隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊鉆探取芯措施

余 杰

(四川蜀通港口航道工程建設(shè)有限公司，四川 南充 637000)

0 前 言

隧道的挖掘工作中，必須了解前方的地質(zhì)情況，而水平?jīng)_擊鉆探取芯作為一種可以直觀反映前方地質(zhì)狀況的方法，在目前的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中應(yīng)用比較廣泛，尤其在復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)下具有非常強(qiáng)的應(yīng)用效果。為了能進(jìn)一步提升該技術(shù)的應(yīng)用水平，還需要加強(qiáng)對相關(guān)技術(shù)措施的研究，提升鉆探取芯工作的速度和精度，滿足隧道挖掘工作的要求。

1 水平?jīng)_擊鉆探取芯和鉆探預(yù)報(bào)原理

1.1 水平?jīng)_擊鉆探取芯原理

水平?jīng)_擊鉆探取芯技術(shù)是在潛孔錘鉆鑿原理的基礎(chǔ)上發(fā)展出的潛孔錘鉆取樣技術(shù)，具有鉆進(jìn)速度快、成孔率高的特點(diǎn)。通過在潛孔錘的下部增加取芯鉆具，完成取樣鉆進(jìn)的工作[1]。開展隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊鉆取芯技術(shù)時(shí)，會使用空壓機(jī)、隧道取芯鉆機(jī)、鉆桿和鉆頭，為了確保施工效率，還會使用其他輔助工具開展工作。

1.2 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要作用在于探測隧道開挖前方的地質(zhì)狀況，是水平鉆探取芯工作的重要手段，尤其在高風(fēng)險(xiǎn)隧道的挖掘中，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作和隧道開挖工作交替進(jìn)行，以保證隧道開挖可以得到超前預(yù)報(bào)所提供的數(shù)據(jù)和信息，保證隧道掘進(jìn)的安全性，減小施工過程中受到的環(huán)境干擾[2]。超前預(yù)報(bào)可以讓施工技術(shù)人員直觀地了解前方地層巖芯的情況，直觀地觀察地層的巖性，從而對地下有害氣體、特殊地層的構(gòu)造做出判斷，優(yōu)化掘進(jìn)方案，保證隧道施工的安全性和流暢性。

1.3 水平?jīng)_擊鉆圍巖地質(zhì)預(yù)報(bào)原理

沖擊鉆探時(shí)預(yù)報(bào)前方圍巖結(jié)構(gòu)地質(zhì)情況的工作中，會對鉆探過程中現(xiàn)場觀察記錄和鉆探機(jī)鉆進(jìn)工作記錄的綜合分析，分析鉆進(jìn)工作的難易程度，從而完成對巖體地質(zhì)特征的推測工作。鉆探過程中現(xiàn)場觀察主要記錄的護(hù)具包括鉆探的施鉆、終鉆的時(shí)間，記錄鉆進(jìn)過程中鉆進(jìn)深度、鉆進(jìn)速度、沖洗液顏色、返渣顆粒大小和形狀等特征，并且分析鉆探過程中出現(xiàn)的卡鉆、跳鉆、坍孔等異常情況。鉆機(jī)自帶的記錄系統(tǒng)會記錄鉆進(jìn)過程中的推進(jìn)壓力、轉(zhuǎn)速、進(jìn)水量、扭矩、排水量等因素[3]。通過綜合各類鉆探記錄內(nèi)容，可以判斷前方斷面在孔位范圍內(nèi)的巖體地質(zhì)狀況，之后利用初始鉆探掌子面圍巖地質(zhì)情況和其他前期地質(zhì)勘測資料，可以比較全面地完成對鉆探段內(nèi)隧道斷面巖體地質(zhì)狀況的預(yù)測。

2 水平鉆探超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用范圍和應(yīng)用條件

獲取地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息時(shí)，還包括探地雷達(dá)、瞬變電磁儀等設(shè)備，但是相對而言水平鉆探能更好地反應(yīng)地質(zhì)實(shí)際情況，因此適用范圍較廣。

2.1 應(yīng)用范圍和條件

2.1.1 應(yīng)用范圍

1)如果現(xiàn)場的地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，存在構(gòu)造異常的問題，圍護(hù)等級為Ⅳ級或者Ⅴ級的洞段，應(yīng)該使用超前鉆探法。

2)如果掌子面方向的一定距離內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有潛在的富水體，或者在隧道周圍存在暗河，并且賦存水壓或者體積比較大，導(dǎo)致水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜的地段。

3)在掌子面方向，已經(jīng)探明或者有可能存在溶洞或者坑洞，并且溶洞的規(guī)模比較大，填充多而且發(fā)育程度比較高，容易出現(xiàn)突水、突泥風(fēng)險(xiǎn)的洞段。

4)若使用其他物探方法發(fā)現(xiàn)存在明顯異常，或者并不能有效預(yù)報(bào)的洞段，也必須使用水平鉆探超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[4]。

2.1.2 應(yīng)用條件

需要超前預(yù)報(bào)的距離在100 m以內(nèi)，如果情況特殊，可以將預(yù)報(bào)距離提升到150 m。開展水平?jīng)_擊鉆取之前，應(yīng)該保證掌子面和周圍圍巖的狀態(tài)穩(wěn)定，避免鉆取工作開始后出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。由于鉆探過程中需要進(jìn)行調(diào)整，所以掌子面應(yīng)該預(yù)留足夠的空間。

2.2 超前預(yù)報(bào)鉆探方法對比

目前常用的水平?jīng)_擊鉆探超前預(yù)報(bào)的方法包括取芯地質(zhì)鉆、頂錘式回轉(zhuǎn)沖擊鉆和潛孔回轉(zhuǎn)沖擊鉆，表1為幾種方法在工程中的對比。

表1 超前鉆探方法對比

2.3 預(yù)報(bào)信號解譯

采集所獲得的所有參數(shù)都是相對于鉆進(jìn)掌子面圍巖狀況的相對值，所獲得非參數(shù)的絕對值僅僅在相近區(qū)域參考性比較強(qiáng)；地層的具體情況應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場的記錄進(jìn)行判定[5]。所獲得的數(shù)據(jù)中，只有自動(dòng)鉆進(jìn)獲得的數(shù)據(jù)才具有參考意義，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，參考順序?yàn)殂@進(jìn)速度、扭矩、推進(jìn)力、旋轉(zhuǎn)速度。而且在解譯信號的工組中，不能僅僅關(guān)注某一點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化情況，而是應(yīng)該綜合整體不同數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對地層狀況的綜合判斷。

3 水平?jīng)_擊取芯鉆具

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊的鉆具主要包括雙重管沖擊取芯鉆具、三重管沖擊取芯鉆具。

3.1 雙重管沖擊取芯鉆具

雙重管沖擊取芯鉆具由沖擊器、雙層鉆具和取芯鉆頭構(gòu)成，其中雙層鉆具管包括鉆具外管和鉆具內(nèi)管，外管是使用整體特指材料構(gòu)成的鋼管，鉆具的內(nèi)管由2個(gè)半合管構(gòu)成。內(nèi)管的2個(gè)半合管合稱為一個(gè)整體后，將其裝入到鉆具外管中，構(gòu)成雙重管沖擊取芯鉆具，鉆具的下部連接取芯鉆頭，上部和沖擊器連接，沖擊器再連接鉆桿，最終構(gòu)成雙重管取芯鉆具。鉆進(jìn)施工的過程中，取芯鉆頭破取巖石之后，獲得的巖芯會進(jìn)入到鉆具的內(nèi)管中，利用鉆具的雙層結(jié)構(gòu)可以有效保護(hù)巖芯，外管能夠承受外部的沖擊和扭矩，避免外部沖擊直接損害巖芯，還能提升水平超前沖擊鉆的鉆芯速度，滿足巖芯采取率。

3.2 三重沖擊取芯鉆具

三重沖擊取芯鉆具包括三重管鉆具、取芯鉆頭和沖擊器三部分組成，三重取芯管使用了雙管取芯的設(shè)計(jì)原理，在制作上使用了3層管結(jié)構(gòu)，能進(jìn)一步保護(hù)巖芯。在結(jié)構(gòu)上，三重取芯管包括鉆具內(nèi)管、鉆具中管和鉆具外管，可以滿足隧道水平超前沖擊取芯鉆進(jìn)的要求，并且擁有比較快的鉆進(jìn)速度，因此，在巖芯采率上更高，能極大程度延長鉆具的使用壽命。

鉆具的內(nèi)管使用了2個(gè)特制的半合鋼管，鉆進(jìn)取芯過程中獲得的巖芯將被裝入到巖芯的內(nèi)管中[6]。能避免巖芯在鉆進(jìn)過程中受到干擾，并且可以保證巖芯的采取率，因此，鉆進(jìn)的速度較高，而且能滿足巖芯質(zhì)量控制要求。

鉆具中管是一個(gè)完整的鋼管，和鉆具內(nèi)管連接緊密，中管可以對內(nèi)管進(jìn)一步加固，避免巖芯裝入內(nèi)管過程中鉆具內(nèi)管由于不能承受壓力導(dǎo)致脹開。

鉆具外管會包裹鉆具中管和內(nèi)管的組合，保護(hù)鉆具中管、內(nèi)管不受到外部沖擊作用影響，并且也傳遞著水平鉆進(jìn)工作過程中的沖擊力和扭矩。

4 水平?jīng)_擊取芯鉆進(jìn)鉆機(jī)和輔助技術(shù)

由于水平鉆進(jìn)過程中所遇到的情況是變化的，為適應(yīng)不同條件下的水平取芯鉆進(jìn)要求，還需要進(jìn)一步完善鉆具，以及使用一些輔助技術(shù)解決鉆進(jìn)過程中的問題。選擇鉆機(jī)時(shí)，也要根據(jù)要求進(jìn)行選擇，滿足沖擊鉆探取芯對轉(zhuǎn)速、扭矩等方面的要求，保證能夠完成地質(zhì)情況的超前預(yù)報(bào)。

4.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)

鉆機(jī)在使用過程中應(yīng)該符合操作容易的要求，因此，一般都會對設(shè)備進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，改進(jìn)鉆機(jī)的工作中，應(yīng)該使用輕量化的設(shè)計(jì)理念開展設(shè)計(jì)工作，對鉆機(jī)進(jìn)行模塊化和輕量化設(shè)計(jì)，還能滿足快裝的功能，提升現(xiàn)場的靈活性。鉆機(jī)進(jìn)出隧道施工現(xiàn)場，或者施工現(xiàn)場并沒有電力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)時(shí)，可以使用柴油機(jī)代替滿足隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)取芯和沖擊鉆探取芯的要求，并節(jié)約工程的施工時(shí)間。

4.2 使用水平?jīng)_擊鉆探輔助平臺

在隧道內(nèi)部進(jìn)行施工需要滿足快速施工需求，進(jìn)入和撤出隧道方便的要求，所以可以在鉆機(jī)的底板設(shè)置鉆桿、鉆具的安放平臺。操作臺的底部應(yīng)該設(shè)置工具箱，保證所有的施工鉆桿、鉆具以及其他工具進(jìn)出現(xiàn)場方便快捷，能快速完成施工工作面的撤離工作。

4.3 除塵裝置

隧道內(nèi)進(jìn)行水平?jīng)_擊鉆作業(yè)時(shí)，將會有很多粉塵產(chǎn)生，會影響周圍的環(huán)境，還會直接危害作業(yè)人員的身體健康，也不利于作業(yè)的進(jìn)行。為此應(yīng)配置除塵裝置(見圖1)，減少?zèng)_擊鉆作業(yè)過程中的粉塵，鉆芯作業(yè)過程中，將水裝入到除塵裝置水箱，然后在水箱的上部通入高壓風(fēng)，在施工過程中水箱隨著高壓風(fēng)一同進(jìn)入到?jīng)_擊器中，通過鉆頭底部進(jìn)入到孔底中，潤濕隧道內(nèi)的空氣，達(dá)到去除粉塵的目的。

圖1 除塵裝置

4.4 巖芯快速退取

將巖芯裝入到巖芯管終止后，鉆具的內(nèi)管會受到巖芯的擠壓作用向外膨脹，所以鉆具內(nèi)管和中管之間會有比較大的摩擦作用，會增加人工退芯的工作難度，不利于工作進(jìn)行。因此，可以使用液壓設(shè)計(jì)原理，使用鉆機(jī)自身的液壓系統(tǒng)進(jìn)行巖芯的快速退取?？焖偻巳⊙b置安裝在鉆機(jī)的尾部，通過鉆具中管外部插入到內(nèi)部，然后用油缸頂住鉆具的內(nèi)管，利用液壓將鉆具的內(nèi)管從鉆具中管推出，快速完成巖芯退取工作。

5 結(jié)束語

水平鉆探進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，需要對掌子面前方的圍巖成分進(jìn)行試驗(yàn)，在滿足條件后才能開展取芯鉆探工作。鉆探過程中，應(yīng)針對不同的地質(zhì)情況選擇合適的鉆探方法，保證鉆探工作的契合性。技術(shù)人員還需要繼續(xù)創(chuàng)新水平?jīng)_擊鉆探取芯技術(shù)，提升鉆探工作的效率和安全性，滿足隧道掘進(jìn)的要求。

[ID:013450]