0 引言

随着我国公路、铁路建设的快速发展，近年来，我国隧道累计总长度年增长率超过15%[1]，2019年在建铁路隧道4281座，总长8979 km；至2019年底，我国规划铁路隧道9603座，总长 km[2]。我国西部大开发战略已进入加速发展阶段[1]，西南部山区的隧道数量将会越来越多，西南部山区地理地质环境复杂，受地质构造影响，西南地区的长大隧道数量也会越来越多。限于地质勘探的局限性，隧道掘进线路地质构造不清，隧道施工安全风险较大。在隧道掘进过程中，若不充分重视工程地质条件的复杂性、多变性、不确定性并及时采取相应预测措施，往往会引发隧道涌水、涌泥甚至塌方等事故，导致隧道阻断，给国民生命财产安全造成巨大的危害。根据国资委数据统计[3]，2018年，全国央企隧道施工中共发生较大事故22起，其中有一家企业就占了8起，而7起就发生在西南地区。沿隧道轴线的水平或近水平孔勘探是探明隧道掘进线路最有效的方法。与垂直孔相比，水平孔钻进施工难度更大[4]，具体体现在：(1)水平孔钻进时，钻具重力方向与钻进方向成90°，易产生孔斜；(2)水平钻孔只能由钻机通过钻杆向钻头施加钻压，钻杆受力大易产生弯曲；(3)冲洗液排粉不利，易在钻孔下部形成岩屑床，钻机的回转扭矩和给进力大，长水平孔钻进时钻压不足；(4)钻孔稳定性差，卡、埋钻具事故率高；(5)钻具运动形式复杂，钻杆折断事故率高。水平孔钻探中，因钻杆承受的扭矩和给进力过大、排除岩粉不利、易孔斜，常造成钻杆屈曲、磨损过快、疲劳断裂等问题[5]。

由于我国的现有管材规格及材质、机加工精度及热处理水平、钻探设备状况、钻探工艺水平等实际情况[5]，我国水平孔钻探深度较浅，一般不超过400 m。2013年中煤科工集团西安研究院使用ZDY1000G型全液压高转速钻机和?75 mm坑道用绳索取心钻具在金大矿完成了一个终孔直径78.5 mm、终孔深度401.8 m的水平取心钻孔的现场试验，为当时国内水平绳索取心钻孔深度记录[5]；2019年10月，川藏铁路洛隆段察达隧道勘察钻探中，西北有色713队使用陕西西探地质装备有限公司XDQ-1200轻便型钻机施工的水平超前地质预报钻探孔，75 mm口径(NTW规格)钻至750.5 m，创轻便岩心钻机水平钻探孔当时的国内最深纪录[6]。2020年1月4日，四川地矿局402队金钻公司在西南某隧道勘察中顺利完成一眼903.28 m(75 mm口径)水平取心钻孔，创造了目前国内工勘同类钻孔最高孔深纪录。

新建川藏铁路雅安至昌都段，线路总长725.84 km，工程地质钻探孔中，水平及倾斜钻探工作量占 m，很多孔深超过1000 m[1]，设计单位甚至提出了钻探深度超过2000 m的要求。为满足铁路隧道长水平孔勘探的需要，有必要深入分析钻具在孔内的运动及受力情况，为优化钻探工艺参数、优化钻具结构、提高水平孔钻探深度提供理论基础。

石油钻井行业在管柱力学方面的研究比地质岩心钻探行业成熟先进得多[7]。在石油钻井行业，刘建华[8]将水平井钻柱简化为水平旋转梁，通过实验分析了水平井钻柱的非线性动力学状态，得出了钻压和转速对水平井钻柱动力学状态的影响规律。范永涛等[9]根据相似理论，模拟研究了钻压和转速对井斜力、方位力、钻头合侧向力及其方向角的影响规律。Wei Li等[10]通过数值模拟与实验研究的方法得出水平井中钻具组合的运动状态分为圆弧式、“8”形和点状圆弧式3种。Xianzhi Song等[11]对岩屑床与管体之间的滑动摩擦进行了室内实验研究，得到了无量纲埋深和岩屑平均尺寸对管道与岩屑床层间综合滑移摩擦系数的影响规律。Jialin Tian等[12]对钻柱的振动特性进行了分析和实验研究，得出了井筒随机摩擦力作用下钻柱的动态特性。Dou Xie等[13]开发了一个具有6个自由度的水平井钻柱动态模型，分析了水平井管柱的复杂旋流现象及驱动转速和动摩擦系数对旋流的影响规律。史玉才等[14]应用下部钻柱运动状态模拟实验装置，验证分析了下部钻柱的涡动机理及运动规律。辛亮[15]通过模拟研究了水平井钻进中钻具的摩阻问题，研究得出钻具易发生正弦屈曲、螺旋屈曲、托压效应和井眼不清洁等现象。狄勤丰等[16]提出在现有钻具材质及结构条件下，减少钻柱疲劳破坏的最有效途径是优化钻柱结构和工作参数，使钻柱保持在低动态应力水平下工作。高德利等[17]利用有限差分法和Newton迭代法，计算了斜直井段管柱螺旋屈曲临界力、沿螺旋段分布的管柱与井壁接触力以及后屈曲平均侧向接触力，分析了钻杆接头对水平井段钻柱屈曲临界力和弯曲应力的影响，提出了计算钻柱正弦屈曲临界力的新方法。

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