基于隧道掌子面炮孔钻进的超前地质预报技术研究

瞿 竹，姬同旭，田湖南

(1.贵州三独高速公路建设有限公司，贵州 独山 558200；2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550081；3.中科院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071)

0 引言

随着我国水电、交通、矿山等行业工程建设的迅猛发展，越来越多的隧道修建在地质环境复杂的岩层中。在复杂地质条件下隧道开挖过程中，由于前方地质条件不清，不能提前做出预防，坍塌、冒顶、涌水、突泥等地质灾害时有发生，造成的财产损失和人员伤亡巨大。因此，施工期隧道开展超前地质预报工作尤为重要。目前常用的各类超前地质预报的物探方法都有其局限性[1-2]，由于地质环境的复杂性和物探方法本身的多解性，基于间接法的超前预报和结构探测的精度还不是很高，需要融合直接法，形成多方法多设备综合探测和超前地质预报技术体系。因此寻找新方法、新技术，从而进一步完善隧道超前地质预报的体系[3-15]。

钻孔过程中钻具与岩土体进行直接接触，钻具响应信息综合反映了岩土体的力学性质，钻具响应信息中隐藏的大量地质资料，可用于分析、测定岩土体的力学参数和空间分布，是进行地层界面识别和围岩级别划分的重要参考指标。现阶段在岩土工程领域的钻具响应信息并没有被收集，造成了数据资源的极大浪费。眼鉴于此，本研究基于气动凿岩机破岩原理提供一种操作方便、费用低廉且较为可靠高效的隧道超前地质预报方法，可以进行实时的超前地质预报。炮孔是钻爆法开挖隧道钻爆开挖法施工过程中的必须环节，炮孔数量大、钻进快，不另外占用施工时间，研究表明炮孔钻进过程中的相关参数与前方围岩质量有非常密切的联系，本研究充分利用隧道炮孔钻进中的相关参数信息，采集并建立参数与围岩质量的关系，结合掌子面地质情况，对掌子面前方围岩级别进行预报。

1 岩石抗钻系数模型建立

1.1 气动凿岩机破岩原理

气动凿岩机破岩利用钻进过程中的冲击荷载作用破碎岩石，是一种常见的碎岩方式。在冲击荷载下，岩石内的微裂隙、空隙等受到挤压，相对的空间被迫减少、错动，从而产生新的裂隙，岩石表面先形成裂纹，随着冲击作用进行，产生承压核，发育成破碎坑最终导致岩石破碎[16]。

1.2 抗钻系数

由破碎的过程可知，冲击过程中，消耗的能量主要用于使岩石发生各种形变破碎、钻杆钻头与岩石的摩擦、钻杆冲击岩石时抵消回弹做功等，其中有效的破岩消耗能量是造成各种岩石变形的能量。当钻机相同时，这部分能量消耗只与岩石自身力学性质有关，是岩石抵抗钻凿破坏能力的重要标志[17]。

试验针对岩石抵抗钻凿破坏的能力进行研究，因每种级别的围岩物理力学性状不同，单位体积破碎功是不同的，在相同条件下，某一种围岩单位体积的破碎功是一个定值，它不仅反映了围岩抗破碎的属性，也能反映围岩综合物理力学特征[18]。

基于钻进破岩的能量观点，引入的岩体抗钻系数，用于刻画不同岩体级别围岩的综合物理特性指标。设破碎岩石总体积为V;单位时间(钻机冲击功为W;钻杆的质量为m;考虑到因钻进过程钻机能量传导、钻杆钻头与岩石的非必要摩擦、抵消冲击回弹、钻头剪切破岩等消耗一部分钻机能量，引入效能系数u表示钻进破岩能量转化的有效系数。破岩总体积V取决于钻头底面积A，钻进速率v以及钻进时间t，根据能量守恒定律有：

Avtq=umaΔstf,

(1)

式中，t为钻进时间；q为单位体积岩石破碎功；Δs为钻杆单次冲击位移(冲程)；f为冲击频率；a为振动加速度。

(2)

式中，K为抗钻系数，在相同的钻机条件下，抗钻系数K与钻进速率v、振动加速度a相关；u为钻进破岩能量转化的有效系数。

2 典型围岩级别标准数据库

2.1 建立围岩级别标准数据库

建立典型围岩级别的抗钻系数数据库{Ki}(i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，分别表示Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩，下同)，抗钻系数值越大，则围岩性质越好，i表示的数字越小。通过在i级围岩中进行多次炮孔钻进并获得钻进信息，由式(2)计算得到一系列抗钻系数Ki1，Ki2，Ki3，…，Kin，从而得到i级围岩的抗钻系数数据库{Ki}。对i级围岩的抗钻系数数据库{Ki}内的数据Ki1，Ki2，Ki3，…，Kin，根据概率统计方法进行数据筛选，筛选后的数据可以作为抗钻系数标准数据库{Ki}。根据中心极限定理，认为i级围岩的抗钻系数数据库{Ki}内的数据Ki1，Ki2，Ki3，…，Kin服从正态分布。

(3)

取置信水平为95%的置信区间值，则z=1.96，即抗钻系数的置信区间为：

(j=1， 2， 3，…，n)。

(4)

将计算所得数据纳入抗钻系数标准数据库，形成i级围岩的抗钻系数标准数据库{Ki}。

2.2 建立围岩级别标准数据库判别标准

对采集的钻进参数根据式(2)计算抗钻系数K，然后与上述建立的抗钻系数标准数据库{Ki}进行对比，计算待测抗钻系数K值的所在范围区间，若计算的抗钻系数指数K∈(min{Ki}，max{Ki})，(i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ)，即式(4)区间，则可以认为该钻进段的基本围岩级别为i级。根据掌子面现场围岩的情况和岩石的点荷载强度、单轴抗压强度的判别，与计算抗钻系数得到的围岩级别进行对比、验证，对抗钻系数标准数据库{Ki}进行修正，再将隧道开挖后的实际围岩级别结合采集到的数据扩充到抗钻系数标准数据库{Ki}中，这样在下次预报的时候，可以利用丰富的抗钻系数标准数据库{Ki}，提高数据库的准确性。

3 参数获取

为获取围岩级别标准数据库相关参数，本研究设计一套随钻监测设备，随钻监测设备示意图见图1。

图1 设备示意图Fig.1 Schematic diagram of equipment

安装于气动凿岩机上，采集钻进速率、振动加速度的实时数据，利用隧道开挖过程中普遍的炮孔钻进信息，即钻进速率、振动加速度、振动频率，绘制钻进时间与炮孔钻进信息的关系曲线图，建立典型的围岩抗钻系数标准数据库，构建围岩级别与炮孔钻进信息的关系，实现不良地质体探测与岩体基本质量判别等功能，形成隧道掌子面炮孔钻进的短距离地质预报信息系统。

4 现场测试

为验证设备和系统工作的稳定性和可靠性，本研究选取贵州在建三独高速的紫林山隧道ZK36+177掌子面处(设计围岩级别为Ⅲ级)和罗平隧道YK26+670(断层带，设计围岩级别为Ⅴ级)、ZK27+077掌子面处(设计围岩级别为Ⅳ级)作为依托点进行现场测试工作。通过在不同围岩级别的炮孔钻进过程中采集信息，分析认证钻进速率、振动加速度、振动频率与围岩级别的关系，根据炮孔钻进破岩原理的研究，利用提出的建立岩石抗凿钻能力模型的方法，采用抗钻系数公式进行计算，分析隧道现场围岩级别，与地质预报结果进行比对，为建立抗钻系数标准数据库扩充数据量。

4.1 钻进速率

经过现场炮孔钻进试验，采集钻进深度数据，建立钻进深度——时间曲线，取紫林山隧道掌子面ZK36+177、罗平隧道掌子面ZK27+077、罗平隧道YK26+670断层3处典型炮孔钻进信息，根据钻进深度变化量ΔL除以钻进时间变化量Δt，即：v=ΔL/Δt，可以计算得到钻进速率，对散点图拟合趋势线，可以得到钻进速率的平均值。经统计，紫林山隧道Ⅲ级围岩的钻进速率取值范围为0.18～0.26 m/min；罗平隧道Ⅳ级围岩的钻进速率范围为0.25～0.45 m/min；罗平隧道Ⅴ级围岩的钻进速率范围为0.49～0.55 m/min。

对3个炮孔的平均钻进速率进行比较发现罗平断层钻速最快，罗平掌子面钻速次之，紫林山隧道掌子面钻速最慢，根据钻进速率越快，围岩强度越差，可以得到3个测试地点的围岩强度有明显的差异。

4.2 振动加速度

分析钻进试验中典型的振动加速度波形图(图2)，由图可以看出，整个凿岩过程可以用一系列振动加速度的波形进行体现。从振动加速度波形中可以看出，每次冲击波形的持续时间与YT-28气动凿岩机的冲击周期相一致，大约为25～30 ms，可以反映振动加速度传感器采集的数据具有可靠性。在凿岩机单次冲击破岩过程中，钻杆的运动状态可以分为冲击段、钻杆回程段和再次冲击段3个阶段，为准确建立振动加速度与围岩级别的关系，本研究选取冲击段作为主体数据进行分析研究。

图2 钻机三次冲击破岩振动加速度曲线Fig.2 Acceleration curve of rock vibration caused by 3 impacts of drill

对3个炮孔的典型振动加速度波形进行比较发现，紫林山掌子面ZK36+177炮孔、罗平掌子面YK27+077炮孔、罗平断层ZK26+670炮孔，3者的振动加速度均值和振动加速度极值均依次减小，根据凿岩机破岩原理的分析研究，可知振动加速度越大，凿岩机破岩所做冲击功越多，围岩强度越大，围岩级别就好。

表1 冲击段振动加速度采集数据Tab.1 Collected vibration acceleration data of impact section

4.3 振动频率

当单次冲击做功一定时，岩体质量越好，所反映的振动强烈程度也就越明显，所以在钻进的信息中，振动强烈程度可以作为识别岩体基本质量的重要指标，而振动强烈程度可以由岩石的振动频率所反映。所以利用冲击段振动加速度波形进行频谱分析，通过傅里叶变换可以得到对应的振动频率并绘制典型的冲击振动频谱图，得到相应的主频范围。

通过对3个不同掌子面振动频率的统计进行分析来看，3个冲击段振动加速度主频范围有明显的差别，且岩体质量级别与振动主频具有正相关，振动主频范围高的岩体质量较好。根据(表2)可以看出，冲击段振动加速度、振动主频率与围岩级别具有明显的相关性，反映为主频范围区间值、振动加速度值越大，围岩的质量越差。

表2 冲击段主频范围与振动加速度、围岩级别关系表Tab. 2 Relationship of main frequency range of impact section with vibration acceleration and surrounding rock level

4.4 围岩级别

对紫林山掌子面Ⅲ级围岩、罗平掌子面Ⅳ级围岩、罗平断层Ⅴ围岩3地的炮孔钻进速率、冲击段主频范围、冲击段振动加速度进行统计汇，确定其钻进速率、冲击段主频范围、冲击段的取值范围(见表3)。

表3 不同级别围岩的围岩钻进速率、钻进振动主要参数范围Tab.3 Main parameter ranges of drilling speed and of drilling vibration of different levels surrounding rock

取冲击段加速度均值进行抗钻系数的计算，并且确定不同级别围岩的抗钻系数区间，建立抗钻系数标准数据库{Ki}。通过式(2)利用冲击段振动加速度均值和钻进速率计算不同围岩级别的一系列抗钻系数，并通过式(4)求可信度为95%的正态分布区间，可以得到如下抗钻系数范围

(5)

式中，K1，K2，K3分别为Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩的抗钻系数区间。由于数据样本较少的原因，抗钻系数区间存在重叠部分，如计算结果在重叠范围内，需结合现场掌子面情况综合判定。

紫林山隧道ZK36+177后半段与罗平隧道YK27+077后半段和YK26+670的Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩钻进信息数据，重复上述计算步骤，对YT-28型气动凿岩机抗钻系数标准数据库进行验证，如表4所示。

表4 YT-28型气动凿岩机抗钻系数标准数据库验证计算表

验证结果表明，上述YT-28型气动凿岩机抗钻系数标准数据库结果较好，计算得到的抗钻系数K值均属于对应的围岩抗钻系数范围区间。通过钻进速率、振动加速度计算抗钻系数，具有较好的判断围岩基本级别的能力。

5 结论

(1)进行岩石的可钻性研究，证明了岩石的可钻性与钻进速度v、振动加速度a以及振动频率f有直接的关系，引入了岩石抗钻系数，并且建立了岩石抗钻系数的关系式，建立了不同级别围岩的岩石抗钻系数标准数据库，完成了隧道掌子面炮孔钻进短距离地质预报的理论研究。

(2)研发了一套随钻监测设备，应用于气动凿岩机，随钻设备可采集钻机钻进速率v、振动加速度a的实时数据，由监测单元储存并无线传输给接收单元(笔记本电脑等)，接收单元加载了钻进信息采集软件，可以显示振动加速度波形与钻进深度的动态变化情况。

(3) 将采集到的钻进速率v，振动加速度a的时间变化绘制二维曲线图，并将振动信号进行傅里叶变换，进行信号的频谱分析。构建了岩体级别和钻进信息的定量关系，可以在较短时间内用来判别围岩级别，探测前方不良地质体情况。

(4) 在贵州三独高速罗平隧道、紫林山隧道等隧道进行推广应用，并初步建立了基于围岩岩石类型为石英砂岩的不同级别围岩的岩石抗钻系数标准数据库。同时与开挖现场的地质报告进行比对，完善了数据库。