一种城市轨道交通工程垂直和水平定向组合综合地质勘察方法与流程

本发明属于城市轨道交通勘察，具体涉及一种城市轨道交通工程垂直和水平定向组合综合地质勘察方法。

背景技术：

1、当前，我国城市轨道交通快速发展，线网逐渐加密，特别是重大城市规划多条线网，为居民的日常出行提供了极大的便利。城市轨道交通沿线多位于城区已建成区内，地表主要表现为现状街道、建筑物、地下管线复杂区域等。受场地条件限制，常规的勘察手段无法查明场地的地质条件，从而形成地质空白区，为地铁设计和施工带来了极大的安全隐患。由于地质条件不确定性引发的工程问题日益凸显，因此，急需革新和丰富勘察手段，进一步查明复杂环境下场地的地质条件，为地铁设计提供翔实的地质资料，为后续施工保驾护航。

2、目前常规的勘察手段主要以垂直钻探为主，辅以地面或孔内物探，受复杂的外部环境条件限制，往往存在大量的无法勘察的段落。再加上钻孔本身的局限性，揭露的地质情况仅为一孔之见，钻孔之间的地质情况为人为推测，往往存在一定的地质偏差，进一步制约了地铁设计方案的优化空间和造价控制。针对城区复杂环境条件，无法从地面进行垂直钻探和物探的情况下，本专利提出了一种城市轨道交通工程垂直和水平定向组合综合地质勘察方法，可有效查明隧道范围内的地质条件，降低因垂直钻探和地面物探无法实施带来的地质风险，为方案设计提供地质依据，可大大降低城市轨道交通工程投资和施工风险。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种城市轨道交通工程垂直和水平定向组合综合地质勘察方法，针对城区复杂环境条件，无法从地面进行垂直钻探和物探的情况下，提供一种场地适应性强、可沿着隧道走向进行连续取芯钻进的水平定向勘察方法，同时在水平孔中实施孔内物探，可详细查明隧道范围内的地质条件，为方案设计提供翔实的地质依据。

2、本发明通过以下技术方案实现该目的：

3、一种城市轨道交通工程垂直和水平定向组合综合地质勘察方法，包括以下步骤：

4、步骤一，搜集并研究拟建地铁盾构隧道场地区域地质资料，对沿线周边环境进行踏勘，确定垂直钻探位置和水平定向钻探地面实施场地位置；

5、步骤二，根据选定的垂直钻探位置施工垂直钻探，孔内进行原位测试、波速测试，并取样进行室内土工试验，形成垂直钻探勘察成果资料；

6、步骤三，在隧道的一端根据选定的水平定向钻探实施场地，设计由地面通过连续造斜至目标深度后沿着隧道走向进行水平定向钻探的轨迹参数，在隧道结构外围布置6个与隧道同向的水平定向钻孔；

7、步骤四，根据既定的轨迹参数，进行水平定向钻探，同时打开随钻参数记录仪记录钻探轨迹，实时纠偏，实现既定轨迹钻探，全孔段连续取芯，取样进行室内土工试验，成孔后进行水平定向钻孔综合测井测试，进行隧道综合围岩级别的初步划分，形成水平钻探勘察成果资料；

8、步骤五，所有水平钻孔实施完毕后，进行孔内跨孔ct测试，测定各水平钻孔之间的地质条件，形成物探成果资料；

9、步骤六，根据物探成果资料中物探异常区域的分布范围和大小，进行隧道综合围岩分级进行细化，对隧道综合围岩分级修正，并形成综合勘察成果资料，为地铁设计提供地质依据。

10、进一步，在步骤一中，确定垂直钻探位置具体为：复杂的城区环境下，将垂直钻探无法实施造成的地质空白段落划分出来，所述地质空白区是指隧道长度超过150m地质资料缺失的段落；根据地质空白区的地面条件，在地质空白区两侧的隧道上方或接近隧道的位置布置可实施的垂直钻孔。

11、进一步，在隧道的一侧选择合适的场地布置水平定向钻孔，该场地的大小至少为15m×20m，水平定向钻孔位于左右线隧道外侧，每侧各有3孔，分别布置于隧道结构顶部上方3m处、底部下方3m处及隧道结构高度中线上。

12、进一步，在步骤三中，根据选定的定向钻实施场地、目标深度、钻具和套管的造斜强度设定水平定向钻探的空间轨迹线，建立空间坐标系，x轴为南北方向、y轴为东西方向、z轴为竖向垂直方向，从而求出轨迹线上每点的空间坐标。

13、进一步，轨迹线上任一点a点的坐标(xa，ya，za)计算过程如下：xa＝x0+la·sinθcosα；ya＝y0+la·sinθcosα；za＝z0+la·cosθ；a点的水平距＝lasinθ；其中，(x0，y0，z0)为位于地面的孔口中心o点坐标，单位米；θ为oa两点连线与z轴的夹角，α为oa两点连线在xy平面的投影与x轴的夹角，单位度；la为a、o两点间的直线距离，单位米。

14、进一步，钻孔轨迹的弯曲强度计算：当钻孔轨迹只有夹角θ变化时，用顶角弯曲强度iθ表示：当钻孔轨迹只有夹角α变化时，用方位角弯曲强度iα表示：当钻孔轨迹夹角θ和夹角α同时变化时，用全弯曲强度i表示：cosγ＝cosθacosθb+sinθasinθbcos(αb-αa)；其中，θa为oa两点连线与z轴的夹角，θb为ob两点的连线与z轴的夹角，单位度；αa为oa两点连线在xy平面的投影与x轴的夹角，αb为ob两点连线在xy平面的投影与x轴的夹角，单位度；la为a、o两点间的直线距离，lb为b、o两点的直线距离，单位米。

15、进一步，在步骤四中，在实际钻进过程中，每1m矫正钻孔轨迹的弯曲强度，实现按照既定轨迹进行跟管钻进。

16、进一步，在步骤四中，钻探过程中全孔段取芯，每5m采取岩样获取岩石的饱和单轴抗压强度和岩块波速；钻孔成孔后进行孔内综合测井试验，综合测井探头通过水压输送的方式达到孔底，测试岩土体的横波、纵波值，测试间距为1m。

17、进一步，在步骤五中，第1个水平定向钻孔实施完毕后，其余多孔利用第1个水平定向钻孔造斜前的共用主孔段，后进行连续造斜到既定水平定向钻孔轨迹。

18、进一步，在步骤五中，所有钻孔施工完毕后，进行孔内跨孔ct测试，发射探头和接收探头分别通过水压输送的方式分别达到发射孔和接收孔的孔底，采用1孔激发多孔同时接收。

19、相对于现有技术，本发明具有的有益效果为：

20、1、通过采用“常规垂直钻探+水平定向钻探+孔内物探”的组合手段，对地质空白区进行精细勘察，探测成果相互验证，具有效果直观、工作效率高、探测精度高、勘察成果可靠等优点；

21、2、提供了一种城市轨道交通沿线复杂环境条件下地质勘察手段和方法，详细查明盾构隧道范围内的工程地质条件，为地铁设计提供翔实的地质依据，大大降低了由于地质不明带来的施工风险；

22、3、本发明采用的垂直钻探、水平定向钻探和物探综合勘察布置方式，探测成果相互验证，物探成果可以进一步修正隧道综合围岩级别划分，为设计方案优化提供依据，降低了过度设计造成的投资浪费；

23、4、本发明的水平定向钻探对场地的适应性好，特别适用于复杂的城区环境，可解决地质空白区勘察问题。

24、综上所述，本发明提供的一种城市轨道交通工程垂直和水平定向组合综合地质勘察方法，适用于复杂的城区环境地铁隧道的勘察设计，采用“垂直钻探+水平定向钻探+孔内物探”的组合手段对地质空白区进行精细勘察，探测成果相互验证，为地铁设计提供翔实的地质资料，大大降低了由于地质不明带来的施工风险，同时也降低了过度设计造成的投资浪费。