CN110578468B - 一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法，包括以下步骤，S1将水平定向钻机布置于地下工程的一侧，使水平定向钻机沿着地下工程的轴线进行水平定向钻进；S2判断水平定向钻机钻进过程是否需要连续取芯，若需要连续取芯，则进行连续取芯；若无需连续取芯，则进行间断非连续取芯。本发明的有益效果：无需穿过上部较厚的无用覆盖层，而是直接在地下空间工程所施工的地层进行直接勘探，无效进尺和工作量大大减少，综合效率高，工程成本低；实现了沿轴线进行线性勘察，较传统点状勘察，可以更真实、全面反映周围岩土体的地质特征；实现钻孔轨迹全过程监控，具有很高的钻进精度，确保钻孔轨迹始终沿着设计轨迹钻进。
Description
技术领域
本发明涉及工程地质和水文地质勘察技术领域，尤其涉及一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法。
背景技术
随着我国经济飞速发展，我国公路、铁路隧道及埋地管道等地下空间工程建设量逐年递增。地下工程的投资决策、线路、工法、设备、支护形式选择、工期与造价等方案确定均需要精细化和准确的工程勘察数据作为支撑。传统工程地质勘察方法通过现场实验、岩样室内实验、综合测井等方法来评价围岩特性，并通过连线法推测出沿线地质断面情况。该方法非必要钻进工作量大、钻孔离散，不能真实、全面反映围岩特征，且在如高海拔山区、无人区等地貌和环境条件复杂、恶劣的区域，受到运输、供水、场地、人员健康及环保等因素的制约，难以正常实施，综合工程成本非常高。因此急需研究一种适用性强、可沿线获取真实地质资料、施工效率高的地质勘察技术和方法。
发明内容
针对超长距离和超大埋深隧道、埋地管线等地下工程，以及穿越江河湖泊等地的隧道、管线等地下工程，采用传统垂直取芯方法难以进行工程地质和水文地质勘察的技术难题，本发明的实施例提供了一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法。
本发明的实施例提供一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法，包括以下步骤，
S1将水平定向钻机布置于地下工程的一侧，使所述水平定向钻机沿着所述地下工程的轴线进行水平定向钻进；
S2判断所述水平定向钻机钻进过程是否需要连续取芯，若需要连续取芯，则进行连续取芯；若无需连续取芯，则进行间断非连续取芯，在取芯段进行取芯，在非取芯段进行全面破碎钻进。
进一步地，所述步骤S1中所述地下工程位于为水下时，使所述水平定向钻机先倾斜钻入地层，钻进至所述地下工程轴线后开始沿轴线水平钻进。
进一步地，所述步骤S1具体为，
S101将所述水平定向钻机分别布置于地下工程的两侧，沿着所述地下工程的轴线进行水平定向钻进形成两直线钻孔；
S102将所述水平定向钻机布置于所述地下工程上，钻进形成至少一个L形和/或至少一个人形钻孔，所述L形钻孔包括全断面破碎钻入段、与所述地下工程轴线重合的对接段，所述人形钻孔包括全断面破碎钻入段和与所述地下工程轴线重合两对接段；
S103位于所述地下工程任意一侧的直线钻孔与一所述L形钻孔的对接段或一所述人形钻孔的对接段对接，位于所述地下工程中部任意一所述L形钻孔的对接段与相邻的L形钻孔的对接段或人形钻孔的对接段对接，或位于所述地下工程中部任意一所述人形钻孔的对接段与相邻的人形钻孔或L形钻孔的对接段对接，形成勘测轨迹。
进一步地，将所述地下工程沿着其轴线方向划分为多个区段，逐个区段进行钻孔，每一区段钻孔方法均为步骤S101～S103。
进一步地，所述步骤S2中间断非连续取芯方法包括非连续取芯和间断连续取芯。
进一步地，所述连续取芯的具体方法为，
S601在所述水平定向钻机的钻杆上设置取芯钻进机构，所述取芯钻进机构包括取芯短接、取芯钻头、取芯管和牵引绳索，所述取芯短接一端连接所述钻杆，另一端连接所述取芯钻头，所述取芯管设置于所述取芯短接内部，且连接所述牵引绳索；
S602在所述钻杆钻进过程中，所述取芯管采集岩芯，所述取芯管填充满岩芯后，通过所述牵引绳索拉出所述取芯管，取出岩芯后将所述取芯管送回所述取芯短接内部；
S603重复步骤S602直至所述钻杆钻进结束。
进一步地，所述非连续取芯的具体方法为，
S701将所述地下工程沿着轴线方向划分为一一间隔设置的全断面钻进段和取芯段；
S702在钻进所述全断面钻进段时，在所述水平定向钻机的钻杆上设置全断面钻进机构，进行不取芯钻进，所述全断面钻进机构包括动力短接和全断面破碎钻头，所述动力短接一端连接所述钻杆，另一端连接所述全断面破碎钻头；
S703在钻进所述取芯段时，将所述钻杆上的全断面钻进机构替换为取芯钻进机构，所述取芯钻进机构包括取芯短接、取芯钻头和取芯管，所述取芯短接一端连接所述钻杆，另一端连接所述取芯钻头，所述取芯管设置于所述取芯短接内部，所述取芯管用于采集岩芯，通过提出所述钻杆取出所述取芯管，从而取出岩芯；
S704依次钻进所述全断面钻进段和所述取芯段，直至所述钻杆钻进结束。
进一步地，所述间断连续取芯的具体方法为，
S801将所述地下工程沿着轴线方向划分为间隔设置的全断面钻进段和长距离连续取芯段；
S802在钻进所述全断面钻进段时，在所述水平定向钻机的钻杆上设置全断面钻进机构，进行不取芯钻进，所述全断面钻进机构包括动力短接和全断面破碎钻头，所述动力短接一端连接所述钻杆，另一端连接所述全断面破碎钻头；
S803在钻进所述连续取芯段时，在所述水平定向钻机的钻杆上更换连续取芯钻进机构；
S804在所述连续取芯钻进过程中，所述取芯管采集岩芯，所述取芯管填充满岩芯后，通过所述牵引绳索拉出所述取芯管，取出岩芯后将所述取芯管送回所述取芯短接内部；
S805重复步骤S804直至所述连续取芯钻进结束；
S806依次钻进所述全断面钻进段和所述连续取芯段，直至所述钻杆钻进结束。
进一步地，所述步骤S1还包括，在所述水平定向钻机对所述地下工程的钻孔入口位置设置套管，在所述套管外侧一端设置防喷器，当所述钻孔内发生涌水或钻至破碎地层时，通过关闭专用防喷器封闭所述钻孔，然后通过所述水平定向钻机的钻杆向所述钻孔内涌水点或破碎点注水泥浆，待封堵加固完成后继续钻进。
本发明的一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法，与传统垂直钻进地质勘察方法相比，具有以下优点：
(1)水平定向钻进工程地质勘察技术和方法无需穿过上部较厚的无用覆盖层，而是直接在地下空间工程所施工的地层进行勘探，无效进尺和工作量大大减少，综合效率高，工程成本低；
(2)水平定向钻进工程地质勘察技术和方法打破传统垂直钻孔的点状勘察，实现了沿地下工程轴线进行线性勘察，实现可以真实、全面反映周围岩土体的地质特征；
(3)水平定向钻进工程地质勘察技术和方法打破了传统垂直钻探的钻进和导向分离，实现钻孔与导向相结合，钻孔轨迹全过程监控，具有很高的钻进精度，确保钻孔轨迹始终沿着设计轨迹钻进；
(4)设备集约化程度高，设备能力强，单次穿越距离长，可以实现长距离高精度定向勘察。
附图说明
图1是本发明一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法应用于山体水平定向钻工程地质勘察的示意图；
图2是本发明一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法应用于水底水平定向钻工程地质勘察的示意图；
图3是人形钻孔钻进轨迹垂直剖面图；
图4是图3中人形钻孔12的示意图；
图5是L形钻孔钻进轨迹垂直剖面图；
图6是L形钻孔钻进轨迹俯视图；
图7是图5中L形钻孔12的示意图；
图8是L形钻孔与人形钻孔组合形成的勘测轨迹的垂直剖面图；
图9是连续取芯的整体规划示意图；
图10是连续取芯的钻进流程图示意图；
图11是非连续取芯的整体规划示意图；
图12是非连续取芯的钻进流程图示意图。
图中：1-水平定向钻机、2-钻杆、3-防喷器、4-套管、5-取芯钻进机构、6-山体、7-水体、8-轴线、9-重合区、10-直线钻孔、11-L形钻孔、12-人形钻孔、13-岩芯、14-全断面钻进段、15-取芯段、16-取芯短接、17-取芯钻头、18-取芯管、19-牵引绳索、20-动力短接、21-全断面破碎钻头、22-钻入段、23-对接段。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明的实施例提供了一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法，包括以下步骤：
S1将水平定向钻机1布置于地下工程的一侧，使所述水平定向钻机1沿着所述地下工程的轴线8进行水平定向钻进；
请参考图1，所述地下工程为穿山工程时，在山体6穿越过程中，为了防治涌水地层或破碎地层，在所述水平定向钻机1对所述地下工程的钻孔入口位置设置套管4，在所述套管4外侧一端设置防喷器3，当发所述钻孔内生涌水或钻至破碎地层时，通过关闭专用防喷器3封闭所述钻孔，然后通过所述水平定向钻机1的钻杆2向所述钻孔内涌水点或破碎点注水泥浆，待封堵加固完成后继续钻进。这里的套管4选择强度较高的钢套管，所述防喷器3选择地质勘察专用防喷器。
请参考图2，所述地下工程位于为江河湖泊等水体7之下的水下工程时，将水平定向钻机1布置于陆地上，先使所述水平定向钻机1先倾斜钻入地层，钻进至所述地下工程轴线8，然后调整所述水平定向钻机1开始沿轴线8水平钻进。
请参考图3～7，对于超长距离、超大埋深隧道，将所述地下工程沿着其轴线方向划分为多个区段，逐个区段进行钻孔，每一区段钻孔方法如下：
S101将所述水平定向钻机1分别布置于地下工程(区段)的两侧，沿着所述地下工程的轴线8进行水平定向钻进形成两直线钻孔10；
S102将所述水平定向钻机1布置于所述地下工程上，钻进形成L形钻孔11或人形钻孔12，所述L形钻孔11和所述人形钻孔12的数量根据实际需要确定，所述L形钻孔11包括钻入段22和与所述地下工程轴线8重合的对接段23，所述人形钻孔12包括钻入段22和与所述地下工程轴线8重合的两对接段23；
S103所述地下工程两侧的两直线钻孔10与该地下工程的L形钻孔11或人形钻孔12对接形成勘测轨迹。具体为，位于所述地下工程任意一侧的直线钻孔10与一所述L形钻孔11的对接段23或一所述人形钻孔12的对接段23对接，位于所述地下工程中部的任意一所述L形钻孔11的对接段23与相邻的L形钻孔11的对接段23或人形钻孔12的对接段23对接，或位于所述地下工程中部任意一所述人形钻孔12的对接段23与相邻的人形钻孔12或L形钻孔11的对接段23对接。所述地下工程两侧的两直线钻孔10与所述L形钻孔11的对接段23在重合区9上对接形成勘测轨迹；或所述地下工程两侧的两直线钻孔11与所述人形钻孔12的两对接段23在重合区9上对接形成勘测轨迹，重合区9位于所述轴线8上。
请参考图8，本实施例中所述区段的划分是根据前期踏勘资料和物探资料，选取若干合适位置(可能是山顶、山腰或者山脚)布置钻机，确定适当数量的L形钻孔11和人形钻孔12进行组合，每一区段中部的L形钻孔11和人形钻孔12进行对接，以及与该区段两侧的直线钻孔10进行对接，进而形成勘测轨迹。可以根据实际情况，选择在所有区段钻孔全部完成后或者钻进一定长度后，对该区段钻孔围岩进行综合测井和现场试验段。
S2在所述水平定向钻机1钻进过程中还需要根据实际情况进行判断是否需要进行连续取芯，若需要连续取芯，则进行连续取芯；若无需连续取芯，则进行间断非连续取芯，在取芯段进行取芯，在非取芯段进行全面破碎钻进。
请参考图9和10，对于复杂环境和地层条件下的地下工程进行工程勘察，可以采用水平定向钻进工程地质勘察连续绳索取芯技术。
连续取芯的具体方法为：
S601在所述水平定向钻机1的钻杆2上设置取芯钻进机构5，所述取芯钻进机构5包括取芯短接16、取芯钻头17、取芯管18和牵引绳索19，所述取芯短接16一端连接所述钻杆2，另一端连接所述取芯钻头17，所述取芯管18设置于所述取芯短接16内部，且连接所述牵引绳索19；
S602在所述钻杆2钻进过程中，所述取芯管18采集岩芯13，所述取芯管18填充满岩芯13后，通过所述牵引绳索19拉出所述取芯管18，取出岩芯13后将所述取芯管18送回所述取芯短接16内部；
S603重复步骤S602直至所述钻杆2钻进结束。
上述的间断非连续取芯方法分为非连续取芯和间断连续取芯。
请参考图11和12，对于地层条件相对简单的地下工程进行工程勘察，无需进行全孔取芯，可以采用水平定向钻进工程地质勘察非连续提钻取芯技术。
非连续取芯的具体方法为：
S701将所述地下工程沿着轴线方向划分为一一间隔设置的全断面钻进段14和取芯段15；
S702在钻进所述全断面钻进段14时，在所述水平定向钻机1的钻杆2上设置全断面钻进机构，进行不取芯钻进，所述全断面钻进机构包括动力短接20和全断面破碎钻头21，所述动力短接20一端连接所述钻杆2，另一端连接所述全断面破碎钻头21；
S703在钻进所述取芯段15时，将所述钻杆2上的全断面钻进机构替换为取芯钻进机构5，所述取芯钻进机构5包括取芯短接16、取芯钻头17和取芯管18，所述取芯短接16一端连接所述钻杆2，另一端连接所述取芯钻头17，所述取芯管18设置于所述取芯短接16内部所述取芯管18用于采集岩芯13，通过提出所述钻杆2取出所述取芯管18，从而取出岩芯13。这里取芯的样品长度一般较短，为1-2m。
S704依次钻进所述全断面钻进段14和所述取芯段15，直至所述钻杆2钻进结束。
当待勘察地层同时存在较长距离岩性相同段和较长距离岩性变化段，可以采取间断连续取芯，在较长距离岩性相同段可以选择全断面破碎钻进，在较长距离岩性变化段可以进行长距离连续取芯，连续取芯长度略长于岩性变化段长度。
间断连续取芯的具体方法为，
S801将所述地下工程沿着轴线方向划分为间隔设置的全断面钻进段和长距离连续取芯段；
S802在钻进所述全断面钻进段时，在所述水平定向钻机的钻杆2上设置全断面钻进机构，进行不取芯钻进，所述全断面钻进机构包括动力短接20和全断面破碎钻头21，所述动力短接20一端连接所述钻杆2，另一端连接所述全断面破碎钻头21；
S803在钻进所述连续取芯段时，在所述水平定向钻机的钻杆2上更换连续取芯钻进机构；
S804在所述连续取芯钻进过程中，所述取芯管18采集岩芯13，所述取芯管18填充满岩芯13后，通过所述牵引绳索19拉出所述取芯管18，取出岩芯13后将所述取芯管18送回所述取芯短接16内部；
S805重复步骤S804直至所述连续取芯钻进结束。
S806依次钻进所述全断面钻进段和所述连续取芯段，直至所述钻杆2钻进结束。
本发明所阐述的水平定向钻进工程地质勘察技术可以根据工程实际需要实现连续绳索取芯或者非连续提钻取芯。区别于传统勘察钻探的“钻进-测斜-纠偏-钻进”这种钻进和控向分离的施工模式，水平定向钻进工程地质勘察技术的控向精度高，可以实现在钻进过程中对钻孔轨迹的实时监测、控向。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1将水平定向钻机布置于地下工程的两侧，使所述水平定向钻机沿着所述地下工程的轴线进行水平定向钻进；具体钻进方法为：
S101将所述水平定向钻机分别布置于地下工程的两侧，沿着所述地下工程的轴线进行水平定向钻进形成两直线钻孔；
S102将所述水平定向钻机布置于所述地下工程上，钻进形成至少一个L形和/或至少一个人形钻孔，所述L形钻孔包括全断面破碎钻入段、与所述地下工程轴线重合的对接段，所述人形钻孔包括全断面破碎钻入段和与所述地下工程轴线重合的两对接段；
S103位于所述地下工程任意一侧的直线钻孔与一所述L形钻孔的对接段或一所述人形钻孔的对接段对接，位于所述地下工程中部任意一所述L形钻孔的对接段与相邻的L形钻孔的对接段或人形钻孔的对接段对接，或位于所述地下工程中部任意一所述人形钻孔的对接段与相邻的人形钻孔或L形钻孔的对接段对接，形成勘测轨迹；
S2判断所述水平定向钻机钻进过程是否需要连续取芯，若需要连续取芯，则进行连续取芯；若无需连续取芯，则进行间断非连续取芯，在取芯段进行取芯，在非取芯段进行全面破碎钻进。
2.如权利要求1所述的一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法，其特征在于：所述步骤S1中所述地下工程位于为水下时，使所述水平定向钻机先倾斜钻入地层，钻进至所述地下工程轴线后开始沿轴线水平钻进。
3.如权利要求1所述的一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法，其特征在于：将所述地下工程沿着其轴线方向划分为多个区段，逐个区段进行钻孔，每一区段钻孔方法均为步骤S101～S103。
4.如权利要求1所述的一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法，其特征在于：所述步骤S2中间断非连续取芯方法包括非连续取芯和间断连续取芯。
5.如权利要求4所述的一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法，其特征在于：所述连续取芯的具体方法为，
S601在所述水平定向钻机的钻杆上设置取芯钻进机构，所述取芯钻进机构包括取芯短接、取芯钻头、取芯管和牵引绳索，所述取芯短接一端连接所述钻杆，另一端连接所述取芯钻头，所述取芯管设置于所述取芯短接内部，且连接所述牵引绳索；
S602在所述钻杆钻进过程中，所述取芯管采集岩芯，所述取芯管填充满岩芯后，通过所述牵引绳索拉出所述取芯管，取出岩芯后将所述取芯管送回所述取芯短接内部；
S603重复步骤S602直至所述钻杆钻进结束。
6.如权利要求4所述的一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法，其特征在于：所述非连续取芯的具体方法为，
S701将所述地下工程沿着轴线方向划分为一一间隔设置的全断面钻进段和取芯段；
S702在钻进所述全断面钻进段时，在所述水平定向钻机的钻杆上设置全断面钻进机构，进行不取芯钻进，所述全断面钻进机构包括动力短接和全断面破碎钻头，所述动力短接一端连接所述钻杆，另一端连接所述全断面破碎钻头；
S703在钻进所述取芯段时，将所述钻杆上的全断面钻进机构替换为取芯钻进机构，所述取芯钻进机构包括取芯短接、取芯钻头和取芯管，所述取芯短接一端连接所述钻杆，另一端连接所述取芯钻头，所述取芯管设置于所述取芯短接内部，所述取芯管用于采集岩芯，通过提出所述钻杆取出所述取芯管，从而取出岩芯；
S704依次钻进所述全断面钻进段和所述取芯段，直至所述钻杆钻进结束。
7.如权利要求5所述的一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法，其特征在于：所述间断连续取芯的具体方法为，
S801将所述地下工程沿着轴线方向划分为间隔设置的全断面钻进段和长距离连续取芯段；
S802在钻进所述全断面钻进段时，在所述水平定向钻机的钻杆上设置全断面钻进机构，进行不取芯钻进，所述全断面钻进机构包括动力短接和全断面破碎钻头，所述动力短接一端连接所述钻杆，另一端连接所述全断面破碎钻头；
S803在钻进所述连续取芯段时，在所述水平定向钻机的钻杆上更换连续取芯钻进机构；
S804在所述连续取芯钻进过程中，所述取芯管采集岩芯，所述取芯管填充满岩芯后，通过所述牵引绳索拉出所述取芯管，取出岩芯后将所述取芯管送回所述取芯短接内部；
S805重复步骤S804直至所述连续取芯钻进结束；
S806依次钻进所述全断面钻进段和所述连续取芯段，直至所述钻杆钻进结束。
8.如权利要求1所述的一种采用水平定向钻的工程地质勘察方法，其特征在于：所述步骤S1还包括，在所述水平定向钻机对所述地下工程的钻孔入口位置设置套管，在所述套管外侧一端设置防喷器，当所述钻孔内发生涌水或钻至破碎地层时，通过关闭专用防喷器封闭所述钻孔，然后通过所述水平定向钻机的钻杆向所述钻孔内涌水点或破碎点注水泥浆，待封堵加固完成后继续钻进。
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