隧道超前地质预报水平冲击钻探取芯措施

2022-07-25余杰

四川建材 2022年7期

余杰

(四川蜀通港口航道工程建设有限公司，四川南充 637000)

0 前言

隧道的挖掘工作中，必须了解前方的地质情况，而水平冲击钻探取芯作为一种可以直观反映前方地质状况的方法，在目前的隧道超前地质预报中应用比较广泛，尤其在复杂地质结构下具有非常强的应用效果。为了能进一步提升该技术的应用水平，还需要加强对相关技术措施的研究，提升钻探取芯工作的速度和精度，满足隧道挖掘工作的要求。

1 水平冲击钻探取芯和钻探预报原理

1.1 水平冲击钻探取芯原理

水平冲击钻探取芯技术是在潜孔锤钻凿原理的基础上发展出的潜孔锤钻取样技术，具有钻进速度快、成孔率高的特点。通过在潜孔锤的下部增加取芯钻具，完成取样钻进的工作[1]。开展隧道超前地质预报水平冲击钻取芯技术时，会使用空压机、隧道取芯钻机、钻杆和钻头，为了确保施工效率，还会使用其他辅助工具开展工作。

1.2 隧道超前地质预报

隧道超前地质预报的主要作用在于探测隧道开挖前方的地质状况，是水平钻探取芯工作的重要手段，尤其在高风险隧道的挖掘中，隧道超前地质预报工作和隧道开挖工作交替进行，以保证隧道开挖可以得到超前预报所提供的数据和信息，保证隧道掘进的安全性，减小施工过程中受到的环境干扰[2]。超前预报可以让施工技术人员直观地了解前方地层岩芯的情况，直观地观察地层的岩性，从而对地下有害气体、特殊地层的构造做出判断，优化掘进方案，保证隧道施工的安全性和流畅性。

1.3 水平冲击钻围岩地质预报原理

冲击钻探时预报前方围岩结构地质情况的工作中，会对钻探过程中现场观察记录和钻探机钻进工作记录的综合分析，分析钻进工作的难易程度，从而完成对岩体地质特征的推测工作。钻探过程中现场观察主要记录的护具包括钻探的施钻、终钻的时间，记录钻进过程中钻进深度、钻进速度、冲洗液颜色、返渣颗粒大小和形状等特征，并且分析钻探过程中出现的卡钻、跳钻、坍孔等异常情况。钻机自带的记录系统会记录钻进过程中的推进压力、转速、进水量、扭矩、排水量等因素[3]。通过综合各类钻探记录内容，可以判断前方断面在孔位范围内的岩体地质状况，之后利用初始钻探掌子面围岩地质情况和其他前期地质勘测资料，可以比较全面地完成对钻探段内隧道断面岩体地质状况的预测。

2 水平钻探超前地质预报应用范围和应用条件

获取地下地质结构信息时，还包括探地雷达、瞬变电磁仪等设备，但是相对而言水平钻探能更好地反应地质实际情况，因此适用范围较广。

2.1 应用范围和条件

2.1.1 应用范围

1)如果现场的地质结构比较复杂，存在构造异常的问题，围护等级为Ⅳ级或者Ⅴ级的洞段，应该使用超前钻探法。

2)如果掌子面方向的一定距离内已经发现有潜在的富水体，或者在隧道周围存在暗河，并且赋存水压或者体积比较大，导致水文地质条件比较复杂的地段。

3)在掌子面方向，已经探明或者有可能存在溶洞或者坑洞，并且溶洞的规模比较大，填充多而且发育程度比较高，容易出现突水、突泥风险的洞段。

4)若使用其他物探方法发现存在明显异常，或者并不能有效预报的洞段，也必须使用水平钻探超前地质预报[4]。

2.1.2 应用条件

需要超前预报的距离在100 m以内，如果情况特殊，可以将预报距离提升到150 m。开展水平冲击钻取之前，应该保证掌子面和周围围岩的状态稳定，避免钻取工作开始后出现安全风险。由于钻探过程中需要进行调整，所以掌子面应该预留足够的空间。

2.2 超前预报钻探方法对比

目前常用的水平冲击钻探超前预报的方法包括取芯地质钻、顶锤式回转冲击钻和潜孔回转冲击钻，表1为几种方法在工程中的对比。

表1 超前钻探方法对比

2.3 预报信号解译

采集所获得的所有参数都是相对于钻进掌子面围岩状况的相对值，所获得非参数的绝对值仅仅在相近区域参考性比较强；地层的具体情况应该根据现场的记录进行判定[5]。所获得的数据中，只有自动钻进获得的数据才具有参考意义，对各类数据进行分析时，参考顺序为钻进速度、扭矩、推进力、旋转速度。而且在解译信号的工组中，不能仅仅关注某一点的数据变化情况，而是应该综合整体不同数据的变化规律，实现对地层状况的综合判断。

3 水平冲击取芯钻具

隧道超前地质预报水平冲击的钻具主要包括双重管冲击取芯钻具、三重管冲击取芯钻具。

3.1 双重管冲击取芯钻具

双重管冲击取芯钻具由冲击器、双层钻具和取芯钻头构成，其中双层钻具管包括钻具外管和钻具内管，外管是使用整体特指材料构成的钢管，钻具的内管由2个半合管构成。内管的2个半合管合称为一个整体后，将其装入到钻具外管中，构成双重管冲击取芯钻具，钻具的下部连接取芯钻头，上部和冲击器连接，冲击器再连接钻杆，最终构成双重管取芯钻具。钻进施工的过程中，取芯钻头破取岩石之后，获得的岩芯会进入到钻具的内管中，利用钻具的双层结构可以有效保护岩芯，外管能够承受外部的冲击和扭矩，避免外部冲击直接损害岩芯，还能提升水平超前冲击钻的钻芯速度，满足岩芯采取率。

3.2 三重冲击取芯钻具

三重冲击取芯钻具包括三重管钻具、取芯钻头和冲击器三部分组成，三重取芯管使用了双管取芯的设计原理，在制作上使用了3层管结构，能进一步保护岩芯。在结构上，三重取芯管包括钻具内管、钻具中管和钻具外管，可以满足隧道水平超前冲击取芯钻进的要求，并且拥有比较快的钻进速度，因此，在岩芯采率上更高，能极大程度延长钻具的使用寿命。

钻具的内管使用了2个特制的半合钢管，钻进取芯过程中获得的岩芯将被装入到岩芯的内管中[6]。能避免岩芯在钻进过程中受到干扰，并且可以保证岩芯的采取率，因此，钻进的速度较高，而且能满足岩芯质量控制要求。

钻具中管是一个完整的钢管，和钻具内管连接紧密，中管可以对内管进一步加固，避免岩芯装入内管过程中钻具内管由于不能承受压力导致胀开。

钻具外管会包裹钻具中管和内管的组合，保护钻具中管、内管不受到外部冲击作用影响，并且也传递着水平钻进工作过程中的冲击力和扭矩。

4 水平冲击取芯钻进钻机和辅助技术

由于水平钻进过程中所遇到的情况是变化的，为适应不同条件下的水平取芯钻进要求，还需要进一步完善钻具，以及使用一些辅助技术解决钻进过程中的问题。选择钻机时，也要根据要求进行选择，满足冲击钻探取芯对转速、扭矩等方面的要求，保证能够完成地质情况的超前预报。

4.1 混合动力系统

钻机在使用过程中应该符合操作容易的要求，因此，一般都会对设备进行轻量化设计，改进钻机的工作中，应该使用轻量化的设计理念开展设计工作，对钻机进行模块化和轻量化设计，还能满足快装的功能，提升现场的灵活性。钻机进出隧道施工现场，或者施工现场并没有电力系统驱动钻机时，可以使用柴油机代替满足隧道超前地质预报取芯和冲击钻探取芯的要求，并节约工程的施工时间。

4.2 使用水平冲击钻探辅助平台

在隧道内部进行施工需要满足快速施工需求，进入和撤出隧道方便的要求，所以可以在钻机的底板设置钻杆、钻具的安放平台。操作台的底部应该设置工具箱，保证所有的施工钻杆、钻具以及其他工具进出现场方便快捷，能快速完成施工工作面的撤离工作。

4.3 除尘装置

隧道内进行水平冲击钻作业时，将会有很多粉尘产生，会影响周围的环境，还会直接危害作业人员的身体健康，也不利于作业的进行。为此应配置除尘装置(见图1)，减少冲击钻作业过程中的粉尘，钻芯作业过程中，将水装入到除尘装置水箱，然后在水箱的上部通入高压风，在施工过程中水箱随着高压风一同进入到冲击器中，通过钻头底部进入到孔底中，润湿隧道内的空气，达到去除粉尘的目的。

图1 除尘装置

4.4 岩芯快速退取

将岩芯装入到岩芯管终止后，钻具的内管会受到岩芯的挤压作用向外膨胀，所以钻具内管和中管之间会有比较大的摩擦作用，会增加人工退芯的工作难度，不利于工作进行。因此，可以使用液压设计原理，使用钻机自身的液压系统进行岩芯的快速退取。快速退取装置安装在钻机的尾部，通过钻具中管外部插入到内部，然后用油缸顶住钻具的内管，利用液压将钻具的内管从钻具中管推出，快速完成岩芯退取工作。