超前水平钻机在山区隧道中应用研究

文/黄江涛

1 前言

近年来，随着社会经济发展和交通基础设施建设的快速推进，南方山岭地区的高速公路建设进入大规模发展时期。线路标准的提高导致展线逐步减少，并被长大隧道取代，使得隧道长度占线路总长比例明显增加，在多山地区经常形成山区隧道群，遇到的施工地质条件也愈加复杂[1]。喀斯特山区地质情况复杂多变，而设计阶段的地质勘查工作比较粗糙，往往在隧道掘进过程中才能发现各种不良地质情况。因不能提前了解隧道前方地质情况而未能及时采取相关预防措施，以至于施工中经常出现塌方、涌水、突泥等各种工程事故。不仅影响工程进度，增加工程造价，甚至可能会演变成严重施工安全事故。因此，对隧道施工中岩溶的发育情况及时准确地预报是保证施工安全，减少突水、突泥等灾害事故的有效途径。在岩溶发育山区，要实现安全施工，合理的处治溶洞。溶洞的位置、走向、大小等隧道施工条件，不仅仅受隧道断面问题影响，还和所处的地质条件有着密切联系。但受到工程建设工期、安全性等要求影响，对围岩环境稳定性要求很好，特别是掌子面。

为此，工程建设者可采用超前钻探方式，通过最为直接的超前地质预报，来提高探测的质量效果。具体来说，就是利用设备经钻孔钻进速度来对岩芯进行观察测试，进而获取掌子面前方岩石强度、完整性以及可钻性等指标数据。山区隧道群岩溶发育区施工危险性较高，想要安全施工，确保后期运营的质量，对溶洞的位置、大小、形状、充填情况及其与隧道交汇关系的把握就非常关键，而超前地质钻探是探测把握岩溶发育一系列情况最为有效的一种方法，因此在山区隧道群岩溶发育区施工中超前钻探的施作就显得尤为重要。

2 超前水平地质钻机在隧道群中的施工技术

2.1 超前水平地质钻机在岩溶发育隧道群中的施工方法

对于隧道施工建设所处的岩溶发育灰岩地区，作业过程大概率会遭遇溶洞，这不仅增加了施工操作的危险性。一旦遭遇溶洞群是大规模形式，岩溶水丰富，将大幅增加涌水、突泥灾害的发生。对现场作业的人员与设备将造成难以预计的损伤与危害。但受当前科学技术水平与造价工期等问题影响，对可能产生的问题进行勘察与处理是不现实的。为此，隧道施工建设者只能将地质调查法作为基础，并综合运用物探手段，来使超前水平钻进的作业效果起到事半功倍的作用。

2.1.1 钻孔布置

岩溶隧道的超前水平钻探多在平导进行，将超前钻探纳入施工工序，每30m 一个循环，纯钻孔时间5～9h，辅助时间1～2h，干扰施工时间6～11h。对于经综合物探测试指出的隧道正洞岩溶特别发育地段，钻孔布置不少于6～9 个。

2.1.2 分析判断及成果

主要根据钻进时间和长度，计算钻进速度，推断围岩软硬情况；根据返回液的颜色、浓度，碴颗粒大小、成分、颜色、岩性等判断围岩的岩性、强度情况；根据卡钻、跳钻、坍孔情况判断围岩破碎、溶洞情况；根据钻机油泵压力、孔口水压、流速、水量等推测水头压力、涌水量大小；根据钻孔取芯可直观了解围岩节理、裂隙等发育状况；根据钻孔注水、充气、漏水试验，可以了解连通性。

2.2 超前水平地质钻机在隧道围岩优化变更过程应用研究

贺州至巴马高速公路，为达到隧道安全施工目标，采用具有超前地质预报与取芯功能的多功能钻机，大幅强化了预报预警工作开展效率、效果。

都安至巴马高速公路弄楼二号长度为1646m，最大埋深约291m，弄楼三号隧道长度为1538m，最大埋深约343m。施工过程中，该两隧道部分洞段的实际围岩级别与地勘成果不一致，共327 米，导致部分洞段的支护类型需要连续变更。为确保工程安全和质量，按工程项目的管理要求，在隧道施工阶段需对支护类型变更洞段的围岩进行检测，并对围岩级别重新进行详细划分。

通过钻探法查明隧道围岩的不良地质、在钻孔内测试围岩岩体的弹性纵波速度、取岩石芯样作岩体RQD*值统计、截取岩石芯样进行室内岩石单轴抗压强度试验和岩石弹性纵波速度测试[2]。此外，根据地质雷达法探测结果，对推断有重大不良地质异常区进行钻探验证。

根据地质钻探及岩石芯样试验结果等资料的综合解释结果，所钻探检测弄楼二号隧道、弄楼三号隧道支护类型建议变更洞段的围岩详细分级结果除ZK395+195～ZK395+182与YK396+077～YK396+085 段外，地质雷达探测结论与其余所钻探检测隧道段围岩详细分级结果均有不同程度的偏差。对比结论分析：钻探263 米有263 米实际围岩与原设计不一致；地质雷达超前预报结论263 米有242 米存在结论偏差，准确性低于超前钻探。

2.3 超前水平地质钻机在伏龙隧道常年涌水段处治过程中应用

2.3.1 溶洞揭露及涌水情况

伏龙隧道位于大化县古河乡弄法村以西约700m，隧道走向约为294°，为分离式长隧道，右线设计长度为2892m，左线设计长度为2857m，进、出口隧道路面设计高程分别约为239.1m、220.9m。2019年1月20日，伏龙隧道右洞上台阶掘进至YK399+678，进尺542m，埋深160m，设计为Ⅲ级围岩，围岩整体性较好，但左拱腰处有部分泥质充填，于凌晨2∶03 开始涌水，水量较大且急，水质较浑浊，1.65*0.7m的中心水沟满灌（设计已加宽水沟），持续3 小时后，于5∶07 分水量慢慢变小，并于9∶30 停止出水，累积出水时间为7 个半小时。

随着不断的挖掘，于2019年3月6日，在YK399+700 上台阶右拱脚处揭露出一直径约2.5m，高度未知的溶洞。该溶洞沿拱顶方向延伸，水流沿岩溶裂隙流出，水质较清，流量约为1200ml/s。预埋4 根φ150PVC 管（但未回填砼），3月7～8日下雨后，水量明显增大，水中含泥量大，有粉细砂颗粒。

2.3.2 物探及钻孔情况

针对伏龙隧道涌水病害，对涌水位置附近进行了物探及钻探，采用地质雷达对YK399+694+709 段纵横向进行了探测，结果显示初支背后溶隙发育，深度在2～20m 不等，采用C6钻机对YK399+693、698、703、730 断面进行了钻探，结果显示溶洞的发育高度在5～10m 之间。其中730 断面2 点钟发现钻孔1 小时后出水，水质浑浊，含泥量大，且钻探数据表明溶洞有从右向左发育的趋势，与岩层发育方向相符。

2.3.3 处理方案比选

项目先后邀请了多位专家对伏龙隧道涌水病害进行了现场勘察，提出了三点基本判断：涌水段附近存在大溶腔；该溶洞涌水受地表降水补给明显，与地表连通；涌水含粉细砂，存在高风险[3]。

鉴于伏龙隧道涌水量大，泥、粉细砂含量较高，如处理不好到雨季或在后期运营过程中可能出现水害，具有高风险，该病害亟须处治。四方初步建议伏龙隧道病害处治应“以排为主，辅以抗水压衬砌”，收集好基础资料，邀请专家召开评审会确定处治方案。

经各方充分讨论后，做出了如下调整：

拆除伏龙隧道右线YK399+700 溶洞处边墙钢架，并对溶腔进行适当扩挖，采用埋设抽芯管将岩溶水经沉沙池沉淀后引排至中心排水沟，抽芯管采用土工布包裹，具体参数以设计变更图纸为准。

YK399+696～YK399+720 段设置抗水压衬砌，具体参数以设计变更图纸为准。

施工过程中应加强监测，施工后期加强对排水效果进行跟踪观测，进一步对地下水进行调查，当未能达到预期处治效果时，及时上报并采取应对措施。

3 总结

3.1 超前水平地质钻机在隧道围岩优化变更过程应用

3.1.1 超前水平地质钻机的运行速度快，多数工程的风险隧道地层环境，超前预报设备钻进一个50m 的孔需要3h，作业一个断面的3个孔需要9h。这比其他类型钻机所用的15h实现大大提升了、据统计，每个月能够节约1天时间花费在开挖作业上。

3.1.2 涌水较大的施工地段，只有超前水平钻机能够正常运行，其他潜孔类钻机无法实现操作。具体施工可为全断面帷幕注浆作业提供上百个注浆孔与空气孔，深度超出30m。从时间维度来看，超前水平地质钻机完成操作只要10 天，其他类型设备至少15 天，甚至不够。

3.1.3 在着手施工隧道工程破碎段时，可将超前水平钻机一次操作至少30m，以解决施工作业循环的时间。其他钻机设备，只能操作20m，故，选用水平钻机时最佳方案。

3.1.4 隧道坍塌的救援，需在制定救援计划前，为被困人员提供食物、空气和水，以最大限度地提升救援的成功率。

3.1.5 经分析获取的超前预报数据，能够对后续施工项目内容的安全性进行调整。如采取性能质量相对应的材料、设备以及现场施工方法。

3.2 常年涌水段溶洞处治

处治溶洞，就是遵循“先探测，再处治”原则，以为后续制定有针对性的方案提供依据。具体就需要采用物探及钻探等手段对隧道岩溶情况进行探测。此外，还要按照岩溶发育程度，和岩溶地质对隧道工程施工建设的影响，采用不同的处治措施。以求达到“保证施工安全、确保结构稳定、保障安全运营”的目的。

岩溶隧道涌水段处治过程注意事项：

3.2.1 处治前期仅施做初支，动水压力大，建议水小后初支变形段及时增设复拱及斜向支撑，避免初支坍塌。

3.2.2 若涌水受地表水补给明显，建议对相应地表进行排查，是否存在大型天窗或落水洞。

3.2.3 若附近二衬出现渗水、检查井出现反水现象，该段的中心水沟可能阻塞，条件允许后应及时清理水沟淤积泥沙。

3.2.4 加快前方车行横通道的施工，在大雨期间可通过车行横通道进入掌子面施工。

3.2.5 洞外水沟需加宽加大，并增大纵坡，以利于排水。

3.2.6 加强涌水段的监控量测，并做好紧急预案。

4 结语

综上所述，伴随基础设施建设环境的日趋复杂，隧道工程施工建设的质量直接决定了工程能否满足建设使用需求。科学技术人员应加大对不良地质环境勘察技术的运用力度，并结合实际情况采用对应的超前预报方法，以最大程度地提升工程项目建设使用的安全可靠性。如此，后续进行的开挖、支护等作业，就能不受环境不稳定性因素影响。如，前方突水、突泥问题，均不会对施工现场带来安全威胁。故，相关建设者应将上述分析内容与科研结果以针对性状态运用于不同建设环境的隧道工程施工，以服务于现代化经济建设的全面发展进程。