郭永順 溫曉虎 陳素敏 吳 輝 黃宇輝 智 剛 左戰(zhàn)旗 譚雄衛(wèi)

(1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510330；2.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308；3.湖南衛(wèi)誠(chéng)地質(zhì)科技有限公司，長(zhǎng)沙 410007)

1 概述

隨著城市軌道交通的發(fā)展，大量線路不可避免地穿越斷裂帶等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，其中，斷裂帶的分布、活動(dòng)特征及場(chǎng)地的穩(wěn)定性對(duì)軌道交通建設(shè)影響較大[1-3]。目前，城市軌道交通勘察工作中，以常規(guī)垂直鉆探為主，局部地段受地面場(chǎng)地條件限制，無(wú)法實(shí)施垂直鉆探，往往造成了勘察鉆孔完成率較低。物探作為一種間接補(bǔ)充探測(cè)手段，經(jīng)常應(yīng)用于缺乏地質(zhì)資料地段，然而，受人為解譯影響，物探始終存在地球物理反演的多解性，需要鉆探進(jìn)一步驗(yàn)證[4-6]。

在廣州地鐵7號(hào)線二期工程中，受鐵路、快速路等特殊場(chǎng)地條件影響，常規(guī)垂直鉆探及物探手段均無(wú)法進(jìn)行，為了更加準(zhǔn)確地揭露斷裂帶，基于水平定向連續(xù)取芯技術(shù)，將高精度定向鉆探技術(shù)與繩索取芯技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以期解決在城市軌道交通勘察項(xiàng)目中遇到的難題。

2 定向鉆取芯技術(shù)的現(xiàn)狀

定向鉆技術(shù)已廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)、油氣等領(lǐng)域，通過(guò)在目標(biāo)層位的靶向取芯，實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)礦產(chǎn)資源的勘查[7-10]。近年來(lái)，定向鉆技術(shù)也相繼應(yīng)用于深埋長(zhǎng)大隧道勘察中，在某高原艱險(xiǎn)鐵路勘察中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)3 000 m級(jí)水平定向鉆井，并采用取芯間距為100 m的間斷取芯方式；在西南某隧道，將繩索取芯工藝應(yīng)用于定向鉆，完成了903.28 m繩索取芯水平孔。不難看出，現(xiàn)有鐵路勘察中的應(yīng)用均為水平孔，主要難點(diǎn)為防止鉆孔軌跡受重力因素的偏斜[11]。

在定向造斜鉆進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行取芯，仍是目前存在的技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)已有機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究，并取得一定成果。然而該技術(shù)仍存在鉆具易磨損、易損件壽命短、取芯直徑小等缺點(diǎn)，與國(guó)外同類(lèi)技術(shù)相比，在造斜強(qiáng)度上還存在較大差距[12-14]。

現(xiàn)有定向鉆探多依靠高壓水驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)孔底鉆進(jìn)，由于鉆桿固定，確定工具面角的母線十分方便，通過(guò)隨鉆測(cè)斜儀在任何時(shí)候都可以準(zhǔn)確測(cè)出定向鉆的工具面角，以確保定向鉆探的精度。然而，由孔底馬達(dá)實(shí)現(xiàn)的定向鉆探在取芯方面還存在較大不足，故其在地質(zhì)勘察領(lǐng)域應(yīng)用受到極大的限制[15-16]。

3 定向連續(xù)取芯關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新性

傳統(tǒng)定向鉆在定向造斜鉆進(jìn)時(shí)，不能連續(xù)取芯，且繩索取芯也只應(yīng)用在直孔中，故如何將定向鉆進(jìn)技術(shù)與繩索取芯技術(shù)相結(jié)合，成為了技術(shù)的關(guān)鍵。水平定向鉆繩索取芯技術(shù)通過(guò)地面鉆機(jī)，以設(shè)計(jì)頂角及方位角鉆進(jìn)，在連續(xù)不斷的繩索取芯鉆進(jìn)的同時(shí)，鉆孔軌跡可按設(shè)計(jì)要求不斷調(diào)整頂角與方位角，鉆孔接近目標(biāo)地層時(shí)，可由射孔時(shí)的90°(或任意角度)變成與地面平行的0°，然后沿水平方向連續(xù)不斷取芯鉆進(jìn)。

3.1 定向造斜鉆具的設(shè)計(jì)

目前，定向鉆具應(yīng)用比較成熟的有單動(dòng)雙管、雙動(dòng)雙管、螺桿鉆等類(lèi)型。單動(dòng)雙管鉆具工作時(shí)，內(nèi)管保持不動(dòng)外管轉(zhuǎn)動(dòng)，具有振動(dòng)、擺動(dòng)較小，對(duì)巖芯的擾動(dòng)較小，取芯率較好等優(yōu)點(diǎn)；雙動(dòng)雙管鉆具工作時(shí)，內(nèi)、外兩層巖心管在鉆進(jìn)時(shí)同時(shí)回轉(zhuǎn)，主要適用于松散、易坍塌的取樣，但內(nèi)外管同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，也同樣會(huì)出現(xiàn)鉆具振動(dòng)、摩擦等機(jī)械力對(duì)巖芯的破壞作用[17]。上述兩種鉆具均對(duì)鉆具定向轉(zhuǎn)位影響很大，并不能實(shí)現(xiàn)人工的定向控制；螺桿鉆鉆具是底孔馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，雖然可以人工精確定向，但不能連續(xù)取芯[18]。

為實(shí)現(xiàn)定向連續(xù)取芯的技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有鉆具進(jìn)行改進(jìn)，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足。依托于廣州地鐵7號(hào)線二期工程，應(yīng)用單動(dòng)三管鉆具球籠式可轉(zhuǎn)位定向裝置(見(jiàn)圖1)，在不影響取芯內(nèi)管取樣的情況下，由不動(dòng)外管固定導(dǎo)向，采用不同傾角的彎頭形式，并與動(dòng)管組合成為球籠式結(jié)構(gòu)，形成類(lèi)似球關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的可轉(zhuǎn)位定向鉆進(jìn)[19]。

圖1 球籠式可轉(zhuǎn)位定向裝置

為了保證外管固定，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械卡瓦式外管制動(dòng)裝置(見(jiàn)圖2)。當(dāng)動(dòng)管花鍵軸下壓時(shí)，推動(dòng)第一推力球軸承和制動(dòng)卡瓦錐度推桿向下移動(dòng)。當(dāng)推動(dòng)到一定位置時(shí)，在制動(dòng)卡瓦錐度推桿擠壓下，外管制動(dòng)卡瓦向外頂出，使其能夠很好地與巖石接觸，在外管制動(dòng)卡瓦的作用下，能夠進(jìn)行可靠的外管制動(dòng)。當(dāng)動(dòng)管花鍵軸下壓推力消除時(shí)，利用螺旋彈簧的彈力使得外管制動(dòng)卡瓦自動(dòng)復(fù)位，從而解除對(duì)外管的制動(dòng)，即可以提鉆。該鉆具的設(shè)計(jì)可以適用于不同地質(zhì)條件下的高精度定向鉆探。

圖2 機(jī)械卡瓦式制動(dòng)裝置

3.2 定向取芯自動(dòng)尋位技術(shù)

在任意方向的定向鉆探中，由于鉆桿的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，角度變化對(duì)尋找工具面角的母線不利。定向取芯自動(dòng)尋位技術(shù)可以解決無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)任意設(shè)定軌跡定向鉆探及連續(xù)取芯鉆探的問(wèn)題。

測(cè)量工作角度時(shí)，定向取芯尋位裝置見(jiàn)圖3(a)，外套管與上內(nèi)套管通過(guò)止動(dòng)螺釘與止動(dòng)槽的配合實(shí)現(xiàn)相對(duì)固定，將隨鉆測(cè)量?jī)x通過(guò)靠近上內(nèi)套管一端的內(nèi)孔開(kāi)口投入外套管的內(nèi)孔，并順著端面滑入斜口引鞋內(nèi)。此時(shí)，隨鉆儀與導(dǎo)向套管的相對(duì)位置及角度固定，導(dǎo)向套管與上內(nèi)套管的相對(duì)位置和角度固定，上內(nèi)套管與外套管的相對(duì)位置及角度固定，故外套管與鉆頭工具面母線的相對(duì)位置及角度也是確定的，通過(guò)讀取隨鉆儀的數(shù)據(jù)，即可測(cè)量出鉆頭的工具面角、方位角及頂角等技術(shù)參數(shù)[20]。

取芯鉆探時(shí)的狀態(tài)見(jiàn)圖3(b)，此時(shí)，外套管與上內(nèi)套管分離，下內(nèi)套管、上內(nèi)套管、中內(nèi)套管、導(dǎo)向套管及彈性元件作為一個(gè)整體，可相對(duì)于外套管轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)從鉆桿至鉆頭的傳動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)取芯鉆探。

圖3 定向取芯自動(dòng)尋位裝置

待孔底的儀器測(cè)得孔下的空間參數(shù)及造斜工具的工作狀態(tài)，上傳地面計(jì)算機(jī)，工程人員根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)決定是否調(diào)動(dòng)地面的回轉(zhuǎn)裝置，以調(diào)節(jié)造斜工具狀態(tài)，并使其達(dá)到目的層的鉆探。該系統(tǒng)可以對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行有效控制，可以使鉆頭沿著設(shè)計(jì)的方向達(dá)到目標(biāo)。

3.3 定向造斜與取芯技術(shù)融合

定向繩索連續(xù)取芯鉆進(jìn)技術(shù)是指把定向鉆進(jìn)技術(shù)與繩索取芯技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的一門(mén)新型的勘察技術(shù)，技術(shù)難點(diǎn)如下。

(1)鉆進(jìn)時(shí)下部鉆具的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致巖芯不能均勻進(jìn)入，其原因?yàn)榫圯S線與鉆具軸線的不重合。

(2)取芯工具軸線與重力線存在一定的夾角，普通取芯工具在這種情況下會(huì)出現(xiàn)2種取芯難的情況：①取芯工具的阻卡現(xiàn)象；②取芯工具在重力的作用下下垂，與外筒內(nèi)壁接觸，在取芯鉆進(jìn)時(shí)，內(nèi)置的芯筒與外筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使取芯效果變差。

(3)井底的實(shí)際鉆井壓與井口顯示的鉆壓不一致，是由于定向井的鉆柱與井壁之間產(chǎn)生的摩擦力比較大導(dǎo)致的。

(4)在定向井的取芯作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)該正確判斷鉆壓，使內(nèi)外巖芯筒居中，并對(duì)井眼進(jìn)行清潔。

研發(fā)的定向繩索取芯鉆進(jìn)系統(tǒng)由鉆桿及鉆頭、取芯內(nèi)管總成、球籠式定向造斜裝置、測(cè)量導(dǎo)向裝置、計(jì)算機(jī)及軟件、巖芯打撈裝置組成，見(jiàn)圖4。

圖4 定向繩索取芯鉆探系統(tǒng)

4 水平定向連續(xù)取芯技術(shù)的應(yīng)用

4.1 工程概況

廣州地鐵7號(hào)線二期工程線路區(qū)間YDK31+457～YDK32+590段下穿廣九鐵路及廣園快速路，該段隧道軌面埋深為30.6 m。根據(jù)《廣東省廣州市軌道交通七號(hào)線二期工程(大學(xué)城南—水西北)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估報(bào)告》，大沙東站—姬堂站區(qū)間線路穿越瘦狗嶺斷裂，產(chǎn)狀為SE95～110°/SW∠50～70°，其地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性為中等[21]。因此，詳細(xì)查明該斷裂帶南端的具體位置，并對(duì)該斷裂對(duì)擬建線路的影響進(jìn)行詳細(xì)評(píng)價(jià)尤為重要。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

鉆探施工場(chǎng)地選擇在距離鐵路南側(cè)約80 m位置，為準(zhǔn)確查明隧道結(jié)構(gòu)穿越斷裂帶的具體位置，造斜后目標(biāo)水平段各孔與隧道結(jié)構(gòu)位置關(guān)系見(jiàn)圖5，分別位于左右線中線隧道結(jié)構(gòu)頂板下方1 m及結(jié)構(gòu)頂板上方1.5 m位置。

圖5 水平定向鉆孔水平段相對(duì)位置關(guān)系(單位：m)

根據(jù)設(shè)計(jì)軌跡，采用XY-4型鉆探機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，配備BW320型泥漿泵進(jìn)行泥漿護(hù)壁及地層加固，利用DST隨鉆測(cè)斜儀每3 m進(jìn)行測(cè)斜及糾偏，利用定向造斜裝置進(jìn)行定向造斜，利用繩索打撈器對(duì)取芯內(nèi)管進(jìn)行巖芯提取(見(jiàn)圖6)。共完成4個(gè)水平定向取芯鉆孔，其中左線ZK1號(hào)孔完成孔深157.98 m，49個(gè)回次，用時(shí)41 d；左線ZK2號(hào)孔完成孔深189.84 m，60個(gè)回次，共用25 d；右線ZK5號(hào)孔完成孔深158.50 m，50個(gè)回次，共用26 d；右線ZK6號(hào)孔完成孔深190.10 m，61個(gè)回次，共用38 d。其中左右線各有1個(gè)鉆孔穿越廣園快速路，以覆蓋地質(zhì)空白區(qū)域。

圖6 定向測(cè)斜及繩索取芯

5 水平定向鉆斷裂勘察成果

5.1 揭露斷裂帶地質(zhì)特征

水平定向連續(xù)取芯技術(shù)首次在瘦狗嶺斷裂勘察中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了全孔段的定向連續(xù)取芯，取芯對(duì)地層的擾動(dòng)較小，取芯率滿足要求，取芯揭露地層細(xì)節(jié)特征明顯。在隧道水平段，由南向北依次劃分出全風(fēng)化含礫巖層及斷裂影響帶，主要有角礫狀變質(zhì)含礫砂巖(斷層泥、碎塊狀變質(zhì)含礫砂巖、巖塊狀變質(zhì)含礫砂巖、角礫狀碎裂巖(斷層泥)、碎塊狀碎裂巖以及巖塊狀碎裂巖)。影響帶內(nèi)地層受構(gòu)造影響多為中風(fēng)化夾強(qiáng)風(fēng)化，巖芯呈巖塊及碎塊狀，巖質(zhì)較軟，局部地段夾有斷層泥，原巖主要為含礫砂巖、花崗巖，取芯率達(dá)到90%以上。節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面粗糙，存在明顯的擦痕，裂隙局部填充石英脈，呈微張開(kāi)平緩裂隙，偶見(jiàn)硅化巖及含礫砂巖中包裹花崗巖塊及混雜的現(xiàn)象。

以左線Z1、Z2為例，準(zhǔn)確查明了隧道內(nèi)白堊系康樂(lè)段地層與燕山期花崗巖地層不整合接觸帶位置，接觸帶位置巖性變化明顯(見(jiàn)圖7、圖8)。

圖7 廣州地鐵7號(hào)線二期左線下穿廣九鐵路水平定向取芯探軌跡

圖8 廣州地鐵7號(hào)線二期工程揭露地層

定向鉆探揭露，斷層影響帶內(nèi)地層按巖性可分為變質(zhì)含礫砂巖及花崗質(zhì)碎裂巖，見(jiàn)圖9。其中變質(zhì)含礫砂巖遇水易軟化崩解，根據(jù)風(fēng)化程度不同，呈現(xiàn)巖塊狀、碎塊狀及半巖半土狀，巖塊狀巖芯取芯率可達(dá)95%以上，碎塊狀及半巖半土狀取芯率為60%～70%，隨著靠近斷裂帶接觸面，該巖性基本呈現(xiàn)斷層泥；花崗質(zhì)碎裂巖根據(jù)風(fēng)化程度不同呈現(xiàn)土柱狀、碎塊狀及巖塊狀，碎裂結(jié)構(gòu)，可見(jiàn)絹云母化、綠泥石化和碳酸鹽化，節(jié)理裂隙強(qiáng)烈發(fā)育，巖塊狀巖芯取芯率可達(dá)85%以上，碎塊狀及半巖半土狀取芯率為50%～60%。受斷裂影響，斷裂帶內(nèi)巖芯極破碎，取芯率整體較低，取芯較困難。

圖9 定向鉆揭露斷裂縱斷面

5.2 斷裂破碎帶巖礦分析

結(jié)合斷裂影響帶巖礦鑒定結(jié)果，由南向北到斷裂接觸面，地層為細(xì)礫巖、長(zhǎng)英質(zhì)碎裂巖及碎裂巖化絹云母化長(zhǎng)英質(zhì)黑云長(zhǎng)石脈狀混合巖(見(jiàn)圖10)。①細(xì)礫巖呈褐紅色、塊狀，主要由碎屑物和填隙物組成，碎屑物礦物成分主要由石英、長(zhǎng)石組成，巖屑多呈次棱角狀-次原狀，主要為花崗巖、黑云母長(zhǎng)石變粒巖、石英巖、碳酸鹽巖等組成，綠簾石零星分布，填隙物包括有泥質(zhì)、鐵質(zhì)、鈣質(zhì)，巖石后期經(jīng)歷構(gòu)造作用，部分礦物可見(jiàn)壓碎，局部可見(jiàn)細(xì)小裂隙。②長(zhǎng)英質(zhì)碎裂巖呈灰白色，塊狀構(gòu)造，受構(gòu)造應(yīng)力作用較強(qiáng)，由碎塊和基質(zhì)兩部分組成，碎塊由鉀長(zhǎng)石、石英和黑云母組成，石英、長(zhǎng)石多成碎裂狀，多見(jiàn)壓碎重結(jié)晶及波狀消光，基質(zhì)為長(zhǎng)石、石英、絹云母等呈細(xì)小粒狀及粉狀分布在碎塊周?chē)钕饷黠@。③碎裂巖化絹云母化長(zhǎng)英質(zhì)黑云長(zhǎng)石脈狀混合巖呈灰色，脈狀構(gòu)造，基體為黑云母長(zhǎng)石變粒巖，脈體為花崗質(zhì)，呈脈狀分布，部分長(zhǎng)石包裹自形黑云母或渾圓狀石英，說(shuō)明巖石可能經(jīng)歷巖漿混染作用，其他長(zhǎng)英質(zhì)礦物可見(jiàn)被壓碎，經(jīng)歷構(gòu)造碎裂作用強(qiáng)烈。

圖10 巖礦鑒定鏡下詳情

5.3 斷裂破碎帶強(qiáng)度分析

水平定向鉆采取的巖芯直徑為45 mm，滿足室內(nèi)試驗(yàn)要求，通過(guò)采取典型巖樣進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn)(見(jiàn)表1)。巖塊狀變質(zhì)含礫粗砂巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為2.21～9.98 MPa(橫向抗壓強(qiáng)度)，點(diǎn)荷載強(qiáng)度為1.18～2.66 MPa，換算單軸抗壓強(qiáng)度為25.84～47.53 MPa。巖塊狀碎裂巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為3.93～13.1 MPa(橫向抗壓強(qiáng)度)，點(diǎn)荷載強(qiáng)度為0.7～1.81 MPa，換算單軸抗壓強(qiáng)度為17.46～35.6 MPa。經(jīng)過(guò)對(duì)比，巖塊狀變質(zhì)含礫砂巖的橫向抗壓強(qiáng)度為豎向抗壓強(qiáng)度的1/10～1/3，巖塊狀碎裂巖的橫向抗壓強(qiáng)度為豎向抗壓強(qiáng)度的1/2～1，說(shuō)明變質(zhì)含礫砂巖接近水平層理，巖塊狀碎裂巖裂隙平緩，也說(shuō)明沿隧道方向的水平鉆孔取芯能真實(shí)反映盾構(gòu)開(kāi)挖的巖體強(qiáng)度狀態(tài)。

表1 斷裂破碎帶巖石水平及豎向力學(xué)性質(zhì)對(duì)比 MPa

5.4 斷裂面與隧道相交產(chǎn)狀

水平定向鉆揭露，左線ZK1鉆孔在里程ZDK32+521.14、ZK2鉆孔在里程ZDK32+522.26處存在巖性變化面，傾角約為70°；右線ZK5鉆孔在里程YDK32+510.10、ZK6鉆孔在里程YDK32+512.33處存在巖性變化面，傾角約為51°，基于此判斷瘦狗嶺斷裂面產(chǎn)狀為SE132O/SW∠51～70O，與區(qū)域斷裂顯示產(chǎn)狀接近一致，也進(jìn)一步說(shuō)明取芯技術(shù)的可靠性。

水平定向鉆連續(xù)取芯技術(shù)的應(yīng)用，直接揭露到隧道內(nèi)及上方的地質(zhì)特征，對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工具有更直觀的參考價(jià)值，建議設(shè)計(jì)施工單位根據(jù)反映出的地質(zhì)情況，提前采取有針對(duì)性的措施。

6 結(jié)論

(1)在充分調(diào)研現(xiàn)有定向鉆技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來(lái)在鐵路隧道勘察中開(kāi)展超長(zhǎng)水平孔定向取芯技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)技術(shù)研發(fā)，將定向鉆技術(shù)與繩索取芯技術(shù)融合，克服了軟弱覆蓋層及斷裂破碎地層鉆孔容易垮塌埋鉆的危險(xiǎn)，完成φ45 mm的連續(xù)取芯。

(2)該技術(shù)在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用，彌補(bǔ)了因場(chǎng)地條件受限不能開(kāi)展垂直鉆探及物探工作的不足，解決了廣州地鐵7號(hào)線二期工程穿越瘦狗嶺斷裂存在較大的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)連續(xù)取芯技術(shù)結(jié)合土工試驗(yàn)，揭露了隧道結(jié)構(gòu)穿越瘦狗嶺斷裂的地質(zhì)特征，并查明了瘦狗嶺斷裂面的產(chǎn)狀及與隧道的接觸位置關(guān)系，為設(shè)計(jì)施工提前采取相關(guān)措施提供重要的地質(zhì)依據(jù)。

(3)隨著城市軌道交通發(fā)展，新線路勘察遇到的難題也不斷凸顯，水平定向連續(xù)取芯技術(shù)為城市軌道交通勘察提供了一種新的勘察手段，尤其在地鐵穿越建構(gòu)筑物、鐵路、高速公路等影響地面鉆探作業(yè)情況下優(yōu)勢(shì)明顯。