郭永顺 温晓虎 陈素敏 吴 辉 黄宇辉 智 刚 左战旗 谭雄卫

(1.广州地铁集团有限公司，广州 510330；2.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308；3.湖南卫诚地质科技有限公司，长沙 410007)

1 概述

随着城市轨道交通的发展，大量线路不可避免地穿越断裂带等复杂地质环境，其中，断裂带的分布、活动特征及场地的稳定性对轨道交通建设影响较大[1-3]。目前，城市轨道交通勘察工作中，以常规垂直钻探为主，局部地段受地面场地条件限制，无法实施垂直钻探，往往造成了勘察钻孔完成率较低。物探作为一种间接补充探测手段，经常应用于缺乏地质资料地段，然而，受人为解译影响，物探始终存在地球物理反演的多解性，需要钻探进一步验证[4-6]。

在广州地铁7号线二期工程中，受铁路、快速路等特殊场地条件影响，常规垂直钻探及物探手段均无法进行，为了更加准确地揭露断裂带，基于水平定向连续取芯技术，将高精度定向钻探技术与绳索取芯技术有机结合，以期解决在城市轨道交通勘察项目中遇到的难题。

2 定向钻取芯技术的现状

定向钻技术已广泛应用于矿产、油气等领域，通过在目标层位的靶向取芯，实现对地质矿产资源的勘查[7-10]。近年来，定向钻技术也相继应用于深埋长大隧道勘察中，在某高原艰险铁路勘察中，已经实现3 000 m级水平定向钻井，并采用取芯间距为100 m的间断取芯方式；在西南某隧道，将绳索取芯工艺应用于定向钻，完成了903.28 m绳索取芯水平孔。不难看出，现有铁路勘察中的应用均为水平孔，主要难点为防止钻孔轨迹受重力因素的偏斜[11]。

在定向造斜钻进的同时进行取芯，仍是目前存在的技术难题，国内已有机构进行相关研究，并取得一定成果。然而该技术仍存在钻具易磨损、易损件寿命短、取芯直径小等缺点，与国外同类技术相比，在造斜强度上还存在较大差距[12-14]。

现有定向钻探多依靠高压水驱动孔底马达来实现孔底钻进，由于钻杆固定，确定工具面角的母线十分方便，通过随钻测斜仪在任何时候都可以准确测出定向钻的工具面角，以确保定向钻探的精度。然而，由孔底马达实现的定向钻探在取芯方面还存在较大不足，故其在地质勘察领域应用受到极大的限制[15-16]。

3 定向连续取芯关键技术及创新性

传统定向钻在定向造斜钻进时，不能连续取芯，且绳索取芯也只应用在直孔中，故如何将定向钻进技术与绳索取芯技术相结合，成为了技术的关键。水平定向钻绳索取芯技术通过地面钻机，以设计顶角及方位角钻进，在连续不断的绳索取芯钻进的同时，钻孔轨迹可按设计要求不断调整顶角与方位角，钻孔接近目标地层时，可由射孔时的90°(或任意角度)变成与地面平行的0°，然后沿水平方向连续不断取芯钻进。

3.1 定向造斜钻具的设计

目前，定向钻具应用比较成熟的有单动双管、双动双管、螺杆钻等类型。单动双管钻具工作时，内管保持不动外管转动，具有振动、摆动较小，对岩芯的扰动较小，取芯率较好等优点；双动双管钻具工作时，内、外两层岩心管在钻进时同时回转，主要适用于松散、易坍塌的取样，但内外管同时转动，也同样会出现钻具振动、摩擦等机械力对岩芯的破坏作用[17]。上述两种钻具均对钻具定向转位影响很大，并不能实现人工的定向控制；螺杆钻钻具是底孔马达驱动，虽然可以人工精确定向，但不能连续取芯[18]。

为实现定向连续取芯的技术，对现有钻具进行改进，克服了现有技术的不足。依托于广州地铁7号线二期工程，应用单动三管钻具球笼式可转位定向装置(见图1)，在不影响取芯内管取样的情况下，由不动外管固定导向，采用不同倾角的弯头形式，并与动管组合成为球笼式结构，形成类似球关节运动的可转位定向钻进[19]。

图1 球笼式可转位定向装置

为了保证外管固定，设计了一种机械卡瓦式外管制动装置(见图2)。当动管花键轴下压时，推动第一推力球轴承和制动卡瓦锥度推杆向下移动。当推动到一定位置时，在制动卡瓦锥度推杆挤压下，外管制动卡瓦向外顶出，使其能够很好地与岩石接触，在外管制动卡瓦的作用下，能够进行可靠的外管制动。当动管花键轴下压推力消除时，利用螺旋弹簧的弹力使得外管制动卡瓦自动复位，从而解除对外管的制动，即可以提钻。该钻具的设计可以适用于不同地质条件下的高精度定向钻探。

图2 机械卡瓦式制动装置

3.2 定向取芯自动寻位技术

在任意方向的定向钻探中，由于钻杆的高速转动，角度变化对寻找工具面角的母线不利。定向取芯自动寻位技术可以解决无法同时实现任意设定轨迹定向钻探及连续取芯钻探的问题。

测量工作角度时，定向取芯寻位装置见图3(a)，外套管与上内套管通过止动螺钉与止动槽的配合实现相对固定，将随钻测量仪通过靠近上内套管一端的内孔开口投入外套管的内孔，并顺着端面滑入斜口引鞋内。此时，随钻仪与导向套管的相对位置及角度固定，导向套管与上内套管的相对位置和角度固定，上内套管与外套管的相对位置及角度固定，故外套管与钻头工具面母线的相对位置及角度也是确定的，通过读取随钻仪的数据，即可测量出钻头的工具面角、方位角及顶角等技术参数[20]。

取芯钻探时的状态见图3(b)，此时，外套管与上内套管分离，下内套管、上内套管、中内套管、导向套管及弹性元件作为一个整体，可相对于外套管转动，从而实现从钻杆至钻头的传动，进而实现取芯钻探。

图3 定向取芯自动寻位装置

待孔底的仪器测得孔下的空间参数及造斜工具的工作状态，上传地面计算机，工程人员根据实测数据决定是否调动地面的回转装置，以调节造斜工具状态，并使其达到目的层的钻探。该系统可以对钻孔轨迹进行有效控制，可以使钻头沿着设计的方向达到目标。

3.3 定向造斜与取芯技术融合

定向绳索连续取芯钻进技术是指把定向钻进技术与绳索取芯技术有机结合起来的一门新型的勘察技术，技术难点如下。

(1)钻进时下部钻具的稳定性较差，导致岩芯不能均匀进入，其原因为井眼轴线与钻具轴线的不重合。

(2)取芯工具轴线与重力线存在一定的夹角，普通取芯工具在这种情况下会出现2种取芯难的情况：①取芯工具的阻卡现象；②取芯工具在重力的作用下下垂，与外筒内壁接触，在取芯钻进时，内置的芯筒与外筒一起转动，使取芯效果变差。

(3)井底的实际钻井压与井口显示的钻压不一致，是由于定向井的钻柱与井壁之间产生的摩擦力比较大导致的。

(4)在定向井的取芯作业过程中，应该正确判断钻压，使内外岩芯筒居中，并对井眼进行清洁。

研发的定向绳索取芯钻进系统由钻杆及钻头、取芯内管总成、球笼式定向造斜装置、测量导向装置、计算机及软件、岩芯打捞装置组成，见图4。

图4 定向绳索取芯钻探系统

4 水平定向连续取芯技术的应用

4.1 工程概况

广州地铁7号线二期工程线路区间YDK31+457～YDK32+590段下穿广九铁路及广园快速路，该段隧道轨面埋深为30.6 m。根据《广东省广州市轨道交通七号线二期工程(大学城南—水西北)地质灾害危险性评估报告》，大沙东站—姬堂站区间线路穿越瘦狗岭断裂，产状为SE95～110°/SW∠50～70°，其地质灾害危险性为中等[21]。因此，详细查明该断裂带南端的具体位置，并对该断裂对拟建线路的影响进行详细评价尤为重要。

4.2 现场实施

钻探施工场地选择在距离铁路南侧约80 m位置，为准确查明隧道结构穿越断裂带的具体位置，造斜后目标水平段各孔与隧道结构位置关系见图5，分别位于左右线中线隧道结构顶板下方1 m及结构顶板上方1.5 m位置。

图5 水平定向钻孔水平段相对位置关系(单位：m)

根据设计轨迹，采用XY-4型钻探机进行钻进，配备BW320型泥浆泵进行泥浆护壁及地层加固，利用DST随钻测斜仪每3 m进行测斜及纠偏，利用定向造斜装置进行定向造斜，利用绳索打捞器对取芯内管进行岩芯提取(见图6)。共完成4个水平定向取芯钻孔，其中左线ZK1号孔完成孔深157.98 m，49个回次，用时41 d；左线ZK2号孔完成孔深189.84 m，60个回次，共用25 d；右线ZK5号孔完成孔深158.50 m，50个回次，共用26 d；右线ZK6号孔完成孔深190.10 m，61个回次，共用38 d。其中左右线各有1个钻孔穿越广园快速路，以覆盖地质空白区域。

图6 定向测斜及绳索取芯

5 水平定向钻断裂勘察成果

5.1 揭露断裂带地质特征

水平定向连续取芯技术首次在瘦狗岭断裂勘察中应用，实现了全孔段的定向连续取芯，取芯对地层的扰动较小，取芯率满足要求，取芯揭露地层细节特征明显。在隧道水平段，由南向北依次划分出全风化含砾岩层及断裂影响带，主要有角砾状变质含砾砂岩(断层泥、碎块状变质含砾砂岩、岩块状变质含砾砂岩、角砾状碎裂岩(断层泥)、碎块状碎裂岩以及岩块状碎裂岩)。影响带内地层受构造影响多为中风化夹强风化，岩芯呈岩块及碎块状，岩质较软，局部地段夹有断层泥，原岩主要为含砾砂岩、花岗岩，取芯率达到90%以上。节理裂隙发育，裂隙面粗糙，存在明显的擦痕，裂隙局部填充石英脉，呈微张开平缓裂隙，偶见硅化岩及含砾砂岩中包裹花岗岩块及混杂的现象。

以左线Z1、Z2为例，准确查明了隧道内白垩系康乐段地层与燕山期花岗岩地层不整合接触带位置，接触带位置岩性变化明显(见图7、图8)。

图7 广州地铁7号线二期左线下穿广九铁路水平定向取芯探轨迹

图8 广州地铁7号线二期工程揭露地层

定向钻探揭露，断层影响带内地层按岩性可分为变质含砾砂岩及花岗质碎裂岩，见图9。其中变质含砾砂岩遇水易软化崩解，根据风化程度不同，呈现岩块状、碎块状及半岩半土状，岩块状岩芯取芯率可达95%以上，碎块状及半岩半土状取芯率为60%～70%，随着靠近断裂带接触面，该岩性基本呈现断层泥；花岗质碎裂岩根据风化程度不同呈现土柱状、碎块状及岩块状，碎裂结构，可见绢云母化、绿泥石化和碳酸盐化，节理裂隙强烈发育，岩块状岩芯取芯率可达85%以上，碎块状及半岩半土状取芯率为50%～60%。受断裂影响，断裂带内岩芯极破碎，取芯率整体较低，取芯较困难。

图9 定向钻揭露断裂纵断面

5.2 断裂破碎带岩矿分析

结合断裂影响带岩矿鉴定结果，由南向北到断裂接触面，地层为细砾岩、长英质碎裂岩及碎裂岩化绢云母化长英质黑云长石脉状混合岩(见图10)。①细砾岩呈褐红色、块状，主要由碎屑物和填隙物组成，碎屑物矿物成分主要由石英、长石组成，岩屑多呈次棱角状-次原状，主要为花岗岩、黑云母长石变粒岩、石英岩、碳酸盐岩等组成，绿帘石零星分布，填隙物包括有泥质、铁质、钙质，岩石后期经历构造作用，部分矿物可见压碎，局部可见细小裂隙。②长英质碎裂岩呈灰白色，块状构造，受构造应力作用较强，由碎块和基质两部分组成，碎块由钾长石、石英和黑云母组成，石英、长石多成碎裂状，多见压碎重结晶及波状消光，基质为长石、石英、绢云母等呈细小粒状及粉状分布在碎块周围，波状消光明显。③碎裂岩化绢云母化长英质黑云长石脉状混合岩呈灰色，脉状构造，基体为黑云母长石变粒岩，脉体为花岗质，呈脉状分布，部分长石包裹自形黑云母或浑圆状石英，说明岩石可能经历岩浆混染作用，其他长英质矿物可见被压碎，经历构造碎裂作用强烈。

图10 岩矿鉴定镜下详情

5.3 断裂破碎带强度分析

水平定向钻采取的岩芯直径为45 mm，满足室内试验要求，通过采取典型岩样进行了强度试验(见表1)。岩块状变质含砾粗砂岩的饱和单轴抗压强度为2.21～9.98 MPa(横向抗压强度)，点荷载强度为1.18～2.66 MPa，换算单轴抗压强度为25.84～47.53 MPa。岩块状碎裂岩的饱和单轴抗压强度为3.93～13.1 MPa(横向抗压强度)，点荷载强度为0.7～1.81 MPa，换算单轴抗压强度为17.46～35.6 MPa。经过对比，岩块状变质含砾砂岩的横向抗压强度为竖向抗压强度的1/10～1/3，岩块状碎裂岩的横向抗压强度为竖向抗压强度的1/2～1，说明变质含砾砂岩接近水平层理，岩块状碎裂岩裂隙平缓，也说明沿隧道方向的水平钻孔取芯能真实反映盾构开挖的岩体强度状态。

表1 断裂破碎带岩石水平及竖向力学性质对比 MPa

5.4 断裂面与隧道相交产状

水平定向钻揭露，左线ZK1钻孔在里程ZDK32+521.14、ZK2钻孔在里程ZDK32+522.26处存在岩性变化面，倾角约为70°；右线ZK5钻孔在里程YDK32+510.10、ZK6钻孔在里程YDK32+512.33处存在岩性变化面，倾角约为51°，基于此判断瘦狗岭断裂面产状为SE132O/SW∠51～70O，与区域断裂显示产状接近一致，也进一步说明取芯技术的可靠性。

水平定向钻连续取芯技术的应用，直接揭露到隧道内及上方的地质特征，对指导设计施工具有更直观的参考价值，建议设计施工单位根据反映出的地质情况，提前采取有针对性的措施。

6 结论

(1)在充分调研现有定向钻技术的基础上，结合近年来在铁路隧道勘察中开展超长水平孔定向取芯技术经验，通过技术研发，将定向钻技术与绳索取芯技术融合，克服了软弱覆盖层及断裂破碎地层钻孔容易垮塌埋钻的危险，完成φ45 mm的连续取芯。

(2)该技术在城市轨道交通领域的应用，弥补了因场地条件受限不能开展垂直钻探及物探工作的不足，解决了广州地铁7号线二期工程穿越瘦狗岭断裂存在较大的地质风险。通过连续取芯技术结合土工试验，揭露了隧道结构穿越瘦狗岭断裂的地质特征，并查明了瘦狗岭断裂面的产状及与隧道的接触位置关系，为设计施工提前采取相关措施提供重要的地质依据。

(3)随着城市轨道交通发展，新线路勘察遇到的难题也不断凸显，水平定向连续取芯技术为城市轨道交通勘察提供了一种新的勘察手段，尤其在地铁穿越建构筑物、铁路、高速公路等影响地面钻探作业情况下优势明显。