超前地質鉆機在隧道預報中的應用探索

徐海濤

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原030024）

0 引言

在經濟的帶動下城市交通體系日趨完善，高速公路建設步入了新的發展階段，駕車成為了人們的主要出行方式。各個城市都開始積極建設高速公路，許多高速公路的運行路線經過山區需要修建隧道。在大部分隧道施工過程中都會遇到軟弱性質的巖土層，例如溶洞或者軟弱破碎地帶等，在隧道開挖時容易出現坍塌和不穩定的現象，會增加隧道工程的施工安全隱患。超前地質鉆機的應用能夠在開挖前對前方圍巖實施預測，向施工人員直觀的展現不良地質，根據鉆進過程中記錄下的參數能夠對圍巖情況和級別實施判定，為后續隧道開挖和隧道支護提高有效的數據支持，提高隧道工程施工安全性。

1 隧道超前預報方法

當前在隧道超前預報工作開展過程中會使用地質分析法以及物探法，隨著隧道工程建設規模和數量不斷的擴大，超前預報工作的準確性也需持續提升。地質分析法是根據隧道已有勘察資料、地表補充地質調查資料和隧道內地質素描，通過地層層序對比、地層分界線以及多種相關性分析來判斷地下情況的方法。物探法包括電磁波反射法、地震波反射法、高分辨直流電法以及瞬變電磁法等，通過波長和物體之間的關系來評估地下情況。超前鉆探法也是常用的隧道超前預防手段之一，在隧道內安置水平鉆機實施水平方向的隧道鉆進，根據鉆進過程中所收集到的圍巖資料對前方圍巖情況進行有效分析。這種方法目前在隧道超前預報工作中有著廣泛的應用，能夠更加直觀的體現鉆孔所經過區域的圍巖情況。

在地質條件不復雜或者埋深較淺的情況下使用單一預報手段可以獲得精度較高的數據，如果地質環境復雜或者埋深大的情況下只使用一種預報方法則會嚴重影響預報精準度[1]。因此在實際的隧道開挖超前預報的過程中，經常會出現漏報或者數據錯誤的問題，使得獲取的預報數據并不具備較高的參考意義。目前在隧道超前預報過程中經常會選擇2 種方法或者2 種以上的方法進行地質探測，成為了隧道預報的主要發展趨勢，彌補了以往單一預測手段存在的局限性。本文選擇超前地質鉆進進行預測，該種鉆進探測預報方式同時使用了現場鉆進探查和電腦記錄信息兩種方式，能夠對數據進行更加精準的探查和分析。超前地質鉆機可以對處于隧道前方位置的圍巖實施預測，對地下具體走向展開有效評估，進而準確獲取地質參數。

2 超前地質鉆機在隧道預報中的應用

2.1 隧道超前地質預報計劃

A+級大型～特大型突水突泥及重大物探異常處：地質素描：加密觀測，注意成災先兆；長距離：TSP203，100m；中距離超前水平鉆：1～3 孔，30～60m；短距離：地質雷達：15～20m，超前水平鉆：不少于6 孔（含中距離鉆孔），距離30m，超長炮眼：10 孔，5～10m，必要時采用地震波法測正洞。

A 級：地質素描；長距離：TSP203，100m；短距離：超前水平鉆：1 孔，距離30m，如果異常時如果在3 孔之上，距離也為 30m，超長炮眼：5～8 孔，5～10m，異常處、富水斷面巖溶發育層使用地質雷達，15～20m。

B 級：地質素描；長距離 TSP203，150m；短距離：超長炮眼：5 孔，5～10m，異常處、富水斷層巖溶發育層面：地質1～3 孔，距離 30m。

C 級：地質素描；重要地質（層）界面、斷層或物探異常處；長距離 TS0203，150m；超長炮眼孔：5～10m；必要時短距離：地質雷達：20m；超前水平鉆：30m。

2.2 超前鉆孔

超前地質鉆機通過鉆孔可以對地下情況實施有效預報，可以反映斷面的地質情況和特點，了解出水鉆孔數量、鉆孔出水量、鉆孔出水壓力、探孔區域地質構造等，進而對隧道開挖前方的地質結構實施特點判斷，分析是否存在涌突水的問題，以及產生涌突水后會造成的影響。在進行超前鉆孔作業時根據鉆進速度、巖層碎屑對地質斷層情況和巖溶情況實施有效評估。超前鉆孔包括水平方向鉆孔、傾斜鉆孔以及垂直方向鉆孔，如果按照鉆孔的距離進行分析，則可以分為長、中、短三種類型的鉆孔。按照取芯情況可以分為取芯鉆孔和不取芯鉆孔。

2.3 超前地質鉆孔應用工藝流程

首先需要設置工作平臺，進行機具準備，準備完畢后鉆機就可以就位，就位完畢后進行鉆孔，對圍巖信息進行采集，分析巖層、水壓和水量，如果水量較小或者沒有水可以將鉆孔設備撤下，如果水量水壓較大需要安裝孔口堵水裝置，安裝完畢后可以將鉆孔設備撤下[2]。

2.4 超前地質鉆孔工藝應用要點

在進行超前水平方向的鉆孔探查時普遍需要選擇1個到5 個孔，分別在水平居中距洞頂2m 向上傾斜位置、左側離側壁1m 距洞底4m 向左傾斜位置、右側距洞壁1m距洞底4m 向右傾斜位置、左側離側壁1m 距洞底1m 向左傾斜位置、右側離側壁1m 距洞底1m 向右傾斜位置進行鉆孔，同時要在水平居中距洞底4m 實施平鉆。在進行鉆探工作時兩次循環之間的搭接長度需要在5m 之上。在鉆進工作的時候由所載電腦進行信息收集，具體收集的信息包括鉆進速度、壓力值、巖層碎屑以及水量等。如果遇到斷層充填物或者溶洞充填物應當立即進行干鉆，獲取充填物樣本。除此之外，還需要對遇到的各種巖層實施取樣，分析不同巖層的特點，其余數據可以利用鉆機所自帶的孔內攝像頭進行記錄和收集。通過超前水平鉆進后所獲得的資料需要在現場就進行描述和記錄。如果遇到巖溶環境，可以利用長距離和短距離相結合的方式對地下環境實施鉆探，并應用5m 以下的少量炮眼展開補充鉆進，能夠更加準確的對前往圍巖環境和地下水情況實施預測。當TSP、紅外線探水設備或者地質雷達等顯示隧道前方存在異常問題的時候，或者已經發現探查清楚的溶腔之后，需要實施傾斜角度的鉆孔探查，能夠對溶腔的發育情況更加清晰的探查，了解溶腔位置、溶腔形態以及溶腔充填情況。傾斜鉆孔可以更加了解工作面附近的地質構造情況，防止在開挖的地段位置出現涌水問題。由于由于巖溶發育小范圍內具有不確定性的特點，因此在使用超前水平探測儀器之后只能對局部位置的情況展開探測。當實際進行施工隧道掘進的過程中，需要利用風槍進行探測，探測的直徑范圍為5m，在周圍設置探孔，探孔間的距離需要保持在3m，利用大量的探孔能夠在爆破施工開展之前對隧道開挖前方情況以及附近周邊區域的地質結構進行分析。

3 超前地質鉆機的選擇

3.1 鉆機

鉆機擁有較多的不同類型，一般來講使用最多的鉆機類型為水平地質鉆機以及錨索鉆機和潛孔鉆，根據機械動作的行進原理可以將鉆機分為兩種類型，分別為回轉式以及沖擊回轉式。前者類型的鉆機被應用在硬度在中硬級別以下的巖石以及性質軟弱的圍巖，例如土質、泥巖、頁巖以及已經風化的砂巖等。如果地質結構較硬則需要選擇后者。鉆孔的直徑需要控制在70mm 到108mm 之間。

3.2 選擇合適的鉆具

鉆具的選擇也需要根據地層情況以及鉆機類型進行選擇，一般來講鉆具的類型分為四種：第一種是螺旋鉆具，構成部分包括套管、螺旋鉆桿以及鉆頭，在實際的應用過程中更加適用于第四級地質。第二種是潛孔鉆具，由套管、鉆桿和潛孔沖擊器共同組成。第三種是通用鉆具，主要是由鉆桿以及鉆頭共同組成，其中鉆桿是以往經常使用的一般類型鉆桿，鉆頭需要選擇球齒型鉆頭和柱齒型鉆頭。第四種是偏心擴孔跟管鉆具，由先導鉆、擴孔鉆、套管、鉆桿等多種結構所共同組成，其中鉆具和套管可以做到同步跟進和分離退出，可以在成孔難度較大的破碎巖層中進行應用。

3.3 GL—6000S 型履帶式全液壓工程鉆機

GL—6000S 型履帶式全液壓工程鉆機主要適用于硬質合金回轉鉆進，螺桿鉆進，氣動潛孔錘鉆進，氣動潛孔錘跟管鉆進、旋噴（擺噴、定噴）工程施工等多種鉆進工藝方法。該類型鉆機擁有多方位變幅機構，鉆機在一個位置可實現多排、多角度鉆孔，具有較強的適應能力；回轉扭矩大，給進行程長，可以有效地提高鉆進效率；鉆機具有履帶自行走功能，設有高低速，并配有機架回轉裝置，設備移位方便、快捷；鉆機孔口設置有液壓夾持器、卸扣裝置，可以縮短上下鉆時間，并降低工人的勞動強度；鉆機液壓系統主要元件采用進口品牌，一般元件選用國內知名品牌，系統穩定、可靠，使用壽命長；動力頭采用液壓變速方式，可在一定范圍里實現無級變速，并設有高低檔；鉆機采用直動式負載反饋微調變量液壓系統，功率隨負載變化，高效率，低能耗；配備動力頭回轉速度、提升速度和立柱垂直顯示裝置，對孔、定位快捷、準確。

4 結束語

在隧道工程中利用超前地質鉆進進行工作，能夠有效分析地下回水情況和圍巖變化，同時根據鉆機所配置的電腦，能夠根據有效數據實施綜合性評估和預報。地質鉆機的選型是需要根據多種因素進行評估，具體包括地質條件、用途、風壓、鉆進速度、鉆孔深度、直徑、重量等因素，不僅鉆進效率較高，符合超前地質預報對數據的需求，而且操作方式較為方便。在之后的超前地質鉆進應用過程中，應當對地質鉆機設計進行模塊化處理，可以方便對鉆機進行拆卸和組裝，風水管接頭要進行模數化處理，按照規范及隧道施工中常采用的風水管直徑設計相應的通用接頭，可以提升安裝的便利性，減少準備時間。