超前鉆探在隧道超前地質預報中的應用
更新時間：2021-04-10 17:51
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本文以超前鉆探技術在某巖溶發(fā)育隧道的應用為例，分析超前鉆探技術在隧道開挖預測前方地質體的優(yōu)缺點及其在隧道超前地質預報中的作用。
關鍵詞：超前鉆探技術；巖溶發(fā)育；隧道超前地質預報；施工安全
一、概述
公路隧道工程數(shù)量和建設規(guī)模越來越大，遇到的的施工地質條件也愈加復雜，為保障隧道施工安全、為動態(tài)設計施工提供可靠的決策參考依據(jù)，因此隧道超前地質預報漸漸得到各參建方的認識和高度重視。目前隧道地質超前預報方法主要有：超前鉆探技術、物理勘探法、水力聯(lián)系觀測等技術。超前鉆探技術作為隧道超前地質預報的一部分，因其能在隧道地質條件復雜區(qū)域、艱險圍巖地段較直觀探測前方地質不良體及其空間分布，往往作為物理勘探法的驗證應用。本文結合意大利C6XP多功能鉆機闡述超前鉆探技術隧道超前地質預報中的優(yōu)缺點及其應用。
二、超前鉆探技術的特點
超前地質鉆探技術是利用鉆機在隧道開挖掌子面前方進行鉆探獲取相關地質信息的一種超前地質方法，鉆機鉆探通過不同地層（軟硬、破碎、完整、空洞、裂隙、涌水涌泥等不良地段）時反應在鉆機儀器上的參數(shù)不同來判斷前方地層的巖性狀況，通常根據(jù)鉆機的鉆進速度、扭矩、推進力、旋轉速度等主要參數(shù)結合掌子面外露巖層、鉆進排出渣樣、回水顏色、地勘資料等對鉆進里程巖層做出判斷。理論上該方法適用于任何地質條件的隧道，是最直接、最簡單的預報方法。
超前鉆探技術在隧道開挖階段進行超前鉆探查明掘進方向的地質條件，不但能直接探明開挖掌子面前方斷層破碎帶、軟巖、巖溶等不良地質體的性質、位置和規(guī)模，還能準確預測煤層產(chǎn)狀三要素、瓦斯賦存參數(shù)和巖溶、裂隙、水含水參數(shù)，并且對于瓦斯地段、巖溶、裂隙、水具有預排放作用，釋放圍巖體內的壓力，保障開挖過程的安全[1]。
但由于鉆探技術、特別是水平鉆探技術本身的局限性：
1.在破碎巖體和軟巖（特別是潮濕泥巖夾孤石地段）中會卡鉆，鉆進困難，速度慢，鉆探距離短，對鉆機及鉆具損耗嚴重；
2.鉆進時間長，占用作業(yè)時間多，耽誤隧道施工，鉆進費用高；
3.鉆探獲取的相關地質信息僅代表該孔及附近有限范圍的地質狀況，難以形成面的概念[2]。在惡劣地質環(huán)境下需要多孔布置，一般以3-7孔居多。
三、工程實例
3.1 掌子面狀況
某隧道采用洞口小凈隧道方案。隧道右線長度1326m，最大埋深約254m；隧道左線長度1340m，最大埋深約253m；某里程樁號掌子面圍巖主要為中風化灰?guī)r組成，溶洞發(fā)育（已打開），洞體部分被粘性土、泥沙等填充，節(jié)理裂隙發(fā)育，自穩(wěn)能力差，存在滲水現(xiàn)象。
現(xiàn)場亟需超前鉆探探測溶洞發(fā)育狀況、位置、規(guī)模大小，為后續(xù)處理溶洞方案提供依據(jù)。
3.2設備及鉆孔布置
1、本次C6XP多功能鉆機1臺，技術人員4人，配合工人3人以及鉆機鉆探配套設備。
2、鉆孔布置
本次超前鉆探施鉆掌子面采用Φ54mm，2m鉆桿、65mm 直徑鉆頭?；趪鷰r實際情況，采用液動錘沖擊破碎、高壓水沖碴作業(yè)方式，共鉆探8孔。根據(jù)鉆機的實際作業(yè)高度及鉆探工作面實際情況，1#孔布置于左邊墻距掌子面2.5m上側（與掌子面夾角為500），鉆進深度為34.38m；2#孔布置于掌子面左上側（與掌子面夾角為900），鉆進深度為74.17m；，3#孔布置于右邊墻距掌子面6m中上側（與掌子面夾角為450），鉆進深度為30.77m；，4#孔布置于隧底右側距掌子面3m（與隧底平面夾角為450），鉆進深度為13.81m；，5#孔布置于右邊墻距掌子面1.5m中上側（與掌子面夾角為400），鉆進深度為13.01m；，6#孔布置于掌子面右側中側（與掌子面夾角為900），鉆進深度為7.49m；，7#孔布置于隧底左側距掌子面1.5m（與掌子面夾角為450），鉆進深度為17.37m；，8#孔布置于左邊墻距掌子面0.1m中上側（與掌子面夾角為300），鉆進深度為25.49m。
3、具體鉆進里程地質狀況
1#孔：距離掌子面0米～8.37米段圍巖為中風化灰?guī)r，渣樣灰白灰?guī)r，回水灰白色，巖體較完整，巖質較硬，8.37～13.18米段圍巖為溶洞，軟弱泥巖填充，溶洞鉆探距離為4.81米，換算垂直于左邊墻為3.1米，13.18～34.38米圍巖為中風化灰?guī)r，渣樣灰白灰?guī)r，回水灰白色，巖體較完整，巖質較硬。
2#孔：距離掌子面0.4米～5.3米段圍巖為為溶洞，軟弱泥巖填充，溶洞鉆探距離為4.9米，5.3～74.17米段圍巖為中風化灰?guī)r，渣樣灰白灰?guī)r，回水灰白色，巖體較完整，巖質較硬，局部微小裂隙發(fā)育。
3#孔：距離掌子面0米～30.77米段圍巖為中風化灰?guī)r，渣樣灰白灰?guī)r，回水灰白色，巖體較完整，巖質較硬，局部微小裂隙發(fā)育。
4#孔：距離地面0米～13.81米段圍巖為中風化灰?guī)r，渣樣灰白灰?guī)r，回水灰白色，巖體較完整，巖質較硬，局部微小裂隙發(fā)育。
5#孔：距離掌子面0米～13.01米段圍巖米段圍巖為中風化灰?guī)r，渣樣灰白灰?guī)r，回水灰白色，巖體較完整，巖質較硬，局部微小裂隙發(fā)育。
6#孔：距離掌子面0米～1.7米段圍巖為中風化灰?guī)r，渣樣灰白灰?guī)r，回水灰白色，巖體較完整，巖質較硬，1.7～6.5米段圍巖為溶洞，軟弱泥巖填充，6.5～7.49米段圍巖為中風化灰?guī)r，渣樣灰白灰?guī)r，回水灰白色，巖體較完整，巖質較硬。
7#孔：距離掌子面0米～17.37米段圍巖為中風化灰?guī)r，渣樣灰白灰?guī)r，回水灰白色，巖體較完整，巖質較硬。
8#孔：距離掌子面0米～6.38米段圍巖為中風化灰?guī)r，渣樣灰白灰?guī)r，回水灰白色，巖體較完整，巖質較硬，6.38～13米段圍巖為溶洞，軟弱泥巖填充，溶洞鉆探距離為6.62米，換算垂直于左邊墻為5.73米，13米～25.49米段圍巖為中風化灰?guī)r，渣樣灰白灰?guī)r，回水灰白色，巖體較完整，巖質較硬。
由于篇幅所限僅附1號孔少量代表性鉆機記錄圖
3.3 鉆探結論
此次鉆探里程74.17米，設計穿越圍巖為中風化灰?guī)r，巖性較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較完整；圍巖設計等級Ⅲ 級。
根據(jù)鉆探綜合得出：0～5.3m段圍巖主要為溶洞，長5.3米，軟弱泥巖填充，有少量滲水，距左邊墻6.5米位置及上方存在溶腔發(fā)育，大小為3.3～5.7米，右邊墻位置探測未發(fā)現(xiàn)有空洞，但裂隙發(fā)育；雨季地下水易沿溶洞及上方位置滲流、滴水。建議圍巖級別為Ⅴ級；5.3～74.17m段圍巖主要為中風化灰?guī)r，巖體較完整，局部裂隙發(fā)育，巖質較硬，渣樣灰白灰?guī)r，回水灰白色；鉆進過程中沒發(fā)現(xiàn)新的溶洞，圍巖自穩(wěn)性較好，雨季地下水易沿裂隙面滲流、滴水。建議圍巖級別為Ⅲ級。
四、結語
隨著隧道工程施工的逐步深入，采用有效準確的預報方法探測預測隧道掌子面前方地質體及其狀態(tài)，為施工方開挖提出相應的建議，保障隧道施工安全，保護生命財產(chǎn)安全成為參建各方的重中之重。超前鉆探技術作為隧道超前地質預報方法中必不可少的一部分，在隧道施工中能直接、準確探測前方圍巖狀況，特別是在設計地勘資料與現(xiàn)場實際環(huán)境嚴重不符且圍巖呈變差趨勢、其他預報手段預測出不良地質體又難以確定位置和規(guī)模、巖溶發(fā)育區(qū)、瓦斯發(fā)育地段、需釋放水壓力和水量的富水裂隙帶和斷層、需釋放地應力的高地應力段等都發(fā)揮有不可替代的作用。但超前鉆探技術因鉆探距離短、占用施工時間長、費用高等缺點大都充當其他預報手段的輔助驗證應用。
隨著鉆機和機具的不斷更新發(fā)展，超前鉆探技術在預報工作中的不斷實踐和總結，鉆探技術將在隧道和預報方法中發(fā)揮更加積極地作用。
