隧道工程是交通、水利水电等基础设施建设的关键控制工程,涉及公路、铁路、城市轨道交通、水电站及跨流域调水等多工程领域。但该类工程所在地区的地质环境复杂多变、不可预计因素较多等特点也给隧道设计和施工带来了很大的困难,近些年,为了防止隧道施工过程中涌水突泥、塌方及岩爆等事故的发生,我国越来越重视隧道施工前期的地质勘察工作,采用精确且快速的勘察手段是近些年隧道勘察的研究重点,也是保证隧道安全施工与运营的重要前提。因此,建立高效环保安全的新型勘察模式、创新高精度隧道围岩信息反演方法等核心技术,是目前急需解决的关键技术难题。水平定向钻技术（Horizontal Directional Drilling-HDD）是当前主要用于管道非开挖建设的一项新技术。现将水平定向钻技术中的导向孔钻进技术用于长大隧道工程地质勘察,即先沿着隧道设计轴线钻一水平定向勘察孔,并结合间断取芯、水压致裂、孔内电视和综合物探等相关测试技术,可精准并快速的对隧道围岩的岩性变化、破碎带的分布、隧道涌水状况及围岩级别等进行详细和精准的划分。本文以天山胜利隧道水平定向钻地质勘察为工程背景,首先,通过理论分析与模型试验的方法,利用实测的钻进压力、扭矩、钻头的转速、钻进速度等参数,引入机械比能的概念,研究了水平定向钻钻进参数与岩石强度之间的定量关系;其次,通过分析现场取得的岩屑、孔内电视视频资料、孔内涌水量以及两次取得岩芯等数据,将勘察段隧道围岩的岩性、断裂破碎带的影响范围进行了精确的划分;最后,根据现场修正后的钻进参数计算出的机械比能值,将钻孔围岩划分为高能耗区和低能耗区,以此来分析不同岩性区间围岩的强度大小及破碎程度,并与孔内测试结果进行了对比分析。主要开展的研究工作并取得的相关研究成果如下:（1）设计并组装了水平定向钻钻进参数与岩石强度相关性模型试验系统,为了使试验系统工作特性与实际水平定向钻机相同,该试验系统主要包括钻进压力动力系统、旋转动力系统、参数测量系统。试验中,可以收集钻进压力、反扭矩、钻进速度、钻头的转速、水压力和水流量六个参数,该试验系统既保留了水平定向钻机的工作特性,又可提供研究水平定向钻钻进参数与岩石单轴抗压强度之间定量关系所需的全部参数。结合ABAQUS有限元分析软件揭示了三牙轮钻头的破岩机理,分析了三牙轮钻头在花岗岩中钻进时围岩的应力分布,并根据模拟结果分析了三牙轮钻头的钻进压力、扭矩和能量消耗随钻进深度的变化关系。（2）分析了钻进压力和岩石强度对水平定向钻钻进效率的影响规律,本文共开展了4组试验,第1组试验采用不同钻压钻进六块强度等级为M15、尺寸为300×300×600mm的长方体砂浆试块,分析了不同钻进压力对水平定向钻钻进速度、反扭矩、钻头的转速、系统水压力和水流量的影响规律,得出:在螺杆泥浆马达额定工作钻压范围内,随着钻进压力的不断增大,水平定向钻的钻进速度与反扭矩也不断增大,且与钻进压力呈正比例变化关系,而钻头的转速与反扭矩呈反相关的变化关系,钻头受到的反扭矩与系统水压力呈现正比例变化关系,钻头的转速与水流量呈正比例变化关系;第2组与第3组试验分别采用了六块与四块不同强度砂浆,研究砂浆单轴抗压强度对水平定向钻钻进参数的影响规律,得出:水平定向钻的钻进压力与反扭矩随着砂浆单轴抗压强度的增大而增大,而钻进速度与砂浆强度呈现反相关的变化关系,其中,第3组试验的目的是为了避免偶然性对第2组试验的影响;第4组试验则是采用六块强度不同天然岩石（2块砂岩、2块灰岩、1块花岗岩和1块石榴石角闪云母石英片岩）,该组试验的目的既是为了验证砂浆的试验成果,也是为了弥补比砂浆更高强度的岩石对钻进参数的影响规律,本次试验得出:钻进速度与岩石强度呈现负相关的变化关系,钻进压力与岩石强度呈现正相关的变化关系,但岩石的反扭矩随着岩石强度的增加并非呈现逐渐增大的趋势。（3）研究钻进参数与岩石单轴抗压强度之间的定量关系,引入钻进总能量和机械比能（MSE）的概念,分析钻进总能量、机械比能与岩石强度之间的定量关系,得出:当岩石强度不变时,钻进总能量随钻进深度呈正比例变化关系,当岩石强度增大时,钻进总能量与钻进深度变化曲线的斜率也会增大,即钻进相同深度强度大的岩石消耗的能量更多;水平定向钻的机械比能随着岩石单轴抗压强度的增大而增大,且砂浆与岩石的机械比能与岩石单轴抗压强度大致呈现正比例变化关系,并根据两者的变化关系对其进行数据拟合,当拟合为一次函数时,相关系数为0.88037,当拟合为幂函数时,相关系数为0.97124。（4）对天山胜利隧道水平定向钻地质勘察数据进行分析,首先,利用岩屑、孔内电视视频资料、孔内涌水量及孔内取芯等数据对隧道围岩岩性、节理裂隙的发育情况及断裂破碎带的影响范围进行了详细分析;其次,对现场的钻进压力、钻进速度、泥浆压力、泥浆流量等数据进行收集,根据地面测得的钻压数据对水平定向钻孔底钻压与钻头扭矩进行了校正,并利用机械比能对钻孔围岩在不同区段所消耗的能量进行详细划分,根据钻孔高能耗区和低能耗区对应的机械比能具体数值来判别钻孔围岩的强度大小、破碎带的分范围等,并将钻进参数的分析结果与岩屑XRD分析、孔内视频、孔内涌水量及孔内取芯等资料进行对比分析,结果表明:利用钻进参数对隧道围岩强度、断裂破碎带分布范围的分析结果与岩屑XRD、孔内电视、孔内取芯分析结果基本一致。