傾斜鉆孔揭露地質信息投影計算方法應用研究

任自強 賈建紅 許琦 張廣廈 葉健 薛永明

摘要：為探索傾斜鉆孔的應用，以克服鉆探施工環(huán)境限制，通過對任意方位角和傾角的傾斜鉆孔與所需地質剖面空間關系的研究，提出一種把傾斜鉆孔揭露的地質信息準確投影到所需地質剖面上的方法。在傾斜鉆孔的傾斜方向與所需地質剖面走向不一致的條件下，通過對傾斜鉆孔揭露地質信息的起始和終止位置進行投影換算，進而得到符合實際地質特征的剖面。將所提出的方法應用于南水北調中線引江補漢工程勘察實踐中，結果表明：該方法能夠有效利用傾斜鉆孔揭露信息；應用此方法進行傾斜鉆孔勘探，不僅可以克服地表復雜的鉆探施工環(huán)境，而且可以有效減少鉆探進尺、提高勘察效率、節(jié)約勘察成本。

關鍵詞：傾斜鉆孔；鉆孔勘察；鉆孔揭露信息；地質剖面；引江補漢工程

中圖法分類號：TV221.2;P634 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.02.004

文章編號：1006-0081（2024）02-0024-05

0 引 言

鉆孔勘探是最常用、最直接的工程勘察技術手段，可為地下巖土體物理力學性質的研究、工程地質問題的評價和風險評估、工程處理措施的選擇等提供直接、可靠的地質依據。隨著工程建設的高速發(fā)展，建設要求及場地條件越來越復雜。一方面，受地形地貌、植被、構筑物等復雜場地環(huán)境的影響，鉆探布孔位置的選取及其施工環(huán)境受到限制；另一方面，對于陡傾地層和斷層，受常規(guī)鉛直鉆孔勘察效率及布孔密度的影響，勘察精度不能滿足工程建設需求。在這種情況下，采取傾斜鉆孔進行勘察，可以較大程度避免復雜施工場地的限制及常規(guī)鉛直鉆孔的弊端，提高勘察效率及質量，滿足工程勘察及建設要求。

常規(guī)鉛直鉆孔揭露的地質界線、斷層、溶洞等地質信息很容易在地質剖面上表達，鉆孔揭露的位置信息即是該地質界線在剖面上的位置，或通過簡單投影便可以確定其在剖面上的位置。然而，為達到勘察目標，傾斜鉆孔可能采用任意方位角和傾角，因而傾斜鉆孔的傾斜方位往往與所需地質剖面走向具一定夾角，且受到傾斜鉆孔自身傾角的限制。如何在地質剖面上準確表達傾斜鉆孔揭露的地質信息，成為有效利用鉆探成果的制約環(huán)節(jié)。因此，亟需一種把任意方位角和傾角的傾斜鉆孔內地質信息準確投影到所需地質剖面上的方法。本文通過對任意方位角和傾角的傾斜鉆孔與所需地質剖面空間關系的研究，提出一種把傾斜鉆孔揭露地質信息準確投影到所需地質剖面上的方法，并將其成功應用于南水北調中線引江補漢工程輸水隧洞地質勘察中。

1 傾斜鉆孔與地質體空間位置關系

在工程地質勘察過程中，由于地表植被、地形地貌等復雜施工條件的阻礙，常規(guī)鉛直鉆孔無法正常有效布設。針對此類條件，采用傾斜鉆孔進行地質勘察不僅能夠克服地形困難，而且可以彌補陡傾地質構造下鉛直鉆孔技術的缺點，提高勘探效率，如圖1所示。當傾斜鉆孔具有任意方位角和傾角，并且鉆孔開孔位置位于工程所需地質剖面上時，首先需確定傾斜鉆孔軸線與地質體的空間位置關系。

傾斜鉆孔揭露地質體的走向和傾角β可以通過地質剖面地表鄰近區(qū)域的地質測繪或鉆孔電視錄像解譯獲得，傾斜鉆孔的傾角β和方位角可以通過鉆孔測斜獲得。因而，根據所需地質剖面的走向及測量得到的地質體走向和鉆孔方位角，可計算得到鉆孔傾斜方向與地質剖面之間的夾角（銳角）α、地質體走向與地質剖面之間的夾角（銳角）γ（圖2）。

注：①為目標地質體；②為鉆機；③為傾斜鉆孔；④為所需地質剖面。L為傾斜鉆孔內揭露地質體的起始深度，L為傾斜鉆孔揭露地質體的終止深度，下同。

2 任意方位角的傾斜鉆孔揭露地質信息投影

2.1 鉆孔揭露地質信息及其投影位置計算

依據上述地質體產狀及其與所需地質剖面的位置關系，可計算得到地質體在剖面上的視傾角β′。傾斜鉆孔內揭露地質體的起始深度和終止深度可以根據鉆孔巖心的地質編錄獲取，或者通過孔內電視錄像解譯得到。如圖3所示，所需地質剖面中傾斜鉆孔的投影傾角β′可以根據式（1）計算得到：

式中：β′為地質剖面中傾斜鉆孔的投影傾角；β為傾斜鉆孔的真傾角；α為鉆孔傾斜方向與地質剖面走向之間的夾角；γ為地質體走向與地質剖面之間的夾角。地質剖面中，地質體的起始投影深度可以通過式（2）計算得到：

式中：L′為地質體的起始投影深度。同理可計算得到地質體的終止投影深度L′。

根據計算得到的鉆孔投影傾角β′、地質體的起始投影深度L′、終止投影深度L′、以及地質體的視傾角β′，可在所需地質剖面上畫出鉆孔投影跡線及地質體的位置和展布形態(tài)（圖4）。

2.2 與地質體走向垂直鉆孔

傾斜鉆孔布設時，其傾斜方向應與巖層或斷層帶等目標地質體的傾向相反，當鉆孔方位角垂直于地質體走向時，往往具有最短的勘探距離及最高的勘探效率，此時鉆孔傾斜方向與地質剖面走向之間的夾角α=90°，則式（1）和式（2）可分別簡化如下：

在實際應用過程中，受地表施工環(huán)境等條件的限制，傾斜鉆孔的開孔位置不一定在地質剖面上。此時，式（2）和式（4）中L和L并不是實際鉆孔揭露深度，需先根據實際情況確定鉆孔軸線或其延長線與剖面的交點，以鉆孔軸線與剖面的交點為起始點計算鉆孔揭露地質體深度。

3 應用實例

3.1 實例簡介

引江補漢工程是南水北調中線工程的后續(xù)工程，從長江三峽庫區(qū)引水入漢江，輸水線路全長約194.7 km，其中輸水隧洞長約193.9 km。工程位于中國地勢第二階梯東緣向第三階梯過渡地帶，以中山為主，地形起伏劇烈，植被茂密。線路跨2個Ⅰ級構造單元，以城口-房縣斷裂為界，北部為秦嶺褶皺系，南部為揚子準地臺，次級構造單元由南至北依次為黃陵斷穹、遠安臺褶束、青峰臺褶束、武當山復式背斜及襄棗凹陷。

在地質測繪及調查中，于地表臨近輸水隧洞某處P1點發(fā)現一斷層F（圖5）。為進一步了解該斷層性狀及其與輸水隧洞相交位置，需在地表布設鉆孔對該斷層進行地質勘探。然而，斷層附近的隧洞上方存在多處建筑物，這些建筑物阻礙了鉛直鉆孔布設位置的有效選擇，因而布設傾斜鉆孔ZK01對該斷層進行勘探。

3.2 計算及投影結果

根據P1點地質測繪測得斷層F傾向為35°、傾角β=46°；通過對ZK01孔的鉆孔測斜，得到鉆孔傾角β=55°，傾向219°；根據輸水隧洞走向，確定所需地質剖面走向11°，計算得到鉆孔傾斜方向與所需地質剖面之間的夾角α=28°，斷層走向與所需地質剖面之間的夾角γ=66°；對傾斜鉆孔ZK01進行地質編錄，得到鉆孔揭露斷層起始深度L=56.4 m，終止深度L=82.1 m。

依據公式（1）計算得到所需地質剖面上傾斜鉆孔ZK01的投影傾角β′=53°，依據公式（2）計算得到所需地質剖面上斷層F的起始投影深度L′=58.16 m，終止投影深度L′=84.66 m。根據斷層的產狀信息及所需地質剖面的走向，計算得到斷層在所需地質剖面上的視傾角β′約為43°。

根據以上計算得到的鉆孔投影傾角、斷層的起始投影深度和終止投影深度以及斷層的視傾角，在地質剖面上畫出鉆孔投影跡線及地質體的位置和展布形態(tài)，如圖6所示。由圖可知，如在ZK01位置布設鉛直鉆孔，則至少需要77 m才能鉆遇斷層F，至112.7 m揭穿該斷層。傾斜鉆孔勘探比鉛直鉆孔節(jié)省了近20 m鉆孔進尺。

引江補漢工程輸水隧洞具有線路長、埋深大、地層巖性及構造復雜多樣等特點，沿線地形條件復雜，斷層以中至陡傾角為主。目前為止，在隧洞穿越黃陵斷穹及其周緣蓋層區(qū)，已利用傾斜鉆孔完成對超過14個區(qū)域斷層的地質勘察，并以前述方法把鉆孔揭露的地質信息投影到所需地質剖面上。

4 適用性分析

在地形條件復雜、埋深大等困難條件下，常規(guī)鉛直鉆孔勘探在特殊區(qū)域條件下難以實施，并且往往具有無效鉆進較多、施工周期長、效率低、成本高等不足。傾斜鉆孔可以適應各種復雜場地環(huán)境，不僅能有效節(jié)省鉆孔進尺，還能克服軟硬物質界面附近鉛直鉆井易順層傾斜而使地層假厚度增加、有效孔深減小的弊端。

然而，在傾斜鉆孔鉆進過程中，需及時校正孔深和斜孔角度，并采取措施確?？梢蕴降侥康牡刭|界面。必要時可以進行全孔測斜，按鉆孔斜率進行分段，此時前述公式（2）和（4）中L和L則是以該孔段軸線與剖面的交點為起始點計算鉆孔揭露地質體深度。

此外，地質條件復雜情況下，傾斜鉆孔易發(fā)生孔內事故。特別是當巖體強度低、破碎，或鉆遇溶洞、暗河等時，易發(fā)生塌孔、掉鉆，孔內電視錄像不易完成。此時，良好的鉆孔取心率及巖心編錄對于判斷地質界面的位置尤為重要。

5 結 語

通過對任意方位角和傾角的傾斜鉆孔及其與所需地質剖面空間關系的研究，提出一種把傾斜鉆孔揭露地質信息投影到所需地質剖面上的方法，能夠實現在傾斜鉆孔的傾斜方向與所需地質剖面走向不一致的條件下，將傾斜鉆孔揭露的地質信息準確投影到所需地質剖面上，以達到有效利用勘探鉆孔、獲得符合實際地質特征的地質剖面的目的。引江補漢工程勘察的應用實例表明，使用該方法進行傾斜鉆孔勘探，不僅可以有效克服地表復雜的鉆探施工環(huán)境，而且能提高勘察效率、降低勘探工作量、節(jié)約勘察成本。

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（編輯：高小雲）

Applied research on method of projecting geological information

revealed by inclined drilling into geological profileREN Ziqiang，JIA Jianhong，XU Qi，ZHANG Guangsha，YE Jian，XUE Yongming

（1.Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.，（Wuhan），Wuhan 430074，China； 2.Key Laboratory of Water Grid Project and Regulation of Ministry of Water Resources，Wuhan 430010，China）

Abstract： In order to study the application of inclined drilling for overcoming the restriction of drilling construction environment. Based on study of the spatial relationship between inclined borehole and required geological profile，a method was proposed to project the geological information revealed by inclined drilling to the required geological profile. Under the condition that the inclination direction of the inclined borehole was inconsistent with the required geological profile direction，by projecting and converting the starting and ending positions of the geological information exposed by inclined borehole，a profile that conformed to the actual geological characteristics can be obtained. The method was applicated in engineering investigation of Water Diversion Project from Changjiang River to Hanjiang River in Middle Route Project of South-to-North Water Diversion. The results showed that this method can effectively obtain geological information by inclined borehole. The application of the method in inclined drilling exploration can not only effectively overcome the complex drilling construction environment on the surface，but also reduce the exploration penetration，improve the exploration efficiency and save the exploration cost．

Key words：? inclined drilling；drillhole survey；information revealed by drilling；geological profile；Water Diversion Project from Changjiang River to Hanjiang River