钻进中使用量比较大，在振动筛等泥浆净化系统后可以增加离心机除固相设备，可以较好地除去钻井液中的固相成分，提高钻速以及钻井液的携带能力。

2.4 泥浆配比方案

根据地质资料情况，现场钻进速度、反渣情况综合确定泥浆配比。地层情况变化及时调整配比，根据经验，水平定向钻所用泥浆由三大部分材料组成：膨润土、泥浆添加剂和水。在施工过程中用烧碱、纯碱对泥浆pH值进行调节，维持泥浆pH值在9～10之间。泥浆作用的发挥和泥浆材料的组成有很大关系。因而，当需要突出某一方面作用时，就应该有针对性地调整泥浆配料的成分。

2.5 清孔方式及井下电视

钻孔后通过加大泵量，进行活塞式反复推拉洗孔尽量清除孔内钻渣，洗孔结束后用清水对泥浆进行不断稀释及置换，直至入钻口位置流出清水为止。如用清水稀释、置换效果不佳可考虑加装空压机通过钻杆进行高压吹扫。待清孔结束即可送入井下电视查看程控效果及地层情况。

3 现场施工

由于受隧道工程总工期的限制，水平定向钻勘察安排在冬季施工。根据施工天气情况和工程设备及地质条件，按照如下步骤进行施工：见图4。

图4 施工步骤

①搭建保温大棚：

冬季施工，条件异常恶劣。日平均气温-10℃，夜间最低温度-30℃，严重影响定向钻施工中泥浆系统的正常运行，因此搭建保温大棚十分必要。在大棚内采用2台电锅炉及5台大铁炉综合取暖方式，保证棚内温度在0℃以上，施工用水、泥浆不结冰，确保水平定向钻勘察工作顺利进行，如图5所示。

图5 保温大棚

②套管安装：

在隧道进口沿轴线30m范围内，定向钻穿越地层主要为第四系冲洪积卵石、崩坡积碎石、冰水堆积碎石等，其中含有大量飘石，直径一般在40～80cm，大者可达120cm，严重影响控向，并会形成冒浆、漏浆等现象。为此在该段范围内，采用安装套管方式达到隔离不良地层的目的，如图6所示。

图6 不良地层

③控向钻进：

本次水平定向钻隧道勘察项目，采用设备主要有GD3500-L型定向钻机、发电机组、泥浆泵、泥浆搅拌回收系统、P2控向系统等。见图7-图9。

图7 博阿断裂

图9 岩屑采集

④涌水量观测：

涌水量每日观测一次。

⑤取芯：

图8 P2控向显示平面位置及高程

在施工过程中，分别在1003m、1900m处取芯两次。见图10-图11。

图10 1003m取芯

图11 1900m取芯

⑥综合测井：

在终孔后，对2271m钻孔全程进行综合测井。

⑦孔内电视：

对2271m钻孔全程进行孔内电视摄像。见图12。

图12 孔内电视

4 结语

本文结合工程实例，通过水平定向钻进技术在天山胜利隧道工程中的成功应用，总结了在钻进施工中施工机械设备、控向仪器、钻具选择、泥浆配比方案及清孔方式等，积累了在高速公路工程的施工经验，同时也为同行们在以后类似穿越工程中提供借鉴经验。