摘要
在工程勘察中采用水平定向钻探技术，可以高效地解决一些垂直钻孔无法解决的问题。论文概述了水平定向钻探技术在非开挖铺设管线、油气钻井、地质勘探等领域的技术现状，认为在工程勘察领域的应用前景广阔。分析了应用水平定向钻探进行工程勘察在适用能力、勘察速度、勘察精度等方面具有的优势，提出水平定向钻探适用于深埋隧道等水平线状工程、既有建筑加固工程、考古发掘探测等领域的勘察。最后对应用于工程勘察的水平定向钻探技术需要研发的重点方向提出了建议，包括超长孔钻进技术、轨迹控制技术、连续取心技术、综合测试技术等。
工程勘察是工程建设中一个必不可少的环节，任何工程项目在建设前，都要进行详细的工程地质勘察，查明地下岩土的物理力学性质，评估存在的安全风险，并为选择工程处理措施提供依据，以保证拟建建筑物的安全。钻探技术是最常用、最可靠，也是最直接的勘察技术手段，常规的高层、超高层建筑，通常从地面垂直向下钻进几十米甚至几百米的钻孔，通过取心技术获取拟建建筑物地下的岩（土）心，然后进行分析测试，判定地下的地质情况。
随着工程建设的快速发展，建设工程场地越来越复杂，常规的钻探技术已不能满足工程勘察的需要。如城市轨道交通、山区深埋隧道、输水隧洞等水平线状工程建设项目，一方面，这些工程受场地限制布孔及施工困难，另一方面，受布孔密度的影响勘察精度不能满足工程建设需要；在某些已有工程的整治加固或是名胜古迹的考古发掘勘察工作中，不允许对上部建筑造成损伤。在这种情况下，采取水平定向钻探技术进行勘察，则可以最大程度地避免垂向钻探的弊端，提高勘察质量，满足工程建设的需要。
水平定向钻探技术（Horizontal Directional Drilling，HDD）是指利用造斜、导向等技术手段，使钻孔根据预先设定好的轨迹，沿水平或近水平方向钻进。定向钻探技术最早起源于石油行业，目前水平定向钻探技术广泛应用于非开挖铺设管线、油气钻井、地质勘探等领域，在工程勘察领域的应用也在逐步推广。
目前水平定向钻探技术应用最广泛的领域就是非开挖铺设地下管线。我国首次应用是20世纪80年代从国外引进定向钻进技术用于输油管道穿越黄河的施工。1994年，中国地质科学院勘探技术研究所率先利用国产钻机采用非开挖技术在河北省廊坊市完成一个燃气管线的铺设工程，并于1995年研制出国内第一台导向钻进非开挖铺管钻机，河北省地勘局于1994年研制成功了非开挖导向孔探测仪，此后非开挖铺设管线技术在全国各城市逐步推广应用，彻底解决了城市建设中铺设地下管线时开挖马路形成马路“拉链”的问
非开挖管线铺设水平定向钻进施工，大部分是在软土层钻进，不需要取心，钻孔轨迹是下倾—水平—上倾，一般情况下钻孔直径比工程勘察钻孔大，有时需要通过多级扩孔完成。在地面通过导向仪器进行探测并引导钻孔沿设计轨迹延伸，或者在钻孔中通过随钻测量仪器定向钻进。
定向钻探技术起源于油气钻井，世界上第一口有记录的定向井于1932 年在美国加利福尼亚州亨延滩油田完
油气钻井一般采用全面钻进方式，不取心或局部井段少量取心，先钻进较深的垂直井再通过造斜钻进至水平段，形成的钻孔轨迹是垂直井段—造斜井段—水平井段。所用钻井设备庞大，目前的发展趋势是水平段越来越长。与工程勘察相比，油气定向钻井的主要特点是口径大、设备能力大、成本高，无论是钻井的垂深还是水平段长度都大得多。
在地面施工的地质勘探钻孔大部分是直孔和斜孔，施工到一定深度后可定向造斜施工短距离水平段或水平分支孔。典型的工程如1988年安徽省地质局321地质队首次在国内采用液动螺杆钻受控定向钻探技术，在一个主干孔中施工了6个分支
井下巷道中施工的勘探孔多采用水平孔，如煤矿井下瓦斯抽放孔。中煤科工集团西安研究院有限公司等单位研制了系列煤矿井下定向钻机，发明了煤矿井下防爆型随钻测量系统，2018年创造了煤矿井下顺煤层定向钻孔2311 m的世界纪
国内典型的水平定向钻探工程见
| 工程领域 | 工程名称 | 施工年份 | 钻孔长度/m | 终孔直径/mm | 备 注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 非开挖铺设管线 |
河北省廊坊市燃气管线铺设工 | 1994 | 60 | 108 | 国内第一个非开挖管线铺设工程 |
|
香港国际机场第3跑道航油管道改线工 | 2018 | 5200 | 508 | 国内最长的水平定向钻进钻孔 | |
| 油气钻井 |
华H90-3 | 2021 | 7339 | 215.9 | 亚洲陆上水平井最长水平段5060 m |
|
顺北56X | 2022 | 9300 | 149.2 | 国内最深油气水平井 | |
| 地质勘探 |
安徽冬瓜山勘探 | 1988 | 854 | 59 | 国内最早最复杂的定向分支孔，1个主孔中６个分支孔 |
|
神东煤炭集团保德煤矿井下顺煤层钻 | 2019 | 3353 | 120 | 世界最长的煤矿井下顺煤层定向钻孔 |
国外水平定向钻探技术应用于工程勘察比较早，1964年日本青函隧道第一次使用小直径水平定向钻探技术进行勘
国内近年才逐步开始在城市轨道交通工程、深埋隧道工程、管廊建设工程的勘察中应用水平定向钻探技术。许多专家针对长距离水平定向钻探勘察开展研究，马保松
国内一些典型的水平定向钻进勘察工程如
| 工程领域 | 工程名称 | 施工年份 | 钻孔长度/m | 终孔直径/mm | 取心情况 |
|---|---|---|---|---|---|
| 城市轨道交通 |
徐州市轨道交通1号线勘 | 2016 | 364 | 180 | |
|
广州地铁7号线二期工程勘 | 2021 | 190.1 | Ø45 mm全孔连续取心 | ||
| 山区深埋隧道 |
乌尉高速公路天山胜利隧道勘 | 2020 | 2271 | 2次间断取心 | |
|
川藏铁路孜拉山隧道勘 | 2021 | 1888.88 | 78 | 全孔连续取心 | |
| 输水管廊 |
狮子洋主航道供水隧道勘 | 2021 | 936.2 | 150 | 14次间断取心 |
| “引大济岷”引水隧洞勘察 | 2022 | 200~500 | 76 | 全孔连续取心 |
与采用传统的垂直孔进行工程勘察相比，在一些工程项目中采用水平定向钻孔进行勘察，具有明显的技术优势。
在高山峡谷地区或是穿越江河湖海修建隧道、引水隧洞等工程，如果采用垂直钻孔勘察方法，需要在山坡、山顶、水上布置钻孔，钻机安装搬迁困难。而采用水平定向钻进，则可以避开这些不宜布孔的位置，选择山脚下或者岸上布设水平钻孔，即可对工程全线按设计轴线进行精准勘察，如
图1 深埋隧道垂直勘察孔与水平勘察孔对比
Fig.1 Comparison of vertical and horizontal investigation holes in deep buried tunnels
在城市地下轨道交通建设工程中，如果施工线路上地面存在大量重要建筑物而不宜布孔，则可在线路的起始点位置布设水平孔进行勘察，如
图2 城市地下轨道水平勘察孔示意
Fig.2 Horizontal investigation holes in urban underground track
高山峡谷地区隧道工程，隧道埋深大，如果采用传统的垂直孔勘察方法，需要施工大量大深度钻孔，存在大量无用的钻探工作量、勘察速度慢，而采用水平定向钻孔进行勘察，仅需要1~2个长距离水平钻孔即可了解清楚整个隧道线路的地质情况（参见
针对水平定向钻探勘察在一些特定的工程中具有的明显技术优势，在以下领域应大力推广水平定向钻探勘察技术。
水平线状工程建设中采用水平定向钻探进行工程勘察，既可以解决一些垂直孔布孔及施工困难的问题，又可以解决垂直孔勘察精度不能满足工程建设需要的问题，还可以提高勘察效率、节省勘察成本，是一种经济、高效、高质量的勘察手段。前面提到的川藏铁路等高原山区深埋隧道工程、城市轨道交通工程、引水隧洞工程等，采用水平定向钻探勘察都取得了很好的效果。建议在此类工程建设中，尽量采用水平定向钻探进行工程勘察。
随着建成年限的延长，很多建筑物会因地质或地基问题发生沉降或倾斜，需要进行加固，加固之前需要对其地下情况进行勘察取样，找出发生沉降、倾斜的原因，从而制定针对性的加固措施。在某些特殊情况下，如重点建筑或文物建筑，不允许对其结构造成破坏，或是建筑空间受限无法布置钻探设备，则可以采用定向钻孔或水平钻孔，从既有建筑外围钻入建筑物下部进行勘察，如
图3 既有建筑修复加固水平勘察示意
Fig.3 The horizontal investigation of the restoration and reinforcement of existing buildings
考古发掘工作中，最重要的一点就是不能对文物造成损坏。一些古墓、地下古建筑的考古发掘，首先要了解清楚其地下的情况。通过水平定向钻探技术，从拟发掘的文物外围进行导向钻进，到达一定深度后进行水平钻进，这样既不破坏其内部结构，又能对其下面的基础进行探测，从而为制定发掘方案提供指导。还可以通过不同角度的钻孔结合孔内摄像技术，从最有利的部位进入其内部进行探测（如
图4 水平孔考古发掘探测示意
Fig.4 The excavation detection for archaeological by horizontal hole
如前所述，目前的水平定向钻探技术应用已非常广泛，技术发展也比较成熟，在工程勘察领域的应用也得到了逐步推广，需求越来越大。现有的水平定向钻探技术，并不完全适用于工程勘察领域，如油气钻井技术设备庞大、运移性差，垂直开孔、不取心，井眼直径大；非开挖铺设管线技术更适宜软地层施工，不取心；地质勘探以施工垂直孔和斜孔为主，煤矿井下定向钻主要以瓦斯抽采和探放水为主、生产过程中很少需要硬岩连续取心。水平定向钻探技术应用于工程勘察，有很多关键技术问题需要攻关研究。
水平定向钻进目前能够施工的长度在油气钻井中已超过了万米，在非开挖管线铺设中超过了5000 m，在煤矿井下钻孔中超过了3500 m。但是应用于工程勘察中，全孔连续取心的钻孔长度尚不到2000 m，少量取心的情况下也仅达到了2271 m。从工程的需求看，如川藏铁路的72座隧道中，长度>10000 m的就有35
与垂直孔相比，长水平钻孔施工，存在地层压力平衡难、孔底加压难、孔壁摩阻大、存在岩屑
3000 m长度的水平勘察孔，单纯从技术原理上看是可行的，如采用滑动钻进技术、绳索取心技术或长钻程提钻取心技术、存储式测斜技术或泥浆脉冲式无线随钻测斜技术等。但是存在水平状态取心扰动大、造斜曲率大的位置难以取心、绳索取心钻具应用于水平钻进风险大、环隙小不易变向、小口径无线随钻测量仪器严重不足、钻机适应能力不足等问题。近期应在适宜性与经济性方面加以研发，重点研发具有较大钻深能力的轻量化和模块化钻机、钻孔结构的优化设计确保小直径取心、岩屑录井及全景摄像代替取心技术等。远期要考虑3000 m长度的钻孔能否满足工程的需要，占川藏铁路隧道50%的超过10000 m的隧道，如果采用对向施工水平孔进行勘察的方式，对钻孔长度的需求超过了5000 m，因此，应借鉴非开挖工程、油气钻井工程中的超长水平孔钻进技术，以勘察取心需求为导向，研发5000 m长水平孔勘察钻进技术，重点攻关小直径水平孔硬岩钻进技术、破碎地层钻进技术等，以提高超长水平孔勘察钻进效率和钻孔安全性。
水平孔施工中，钻具受重力作用容易向钻孔下方偏斜，加压钻进钻具容易发生弯曲，而水平孔测斜也更加困难，这些都使得水平钻孔尤其是超长水平钻孔的轨迹控制难度更大。在川藏铁路水平勘察钻孔施工中，吴金生
工程勘察的目的是要查明地下的工程地质情况，最直接的手段就是通过岩心进行分析测试，所以取心质量关系到工程勘察的质量，包括岩心采取率和岩心原状性。小直径全孔连续取心技术是目前水平定向钻探勘察的一项关键技术，尤其是超长水平孔的取心技术，目前最深的全孔连续取心水平勘察钻孔尚不足2000 m。
1974年我国第一套Ø56 mm小口径绳索取心钻具研制成功，1985年小口径绳索取心钻探技术在全国全面推广应用，相继研制成功了系列普通绳索取心钻具，系列水平孔、仰斜孔用绳索取心钻
绳索取心钻进技术在水平勘察孔中的应用还存在一些不
采用存储式测井系统，通过获取自然伽马、电阻率、声波时差等参数，可以分析地层的岩性与构造、岩体完整程度、风化程度及渗透性等地质问
图5 孔内实时成像技术形成的虚拟岩
Fig.5 The virtual core formed by real‑time imaging in the holes
水平定向钻探技术应用非常广泛，技术发展日益成熟，但是在工程勘察领域的应用还处于逐步推广阶段，有很多技术还需要攻关研究。随着水平定向钻探技术的不断研究发展，在工程勘察领域的应用将会越来越广泛，从而大幅度提高一些特殊工程项目的勘察效率和勘察质量，构建绿色勘察体系。
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