摘 要：
水平定向钻探技术将传统的地勘取芯技术与水平定向钻技术结合，辅以孔内测试技术，能直观、准确地了解隧道掌子面前方不良地质情况。目前，该技术在国内外隧道地质勘察中已经有所应用，但也存在影响隧道施工工艺、无法预报部分小断层和贯穿性大节理、破碎岩体钻进困难等不足。
水平定向钻技术最早起源于石油钻井工业，广泛用于市政管道、油气管道的建设领域。世界上第一个水平定向钻铺设管道工程出现在1971年，1988年首次成功实现岩层水平定向钻管道穿越施工。水平定向钻探技术将传统的地勘取芯技术与水平定向钻技术结合，辅以孔内测试技术，能直观、准确地了解隧道掌子面前方不良地质情况。
目前，国外岩层水平定向钻技术在场地勘察、导向轨迹设计、导向孔开挖、导向方法和钻进设备方面均已有应用。我国引进水平定向钻技术较晚，近年来在理论研究和设备研发方面得到快速提升，国产水平定向钻机已经达到国外先进水平。
（一）水平定向钻探技术概况
水平定向钻探技术在隧道工程中的应用是通过平行于隧道设计轴线钻水平勘察孔，并在孔内开展取芯、水压致裂、综合测井和孔内电视等相关测试，利用综合测试手段可对隧道设计轴线围岩的岩性变化、破碎带分布范围以及隧道涌水情况等进行精确划分，实现隧道围岩地质预报。该技术主要包括钻进、取芯、导向、随钻测量、综合测井等五项核心技术。
（1）钻进技术。水平定向钻进以全面钻进为主，并根据地质设计和工况来决定具体取芯间隔。全面钻进以井底动力（螺杆钻具）驱动牙轮钻头复合钻进为主。极坚硬地层时采用“涡轮钻具驱动金刚石钻头”复合钻进，利用涡轮钻具的高转速特性进行高效碎岩；或采用“螺杆钻具＋液动锤”二合一复合钻进，增加冲击载荷，提高碎岩效率。
（2）取芯技术。取芯技术可分为绳索取芯和提钻取芯。绳索取芯是当岩心装满内管时，不提钻而用绳索打捞器从钻杆内把内管捞取出来获得岩心。绳索取芯因其钻进效率高、岩芯采取率高、劳动强度低、钻探成本低等显著优点，而广泛使用。提钻取芯是钻头钻达取芯点时，将孔内所有钻具完全起出，更换为取芯钻具，下钻进行取芯钻进，取芯完成后，再次取出孔内所有钻具至地表，更换为全面导向钻头继续导向钻进，如此往复，直至完成所有取芯计划。
（3）导向技术。水平定向钻通过人工磁导航定向钻进控向系统（无线）、随钻测量有线导向系统实时获取和调整钻具的姿态角度信息，包括深度、倾角、方位角和工具面向角等，并可根据这些姿态角度信息实时控制钻具前进方向，从而保证钻具沿着隧道轴迹进行钻探勘察。
（4）随钻测量技术。通过传感器测量近钻头参数信息：定向数据（井斜角、方位角、工具面角）、地层特性（伽马射线、电阻率测井录）、钻井参数（井底钻压、扭矩、转速）等，利用井下发射器通过信号遥测通道（硬导线法、电磁波法、钻井液脉冲法）发送至地面，实现随钻参数测量。
（5）综合测井。每完成一次取芯后，利用取芯孔进行一次水力压裂试验，测量地应力的大小和方向。在勘察孔钻至设计孔深之后，提钻安装无电缆存储式测井仪器，利用声波、自然伽马、电阻率等对钻孔围岩的岩性、孔温、密度、渗透性、含水率等参数进行检测。亦可安装电池存储式孔内视频检测仪器进行孔内岩性判别。
（二）水平定向钻探技术的适应性分析
在复杂地质条件下，传统隧道超前地质预报技术的探测范围和数据精度均不能满足施工安全需求。基于水平定向钻探技术，可以利用小型化钻机在隧道紧急停车区进行水平定向钻超前地质预报，在不影响隧道正常施工条件下，补充传统超前地质预报的技术局限性。
水平定向钻探技术能够精确地对隧道围岩信息进行详细的勘察，主要体现在以下几个方面：
（1）建立水平定向钻进参数与钻孔围岩的关联性，研究钻头破岩机理与隧道围岩强度的变化关系，为施工掘进提供真实可靠的数据支撑。
（2）将传统地勘取芯技术与水平定向钻技术相结合，实现间断取芯，对岩芯进行抗压强度等基本物理测试，详细分析隧道沿线岩性的基本物理特性，为隧道围岩分级提供精确的岩性参数。
（3）采用综合测井技术中的水压至裂测试、声波、自然伽马、电阻率、孔内电视等手段对水平勘察孔内围岩岩性进行划分，对孔内围岩应力特性、温度、密度、渗透性、裂隙发育程度等进行评价。
水平定向钻探技术对隧道施工有一定影响：
（1）在掌子面钻勘察孔能直接、准确地了解前方围岩地质情况，但会严重影响钻爆法隧道施工作业，且难以适配TBM隧道掌子面作业，需占用较长的施工作业时间，严重影响施工效率；
（2）在隧道横通道、紧急停车道等部位以平行于隧道设计轴线钻勘察孔对隧道施工影响较小。
同时，水平定向钻探技术也存在一定的局限性：
（1）在复杂地质条件下预报效果较差，很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理，特别是与隧道轴线平行的结构面；
（2）在破碎岩体中易卡钻，钻进作业速度慢，面临塌孔等风险；
（3）超长距离水平定向钻探连续取芯、深埋地质高精度钻进定位系统及导向控制等技术还需要进一步研究。
技术经济性方面，水平定向钻探技术的经济性受钻探工况、地质条件、设备能力、进尺速度、取芯要求、现场试验和测井效率、隧道施工速度等综合因素影响，实际应用中，可通过设备选型、钻进方案优化等手段，实现钻进效率与施工成本的合理匹配。
（三）水平定向钻探技术应用现状
近年来，水平定向钻探技术在地质勘察领域已有相关研究与应用。
➤2013年，中煤科工集团西安研究院使用ZDY1000G型全液压高转速钻机和φ75mm坑道用绳索取芯钻具在陕西宝鸡太白县金矿完成了一个终孔直径78.5mm、终孔深度401.8mm的水平取芯钻孔的现场试验，为当时国内水平绳索取芯钻孔深度记录；
➤2019年10月，川藏铁路洛隆段察达隧道勘察钻探中，西北有色713队使用陕西西探地质装备有限公司XDQ-1200轻便型钻机开展水平超前地质预报钻孔作业，孔径75mm，终孔深度 750.5m，创造了轻便型钻机水平钻探孔国内深度记录。
➤2020年1月4日，四川地矿局402队金钻公司在西南某隧道勘查中顺利完成一眼903.28m（75mm口径）水平取芯钻孔，创造了国内工勘同类钻孔深度记录。
➤2020年5月30日，陕西中科非开挖技术股份有限公司在乌尉高速天山胜利隧道项目采用水平定向钻间断取芯技术，于1900m处成功提取博阿断裂带岩芯，终孔水平钻进长度为2271m，再次刷新纪录。
➤国外方面，美国马萨诸塞州水资源管理局（MWRA）将定向取芯钻井系统用于该市28.3km长的地铁供水隧道地质最复杂的部分，利用一个533m长的钻孔从地面以30度角弯曲钻孔至水平位置，并与63m深度的隧道顶部平行取芯，岩芯用于预测隧道地质条件。
川藏铁路雅安至林芝新建段隧道数量众多，地质环境复杂，隧道施工安全风险较大。将传统的地勘取芯技术与水平定向钻技术结合，辅以孔内测试技术，一定程度上能直观、准确的了解隧道掌子面前方不良地质情况。
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