摘要
水利工程的长大、深埋隧洞沿隧洞轴线往往存在大范围破碎带及富水区域，采用地面超千米水平定向钻孔进行预注浆超前治理，达到了良好的围岩加固和涌水封堵效果，该项技术在水利行业得到了成功应用。本文介绍了某项目使用螺杆钻具钻进超长水平定向预注浆钻孔的成功经验，探讨了超长水平钻孔排粉困难、应对“托压”问题、强磁场干扰随钻测量系统、绿色勘探的措施，以及作业中钻机适应性不够、硬岩钻进效率低、注浆影响钻进等问题及解决措施。项目施工4个主孔、6个分支孔，最长钻孔1427 m，钻探工作量8737.89 m。项目的实施证明，目前定向钻进技术具有长距离精准钻进能力，能为超长隧洞复杂地层预注浆超前处理和相关钻探工程提供保障。
随着我国基础建设的快速发展，长大、深埋隧洞工程数量越来越多，在隧洞掘进中，塌方、突水、突泥时有发生，施工安全难以保障，轻则导致工期延误，重则造成严重人员伤亡。注浆预加固处理已成为隧洞灾害控制和不良地质处理的有效技术手段。
目前，隧洞注浆预处理多是在洞内，对掌子面前方数米至数十米段进行注浆治理。在隧洞内施工时作业空间受限，浆液凝固时间长，与隧洞掘进相互制
本文结合某隧洞超长水平定向钻孔预注浆处理项目，介绍了使用超长水平定向预注浆钻孔施工技术的成功实施情况，探讨了超长水平钻孔排粉困难、应对“托压”、强磁场干扰随钻测量系统、绿色勘探的措施和作业中钻机适应性不够、硬岩钻进效率低、注浆影响钻进等问题及解决措施。
某输水隧洞项目，主洞全长7.02 km，开挖断面尺寸7.5 m×7.4 m（宽×高），如
图1 隧洞横断面
Fig.1 Cross‑section of the tunnel
剩余洞段存在较大断层和裂隙，且有可能连通地表河流，项目原采用的地面竖直钻孔注浆处理措施，没有收到预期效果。根据剩余洞段特殊不利的工程、水文地质条件和施工的实际作业条件，若采用掌子面循环注浆处理措施，远远达不到治理效果，必然导致施工进度严重滞后。因此，采用在地表施工定向长钻孔沿隧洞预注浆治理技术，连续治理近千米的范围，实现对破碎带及富水区域的超前预治理，为隧洞的快速掘进创造有利条件，节约施工工期。
该隧洞覆盖层厚4.8~36.4 m，主要为砂卵砾石层，下覆基岩为石炭系玻屑晶屑凝灰岩、玄武岩。岩体内陡倾节理发育，延伸较长，连通性较好。结合地质勘探资料，推测该段隧洞有7条断层通过，断层宽一般0.7~2.5 m，个别宽4.8~6.8 m，断层带内主要为碎裂岩、角砾岩。该段隧洞埋深158~175 m，隧洞以Ⅲ类围岩为主，通过断层影响带和节理密集带为Ⅳ类围岩，断层通过处为Ⅴ类围岩。
下游位于玻屑晶屑凝灰岩中的隧洞，断层通过段涌水量500~1000 m³/h，张性节理分布段涌水量100~350 m³/h。推测玻屑晶屑凝灰岩中未开挖隧洞有5处涌水段，总长约278 m，其余玻屑晶屑凝灰岩洞段以渗水、滴水为主。
上游位于玄武岩中的未开挖隧洞，推测有7处涌水段，总长162 m，较大断层通过段涌水量500~1000 m³/h，剩余断层和张性节理通过段涌水量100~350 m³/h，其余洞段以渗水、滴水为主，见
图2 隧洞出水现场
Fig.2 Site plan of tunnel outflow
该项目的设计目的是在隧洞断面上，以洞轴线为圆心、半径7.02 m的布孔圈上布置4个注浆孔，注浆孔与洞轴线平行布设，与隧洞轮廓线最小距离2.5 m，通过注浆孔进行孔口封闭纯压式注浆，浆液沿裂隙及断层扩散，堵塞断层裂隙并加固隧洞围岩，最终形成注浆帷幕圈，阻断过水通道，切断隧洞与地下水、裂隙水之间的水力联系，为隧洞安全掘进创造有利条件。定向孔开孔点设在地表，以小倾角开孔施工。
隧洞治理段桩号KS80+440—KS81+247，总长807 m。隧洞两端正在掘进掌子面桩号分别在KS80+124、KS81+579。为了不影响隧洞正常掘进，从地面施工水平定向注浆孔。每组钻孔数量为4个，其中主孔2个，分支孔2个，钻孔布置剖面见
图3 钻孔布置剖面示意
Fig.3 Schematic section of drilling arrangement
钻孔均布于隧洞四周并平行于治理段隧洞轴线，布孔圈半径7.02 m，距离隧洞轮廓线最近距离2.5 m，由于工程主要目的是封堵断层及裂隙，浆液在压力作用下沿过水通道扩散，注浆压力的作用占主导地位，根据以往施工经验，在该类地层浆液扩散为10~20 m，为确保治理效果，本项目按10 m保守计算。隧洞断面布孔示意见
图4 隧洞断面布孔示意
Fig.4 Schematic diagram of the tunnel cross‑section for borehole arrangement
注浆初步方案有两种：方案一，从治理段上游或下游单向钻孔注浆，钻孔深度>2000 m，总体钻探工程量少，但孔深长、施工难度大、效率低、工期长；方案二，从治理段上下游两端相向钻孔注浆，钻孔深度在1430 m以内，总体钻探工程量大，但钻孔深度小，相对施工难度小、工期短。结合项目现场施工条件及工期要求，最终确定方案二为钻孔注浆方案。另外，在上下游两端各布置1个检查钻孔，检查孔由主孔侧钻，沿隧洞轴线施工。钻场分别位于桩号KS79+607、KS82+285处，两个钻场各施工5个钻孔，单孔孔深1309~1427 m，钻探工作量合计8737.89 m，钻孔设计参数见
| 钻场 | 孔号 | 孔径/mm | 起始位置/m | 终孔位置/m | 工作量/m | 开孔倾角/(°) | 目标方位/(°) | 最大狗腿度/[（°)·(30m | 钻孔性质 | 钻孔质量 | 顺序 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| KS79+607 | 1 | 120 | 0 | 1427.83 | 1427.83 | -19 | 157 | 2.32 | 主孔 | 合格 | 1 |
| 1-1 | 120 | 600 | 1426.96 | 826.96 | 1.52 | 分支孔 | 合格 | 2 | |||
| 2 | 120 | 0 | 1423.07 | 1423.07 | 1.64 | 主孔 | 合格 | 1 | |||
| 2-1 | 120 | 600 | 1421.63 | 821.63 | 1.67 | 分支孔 | 合格 | 2 | |||
| 检查孔1 | 120 | 810 | 1419.60 | 609.60 | 1.72 | 检查孔 | 合格 | 3 | |||
| KS82+285 | 3 | 120 | 0 | 1311.14 | 1311.14 | -21 | 337 | 1.70 | 主孔 | 合格 | 1 |
| 3-1 | 120 | 980 | 1309.99 | 329.99 | 2.02 | 分支孔 | 合格 | 2 | |||
| 4 | 120 | 0 | 1311.92 | 1311.92 | 1.86 | 主孔 | 合格 | 1 | |||
| 4-1 | 120 | 1050 | 1313.36 | 263.36 | 1.11 | 分支孔 | 合格 | 2 | |||
| 检查孔2 | 120 | 900 | 1312.39 | 412.39 | 1.68 | 检查孔 | 合格 | 3 |
施工前编制《施工技术设计》，项目施工严格执行《施工技术设计》，共完成主孔4个、分支孔6个，钻探总工程量8737.89 m，灌注水泥6498.49 t，经检查孔进行压水试验检测，堵水、加固处理效果良好，隧洞可正常掘进，现已贯通。
2号钻孔为两级口径一级套管结构，用Ø120 mm开孔钻进至完整岩层10 m，经Ø153 mm、Ø203 mm二次扩孔，下Ø178 mm套管至140 m，固管；二开Ø120 mm钻进至终孔。因为阻力大，套管未下到孔底，耐压未达到设计指标，后多次固管处理。后面施工的1、3、4号钻孔结构调整为三级口径两级套管结构，以Ø120 mm开孔钻进至完整岩层10 m左右，经Ø153 mm、Ø203 mm两次扩孔，下入Ø168 mm套管至120 m左右，固管。二开Ø120 mm钻进至360 m左右，Ø153 mm扩孔后下入Ø140 mm套管至360 m，固管。三开Ø120 mm钻进至终孔。
钻孔结构示意图见
图5 钻孔结构示意
Fig.5 Schematic of drilling structure
开孔段，使用Ø120 mm PDC钻头和Ø95 mm扩孔钻杆组合钻进，再使用Ø153 mm、Ø203 mm PDC钻头和Ø95 mm扩孔钻杆组合进行两次扩孔。最后使用Ø120 mm PDC钻头和Ø89 mm通缆螺旋槽定向钻杆配合Ø89 mm测量系统施工至设计深度。
根据该项目地质条件、工程技术要求，结合现有定向钻探装备及工艺，采用ZYL-25000D型履带式全液压定向钻机、ZYL-17000D型履带式全液压定向钻机。钻机主要性能参数见
| 钻 机 型 号 | ZYL-25000D | ZYL-17000D |
|---|---|---|
| 额定转矩/(N·m) | 25000 | 17000 |
|
额定转速/(r·mi | 30~120 | 40~120 |
| 推进/起拔力/kN | 370 | 250 |
| 推进行程/mm | 1200 | 1200 |
|
最大推进速度/(m·mi | 15 | 15 |
| 钻孔角度/(°) | -10~20 | -10~20 |
| 爬坡能力/(°) | 20 | 20 |
使用F-300型泥浆泵，活塞直径Ø110 mm，额定压力15.5 MPa、最大流量750 L/min。
使用YSX18型随钻测量系统，系统由螺杆钻具、无磁钻杆、无磁仓、随钻测量系统及变径等组成，见
图6 YSX18型随钻测量系统
Fig.6 YSX18 measurement while drilling
随钻测量系统基本性能参数见
| 项 目 | 数 值 | |
|---|---|---|
| 通信距离/m | >1500 | |
| 倾角/(°) | 测量范围 | -90~90 |
| 精度 | ±0.2 | |
| 方位角/(°) | 测量范围 | 0~360 |
| 精度 | ±1.0 | |
| 工具面向角/(°) | 测量范围 | 0~360 |
| 精度 | ±1.0 | |
| 耐水压力/MPa | ≥12 | |
| 工作温度/℃ | -40~75 | |
施工区域地层较为完整，套管用作稳定开孔段砂卵砾石层。全孔采用泥浆冲孔护壁，正常钻进采用高黏CMC泥浆冲孔护壁。漏失孔段钻进，在泥浆中加入高黏堵漏剂随钻堵漏。随着钻孔深度增加，孔内阻力逐渐增大，900 m后，在泥浆中加入植物胶、白油类润滑剂，提高排屑能力和润滑性能，减阻效果明显。采用孔口密封全孔灌注水泥浆封堵涌水，先灌注稀浆，后灌注浓浆，辅以间歇注浆的方法，水灰比由大到小分别为2、1、0.7、0.5，最终以8 MPa压力稳压30 min。
采用泥浆固控、不落地系统管理泥浆。固控系统由泥浆循环净化罐、振动筛、中速离心机等组成；泥浆不落地系统压滤机喂料泵、压滤机总成等组成。系统泥浆处理量为60
开孔段采用PDC钻头回转钻进至较完整基岩，经2次扩孔下入套管。下至着陆点之后，使用螺杆钻具PDC钻头定向钻进为主，水平段以PDC钻头复合钻进为主。钻进参数见
| 岩 性 | 钻进方式 | 泵量/（L· | 孔底钻压/kN | 转速/（r·mi | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 钻 机 | 螺 杆 | 复合钻进 | ||||
| 砂卵砾石 | PDC回转 | 5 | 1~2 | 30~40 | ||
| 扩孔 | 6 | 1~2 | 20~30 | |||
| 凝灰岩 | 滑动钻进 | 5 | 12~19 | 0 | 180~200 | |
| 复合钻进 | 5 | 12~19 | 80~100 | 180~200 | 260~300 | |
| 玄武岩 | 滑动钻进 | 5 | 12~19 | 0 | 180~200 | |
| 复合钻进 | 5 | 12~19 | 100~120 | 180~200 | 280~320 | |
目前，定向钻进有滑动钻进和复合钻进两种形式。滑动钻进过程中，螺杆马达工具面可保持一个稳定的方向进行“滑动造斜
图7 滑动定向钻进和复合钻进原理示
Fig.7 Schematic diagram of the principle of sliding directional drilling and composite drilling
定向钻进时，钻机不回转，只提供推进力和螺杆钻具的反扭矩，高压泥浆驱动孔底螺杆钻具转子回转破岩钻进，钻杆、钻具定子向前滑动延伸钻孔，随钻测量装置反馈钻孔轨迹，并使钻孔轨迹按设计要求钻进。钻进中，由探管采集工具面向角，钻孔倾角、方位角等信息，将数据直接传递到地面监测系统，然后通过监测系统上的轨迹测量软件进行轨迹显示、导向及成孔曲线绘制。
钻孔轨迹的纠偏是采用调整单弯螺杆钻具的工具面向角进行控制的，通过工具面向角的调整从而改变钻孔轨迹各点的倾角及方位角，见
图8 旋转调整螺杆马达工具面向角示意
Fig.8 Schematic diagram of rotary adjusting the tool face angle of the screw motor
图9 工具面对倾角、方位角的影响
Fig.9 Tool face influence on dip angle and azimuth angle
定向钻进步骤：通过随钻测量系统显示钻孔的顶角、方位角及钻孔实钻轨迹的剖面图、平面图；对比实测数据及轨迹设计数据，判断实际轨迹与设计轨迹的位置关系，计算下一钻进回次的工具面角；通过动力头转动钻杆柱，使工具面调整到预定位置，制动动力头；开泵排岩屑；钻机加压给进，螺杆钻具在高压冲洗液作用下带动钻头破岩，钻杆柱沿工具面方向滑动，实现定向钻进。
钻具组合自下而上依次为：Ø120 mm PDC钻头+1.25°单弯螺杆钻具+变径+Ø89 mm无磁钻杆+Ø89 mm无磁仓（含探管）+Ø89 mm通缆接头+Ø89 mm无磁钻杆+Ø89 mm通缆钻杆。
定向钻进技术已经得到广泛应用，在实践中也积累了大量的方法措施，但本项目实施中遇到了超长水平钻孔排粉困难、强地磁干扰无法定向、硬岩钻进效率低等主要问题，可以借鉴的经验不多，施工过程中，我们进行了不断探索和改进，取得了一定的效果。
水平孔钻进中，在重力作用下，钻具、岩屑、冲洗液在钻孔横截面内不对称，如
图10 水平孔钻进示意
Fig.10 Schematic diagram of horizontal hole drilling
定向钻进时，岩屑容易在下孔壁堆积，形成岩屑床，增加摩阻和扭矩以及卡钻的风险。本项目采用PDC钻头全面钻进，岩屑量多、粒大，更不易排出。
钻进难点：轨迹为有曲率要求的近水平孔，孔内冲洗液循环状态变为水平状态，钻具与孔壁形成“偏心环空”，岩屑的浮力、切力和重力等受力条件变得更为复杂，排屑困难，孔内常常堆积“岩屑床”，施加钻压困难，钻孔摩阻力大，“托压”现象严重，且容易造成事故。钻杆外壁和套管内壁形成摩擦副，其研磨材料为岩屑，造成管具磨损严重。另外，在大曲率钻孔中起下钻时，钻杆和套管底端很容易产生挂管现象或产生键槽卡
为解决超长水平钻孔钻进中排粉困难问题，采取的措施有：螺旋槽钻杆与三棱螺旋槽钻杆组合使用，增加对钻孔岩屑的机械扰动，加强排屑；采用复合钻进，每滑动钻进3~9 m，视情况采用复合钻进，加强排屑；使用高分子处理的高动切力泥浆，提高排屑能力，同时适当加大了循环液量，优化钻孔轨迹等措施。
随着钻孔延伸，特别是1100 m后，孔底加不上钻压，钻进摩阻明显增大，钻孔轨迹不易控制，“托压”现象明显，机械钻速由3 m/h逐渐降至1.2 m/h。钻进中，通过提高排屑能力，间隔加装扶正器修孔，在钻杆上涂抹润滑剂、向泥浆中添加白油类润滑剂降低摩阻，采用泥浆固控系统，控制泥浆含砂量，根据机械钻速、上返泥浆等情况，及时调整孔底压力，以减小“托压”产生的钻进效率影响。
在上游1孔600~756 m钻进期间，随钻测量系统设有53个测点，其中，24个相邻测点方位差≥5°，最大相差24.34°，判断钻孔方位角测量结果出现误差。随后，采取同点多次复测以及不同探管复测，同样出现了较大误差。收集、整理相关测量数据后，最终确认测量探管受到地磁干扰，造成方位失准。为了保证工程质量，及时进行研究攻关，研制出了小口径水平陀螺寻北有线随钻测量系统，有效解决了强地磁干扰难题，填补了国内空白，见
图11 陀螺寻北有线随钻测量系统探管
Fig.11 Probe tube of gyroscopic north‑finding wireline measurement while drilling
现场使用的履带式煤矿井下定向钻机，在地面钻进中，表现出了转速低、给进行程短的不足。
国内常用的定向钻机有非开挖钻机和坑道钻机，坑道钻机又有煤矿井下钻机和地勘类坑道钻机。非开挖钻机和煤矿井下钻机多为低转速大扭矩，非开挖钻机给进行程长，而煤矿井下钻机多为小给进行
建议加快开发具备较高转速、较大给进行程和较大扭矩的地面定向钻机。
PDC钻头钻进可钻性Ⅷ级以下岩石，平均机械钻速可以达到2 m/h以上；但钻进可钻性Ⅷ级以上岩石，平均机械钻速很低，甚至出现打滑现象。本项目在玻屑晶屑凝灰岩、玄武岩，定向钻进平均机械钻速3 m/h左右。部分玄武岩可钻性达到Ⅸ级，PDC钻头钻进机械钻速很低，甚至不进尺。采用金刚石钻进，受钻机转速和螺杆钻具钻压限制，达不到理想的钻压和转速。
建议加强硬-坚硬岩石定向钻进的金刚石类型、金刚石品级、钻头结构、参数等方面的研发，提高硬岩钻进效率。
（1）项目在设计中创造性的提出了采用两边相向对打的施工方法，克服了超长距离钻进的施工难题。结合长距离水平定向孔钻进中摩阻和扭矩大、排屑难、复杂地层护壁困难等施工特点，合理的选择钻探设备、钻具组合、钻进工艺、随钻测量系统、护壁与润滑措施。
（2）结合项目研发的小口径水平陀螺寻北有线随钻测量系统，解决了因磁场干扰导致的定向失准问题，填补了国内空白。
（3）建议研发转速可调范围广、大扭矩、给进行程长的地面定向钻机，以提高定向钻进效率，并进一步开发机械化、自动化和智能化程度高的定向钻机。加强长距离水平定向孔分段注浆工艺研究，提高注浆工作效率，真正实现超长距离定向钻注一体化。
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