超前鉆探在隧道施工中的應(yīng)用

張 雷

中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600

超前鉆探在隧道施工中的應(yīng)用

張 雷

中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600

本文以某隧道工程地質(zhì)勘探為例，首先簡要的闡述了超前鉆探預(yù)報的必要性以及超前水平鉆探方法。對實際隧道工程的超前水平鉆探勘探進行了分析，總結(jié)了通過水平鉆探得出隧道的地質(zhì)情況，給出了施工建議。最后，對鉆探質(zhì)量控制提出了相應(yīng)的措施，確保施工安全以及施工質(zhì)量。

超前水平鉆探；隧道工程；地質(zhì)勘探

0 引言

在隧道穿越有可能涌水地段時，利用潛孔鉆機在工作面上兩側(cè)拱腰各設(shè)一孔，進行超前鉆探，以查清前方地質(zhì)及涌水情況。每次的鉆探深度控制在30m為宜。采用超前鉆孔、TSP203、地質(zhì)雷達和紅外線探測儀進行聯(lián)合地質(zhì)預(yù)報，并認真作好地質(zhì)素描，不斷積累和豐富新的地質(zhì)資料，提高預(yù)報的準確性，為安全穿越含水地段提供第一手資料。

1 超前鉆探技術(shù)

1.1 超前水平鉆探

對規(guī)模較大的區(qū)域性斷層、物探超前預(yù)報的異常段（可能的巖溶發(fā)育段及突涌水段），通過超前水平鉆探進一步確定斷層的位置、破碎帶的寬度、富水情況，并進一步確定巖溶的發(fā)育情況，包括溶洞的位置、大小、充填情況等。

對關(guān)鍵區(qū)段采用超前鉆探的方式進行調(diào)查，取得最直接的依據(jù)。施工現(xiàn)場最易實施的是采用沿掌子面布置3個～7個超前的深孔，預(yù)測前方地下水情況，特別是向斜地段、可能有突水地段，采用這種方法是比較行之有效的。地質(zhì)鉆孔布置見圖1所示。

圖1 超前水平鉆孔布置圖

1.2 超前地質(zhì)鉆探

針對有突水的可能的破裂斷層帶，采用鉆孔超前探測，鉆孔長度20m～30m，驗證綜合超前物探成果，超前鉆孔3個，并至少有一個孔應(yīng)取芯；探孔孔徑一般不小于φ75mm，并考慮5m長搭接，探孔終孔應(yīng)超出開挖輪廓線1.5m。

超前鉆探時，停止施工，噴混凝土封閉開挖面，測設(shè)鉆孔位置與方位，然后搭設(shè)作業(yè)臺架，鉆機就位固定，安裝鉆桿試鉆。在確定鉆孔位置、方位準確后，開始鉆進，鉆進過程中注意鉆孔出水量、鉆碴及鉆桿進尺，詳細記錄鉆孔過程中各種資料和數(shù)據(jù)。根據(jù)超前鉆孔資料分析前方圍巖節(jié)理發(fā)育情況和可能涌水量及地下水發(fā)連通情況，根據(jù)不同情況采取不同施工技術(shù)措施。如臨近漏水地段3m～5m前，在開挖鉆孔時，安排2～4孔超前水平鉆，鉆5m～8m，準確了解前方水文地質(zhì)情況，提高支護、排水等措施針對性。

2 工程實例

某分離式隧道，左幅全長1 568m，右幅全長165m。設(shè)計路面標高1 165. 61147m，隧道左線最大埋深約227m右線最大埋深約232m。為確保隧道施工安全和施工質(zhì)量，并為隧道開挖、支護提供依據(jù)，對該隧道在D1K711+030-D1K710+960段進行了超前地質(zhì)鉆探D1K711+030-D1K710+960段位于沖溝段，為查明地質(zhì)、確保安全，采用φ75超前探孔進行驗證。本段超前地質(zhì)鉆探采用回轉(zhuǎn)取芯鉆。超前地質(zhì)鉆孔平面布置，如圖2所示。鉆探孔位置:隧道里程D1K711+030，鉆孔深度：20. 10 m。

圖2 超前地質(zhì)鉆孔布置圖

各孔段主要水文工程地質(zhì)特征：0.0m～2.90m巖芯完整呈長柱狀，采芯率100%；2.90m～6.30m巖層間較破碎呈碎塊狀、短柱狀，2.90m～3.10m，5.60m～5.80m見裂隙，有溶蝕現(xiàn)象，溶孔發(fā)育，采芯率80%；6.30m～15.60m，巖芯完整呈長柱狀、線柱狀，采芯率95%；15.60m～16.20m，見溶蝕裂隙，裂面上見黃色泥質(zhì)侵染，具構(gòu)造巖溶溶蝕裂隙的特征，采芯率70%，巖芯呈塊狀。16.20m～19.50m巖芯完整呈長柱狀，其中，17.80m～18.20m有溶蝕現(xiàn)象，采芯率90%。19.5m～20.10m，巖芯較破碎，采芯率100%；該隧道從D1K711+030掌子面鉆探揭露的20.10m長度內(nèi)，地層巖性為灰色中厚層狀隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)灰?guī)r，巖質(zhì)較堅硬，無大的斷裂構(gòu)造通過，未見地下暗河或突水、涌水現(xiàn)象。但在隧道里 程 D1K711+027.5～D1K711+024段，D1K711+011～D1K711+07.9段，巖芯比較破碎，應(yīng)注意冒頂，做好支護工作，D1K711+023～D1K711+022段，D1K711+014～D1K711+011段，見溶蝕現(xiàn)象，應(yīng)對溶蝕突水、涌水做好預(yù)防工作。

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔資料分析，預(yù)測前方地層巖溶、裂隙較為發(fā)育，建議采取超前小導(dǎo)管注漿進行超前支護，同時在此段隧道施工過程中，應(yīng)密切注意泥化夾層、溶洞和節(jié)理的失穩(wěn)破壞，同時在可能發(fā)育溶槽或溶洞區(qū)域，可能發(fā)生突泥和突水，故開挖后應(yīng)及早支護并采取相應(yīng)的措施，防止麻痹大意思想，并加強監(jiān)控量測。

3 超前地質(zhì)鉆探施工

3.1 超前地質(zhì)鉆探技術(shù)要求

1 ）孔數(shù)：超前水平鉆孔每個斷面為3個孔，掌子面中間一個孔，兩側(cè)邊墻各一個孔；2）孔深：連續(xù)鉆探每循環(huán)孔深為30m，并且前后兩循環(huán)鉆孔重疊5m，即25m一循環(huán)；3）孔徑：鉆孔直徑為φ75，其滿足鉆探取芯、取樣和孔內(nèi)測試的要求。

3.2 超前鉆探工作要求

1 ）超前鉆探過程中應(yīng)在現(xiàn)場做好鉆探記錄，包括鉆孔位置、開孔時間、終孔時間、孔深、鉆進壓力、鉆進速度隨鉆孔深度變化情況、沖洗液顏色和流量變化等；2）超前鉆探過程中應(yīng)及時鑒定巖芯、巖粉，判定巖石名稱，并選擇代表性巖芯整理保存；3）加強鉆進設(shè)備的維修與保養(yǎng)，使鉆機處于良好狀態(tài)；強化協(xié)調(diào)和管理，各方面應(yīng)積極配合，減少和縮短施鉆時間。

3.3 鉆孔質(zhì)量與鉆孔效率保證措施

為提高工作效率，減少地質(zhì)超前鉆探占用開挖工作面的時間，可采用沖擊鉆與回鉆取芯鉆相結(jié)合的方式。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪與物探法結(jié)合判斷出的圍巖危險區(qū)域決定是采用沖擊鉆還是采用回轉(zhuǎn)取芯鉆。沖擊鉆速度快，但是無法取出巖芯，只能通過一些可接指標判斷隧道工作面前方的圍巖變化情況，加大了對圍巖分析的難度；回轉(zhuǎn)取芯鉆速度慢，占用施工時間太多，但是能準確直接地對前方圍巖進行分析研究。如何選擇鉆探方法還需根據(jù)實際情況專門研究決定。長距離地質(zhì)超前鉆探應(yīng)按照標準操作要求進行，對鉆探質(zhì)量控制宜采取下列措施：

3.4 采用系統(tǒng)的鉆探程序

1 ）測量布孔：施鉆前按孔位設(shè)計圖設(shè)計的位置用全站儀或經(jīng)緯儀準確測量放線，將開孔孔位用紅油漆標注在開挖工作面上；2）設(shè)備就位：孔位布好后，設(shè)備就位，接通各動力電源和供風、供水管路。安裝電路要由專業(yè)電工操作，確保安全，供風管路要連接緊密，無漏氣現(xiàn)象；3）對正孔位，固定鉆機：將鉆具前端對準開挖工作面上的孔位，調(diào)整鉆機方位，將鉆機固定牢固；4）開孔、安裝孔口管：孔口管必須安設(shè)牢固；5）成孔驗收：施鉆滿足設(shè)計要求，經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)人員確認簽收后方可停鉆終孔。

3.5 控制鉆進方向

1 ）鉆機定位完畢后，對鉆機進行機座加固，使鉆機在鉆進過程中位置不偏移，做到鉆孔完畢鉆機位置不變。在鉆進過程中應(yīng)定期檢查機器的松動情況，及時調(diào)整固定；2）對鉆具的導(dǎo)向裝置盡可能加長，并且選用剛度較強的鉆桿，從而提高鉆具的剛度，減少鉆具的下沉量，達到技術(shù)的要求。不得使用彎曲鉆具；3）當巖層由軟變硬時應(yīng)采用慢速、輕壓鉆進一定深度后，改用硬巖層的鉆進參數(shù)。鉆進中應(yīng)減少換徑次數(shù)；4）本循環(huán)鉆孔完畢后，根據(jù)測量結(jié)果總結(jié)出鉆具的下沉量，下一循環(huán)鉆探時通過調(diào)整孔深、仰俯角等措施控制下沉量在設(shè)計要求的范圍內(nèi)，達到技術(shù)要求的精度；5）對于100m以上的超長鉆孔，應(yīng)綜合工作面巖性、隧道坡度、前進方向、鉆桿自重等因素進行鉆孔定向綜合設(shè)計，計算出合理鉆進角度。

3.6 信息整理

根據(jù)勘測資料以及超前地質(zhì)預(yù)報工作和實施的洞內(nèi)外檢測所獲得的資料，進行綜合分析，對隧道內(nèi)可能發(fā)生的大規(guī)模涌水、突泥等不良地質(zhì)情況的斷層破碎帶應(yīng)增加探測力度。采用超前鉆孔、地質(zhì)雷達和紅外線探測儀進行聯(lián)合地質(zhì)預(yù)報，并認真作好地質(zhì)素描，提高預(yù)報的準確性，為安全穿越斷層帶提供第一手資料。

4 結(jié)論

隨著隧道工程施工的逐步深入，需要在施工過程中采取有效方法，對前方不良地質(zhì)災(zāi)害進行準確的超前預(yù)報，以便及時地修正開挖和支護設(shè)計方案，避免施工事故發(fā)生。超前鉆孔作為直接地揭示掌子面前方的地質(zhì)特征的手段有較高準確率，是地質(zhì)超前預(yù)報一種必不可少的手段，通過結(jié)合工程實例，提出超前地質(zhì)鉆探工作要求以及相應(yīng)的技術(shù)措施，為同類工程提供參考借鑒。

[1]張慶欣.齊岳山隧道超前鉆探施工技術(shù)[J].鐵道標準設(shè)計，2008(5).

[2]段雙喜.超前鉆探在超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報施工中的應(yīng)用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2008(10).

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1674-6708（2012）59-0058-02