超前水平鉆孔在銅鑼山隧道施工中的應(yīng)用

李 陽(yáng)，徐 晨

(1.四川路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司機(jī)械化施工分公司，四川成都610200;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都611756)

在我國(guó)西南部，尤其是四川地區(qū)，隧道工程建設(shè)往往受到地形地貌條件和地質(zhì)條件的制約，特別是復(fù)雜的地質(zhì)條件可能誘發(fā)的多種地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重地影響施工進(jìn)度，增加成本，甚至?xí)斐芍卮蟮氖鹿?，其中比較常見(jiàn)的災(zāi)害形式主要有:巖溶、巖爆、突水、突泥、大變形、斷層、瓦斯等。

在隧道設(shè)計(jì)和施工前必須由具有相應(yīng)資質(zhì)的勘察單位對(duì)擬建設(shè)工程地質(zhì)條件進(jìn)行專業(yè)詳盡勘察，得出工程地質(zhì)圖作為隧道設(shè)計(jì)和施工的重要依據(jù)。但是，由于巖土體和水體的復(fù)雜性、多變性以及勘察條件的限制，在實(shí)際開(kāi)挖中所揭露的圍巖情況與勘察資料有較大出入，使隧道施工的安全性無(wú)法保障，如果沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)囊?guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)手段，極有可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重人員傷亡，悲慘例子舉不勝舉。

因此采用科學(xué)的、先進(jìn)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)隧道開(kāi)挖工作面前方的地質(zhì)構(gòu)造，準(zhǔn)確查出隧道掘進(jìn)方向的圍巖性狀，結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，特別是溶洞、斷層、破碎帶和含水情況等，減少隧道施工的盲目性，是隧道施工和地質(zhì)工作的重要任務(wù)。

“物探先行，鉆探驗(yàn)證。”為準(zhǔn)確獲取掌子面前方開(kāi)挖地質(zhì)信息，超前水平鉆孔是一種傳統(tǒng)可靠的探測(cè)方法，它最直接揭示了掌子面前方15～30 m的地質(zhì)特征，準(zhǔn)確率高，起到很好的作用。超前水平鉆孔使用地質(zhì)水平鉆機(jī)，對(duì)掌子面前方未開(kāi)挖巖體進(jìn)行直接鉆孔，通過(guò)巖芯、鉆速、鉆進(jìn)壓力、扭距判斷前方巖體地質(zhì)特征，并可以通過(guò)加入鉆孔聲波水壓力等預(yù)測(cè)技術(shù)，預(yù)測(cè)涌水量和涌水壓力。

1 工程概況

南充～大竹～梁平(川渝界)高速公路項(xiàng)目位于川東南充和達(dá)州市境內(nèi)，其中銅鑼山隧道穿越銅鑼山山脈，隧道長(zhǎng)5 023.5 m(平均)，隧道進(jìn)、出口均穿越煤層及煤層采空區(qū)，富存瓦斯等有害氣體，且判定為高瓦斯隧道。隧道中部穿越巖溶發(fā)育的三疊系嘉陵江組(T1j)和雷口坡組(T2l)地層，巖溶發(fā)育。

銅鑼山隧道地下水主要為碎屑巖類裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水;洞身位于水平循環(huán)帶內(nèi)，巖溶及巖溶水極其發(fā)育;銅鑼山隧道正常涌水量為20×104m3/d，最大涌水量59×104m3/d;洞身巖溶分布規(guī)模不均，施工中遇高水壓、涌水(突泥)的風(fēng)險(xiǎn)性極高;銅鑼山隧道距供核心區(qū)生活用水的青眼洞巖溶泉和五峰山水庫(kù)(大氣降雨入滲補(bǔ)給)水平最短距離1.7 km，二者高差167 m，水力坡降9.82%。隧道開(kāi)挖后，青眼洞巖溶泉及五峰山水庫(kù)水可能通過(guò)F2斷裂帶進(jìn)入隧道，甚至被疏干，發(fā)生涌水突泥等施工事故以及不可逆轉(zhuǎn)的生態(tài)破壞的可能性較大，施工難度較大。

綜上所述，銅鑼山隧道是典型的富水、巖溶、瓦斯突出、地層條件復(fù)雜的隧道。

2 測(cè)試基本原理及方法

2.1 基本原理

在隧道施工掌子面進(jìn)行超前水平鉆孔，由鉆進(jìn)速度測(cè)試、巖芯采取率統(tǒng)計(jì)、鉆孔巖芯鑒定和巖芯試件強(qiáng)度試驗(yàn)、鉆孔出水情況觀察來(lái)確定隧道施工掌子面前方巖體的巖性、含水情況、地層巖石的軟硬程度、巖體完整性及可能存在的斷層、空洞的分布位置，從而進(jìn)行隧道施工掌子面前方地質(zhì)預(yù)報(bào)。

通過(guò)鉆進(jìn)揭露來(lái)判定掌子面前方的地質(zhì)情況:鉆進(jìn)速度的高低可以反映圍巖的堅(jiān)硬程度，一般硬質(zhì)巖中鉆進(jìn)速度較慢，軟質(zhì)巖較快，空洞位置，鉆速急劇加快，在斷層破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育巖體中，卡鉆現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致鉆進(jìn)速度較慢;巖體的完整性系數(shù)、巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育情況可通過(guò)對(duì)巖芯采取率的統(tǒng)計(jì)來(lái)反映，一般它們之間成正比關(guān)系;對(duì)鉆孔巖芯的鑒定用來(lái)判斷各巖性地層在隧道前方圍巖中位置及其在洞軸線方向上的長(zhǎng)度等;巖芯強(qiáng)度測(cè)試可以判定掌子面前方不同巖性地層的巖石強(qiáng)度;對(duì)鉆孔是否出水和出水量大小的判斷，可以推測(cè)掌子面前方是否存在含水體。

2.2 超前鉆孔方案及準(zhǔn)備

隧道目前正在穿越須家河組地層，掌子面圍巖以泥質(zhì)砂巖為主，局部夾黑色碳質(zhì)砂巖(鑒定為煤炭)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部含小型溶蝕腔、縫，掌子面右下部發(fā)育輕微褶皺擠壓變形。本次水平鉆探掌子面里程為K136+940。根據(jù)目前銅鑼山出口右線的開(kāi)挖情況，掌子面有大量黑色碳質(zhì)砂巖，巖體的總體完整性較差，穩(wěn)定性較差。因此，為確保施工安全順利，決定對(duì)銅鑼山隧道出口右線進(jìn)行鉆孔取芯，確定圍巖情況。鉆孔采用水平取芯和傾斜取芯的方式，鉆孔具體實(shí)施的基本參數(shù)如下。

2.2.1 鉆孔的位置及個(gè)數(shù)

本次鉆孔預(yù)設(shè)1#、2#共2個(gè)探測(cè)孔位進(jìn)行鉆探并取芯，具體位置如圖1所示。

圖1 掌子面探孔(1#，2#，)位置正視圖

2.2.2 孔深

鉆孔深度不小于30 m。

2.2.3 巖芯直徑

本次鉆探所用鉆頭規(guī)格為:Φ108合金鉆頭、Φ94合金鉆頭、Φ77金剛石鉆頭。巖芯直徑有DN92、DN80和DN65三個(gè)規(guī)格巖芯。

2.2.4 鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)情況

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)小組鉆孔工作人員進(jìn)場(chǎng)(附帶鉆孔機(jī)器設(shè)備及相應(yīng)的工具)并通過(guò)質(zhì)量安全檢查。在開(kāi)鉆前對(duì)機(jī)器的調(diào)試、現(xiàn)場(chǎng)的觀察和與施工方進(jìn)行溝通交流并確保電源、水源的順利接入，同時(shí)對(duì)放機(jī)位置進(jìn)行整平并設(shè)立好穩(wěn)定的臺(tái)架，以便能順利的鉆出能準(zhǔn)確體現(xiàn)巖層狀況的巖芯。鉆進(jìn)準(zhǔn)備情況如圖2所示。

圖2 鉆進(jìn)準(zhǔn)備情況

2.3 超前鉆孔地質(zhì)編錄

1#～2#孔的實(shí)際完孔深度如表1所示?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試巖芯分布如圖3、圖4所示。1#孔實(shí)際完孔深度35.8 m，實(shí)際鉆進(jìn)地質(zhì)編錄及巖心分布情況如表2所示，2#孔實(shí)際完孔深度35.7 m，實(shí)際鉆進(jìn)取芯情況及巖芯地質(zhì)編錄如表3所示。

表1 鉆孔匯總表

圖3 1#巖芯分布

圖4 2#巖芯分布

3 超前鉆孔綜合評(píng)述

3.1 超前水平鉆探結(jié)論

(1)本次鉆進(jìn)過(guò)程中，共完成取芯71.5 m的超前探孔，基本獲得了隧道掌子面前方30 m左右(K136+940～K136+910)的圍巖、裂隙分布及涌水情況。

(2)掌子面前方巖體K136+931～Z4K136+915里程段圍巖破碎夾雜少量煤炭，鉆孔取出巖芯節(jié)理發(fā)育。K136+921～K136+918取芯率及RQD值較低，圍巖極為破碎(疑似采空)。

(3)K136+940～K136+931段巖體主要為砂質(zhì)為主，巖體較完整，局部較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力一般，但鉆孔從K136+921開(kāi)始有基巖裂隙水滲出，隨著鉆孔加深，水沿鉆孔底部滲出，分析認(rèn)為，該水來(lái)源主要為基巖的裂隙水，沿后方破碎巖體產(chǎn)出。

(4)1#、2#孔內(nèi)均有裂隙水滲出，而且鉆孔過(guò)程有含瓦斯及一氧化碳(co)溢出。

表2 銅鑼山隧道出口右線鉆孔1#(K136+940)地質(zhì)編錄表

表3 銅鑼山隧道出口右線鉆孔2#(K136+940)地質(zhì)編錄表

3.2 施工建議

(1)在開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)施工通風(fēng)及有毒有害氣體檢測(cè)，注意觀察瓦斯及有毒有害氣體濃度的變化，若濃度超標(biāo)，要求立即撤走所有施工人員，確保人身安全;

(2)由于圍巖K136+931～Z4K136+915，取出巖芯破碎，施工前超前支護(hù)，施工過(guò)程中短進(jìn)尺，弱爆破，盡可能減少爆破對(duì)圍巖的影響，開(kāi)挖過(guò)程中注意頂部掉快，塌方，遇到問(wèn)題需采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施;

(3)圍巖在裂隙水的沖刷過(guò)程中極易被軟化，建議在施工中加強(qiáng)局部的初期支護(hù)措施，并及時(shí)進(jìn)行支護(hù);

(4)加強(qiáng)隧道變形監(jiān)測(cè)，加大監(jiān)測(cè)頻率，監(jiān)測(cè)斷面及時(shí)跟進(jìn)，視拱頂沉降和邊墻收斂情況，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù);

(5)本次鉆孔僅代表掌子面局部情況，施工中如有變化按照實(shí)際情況采取措施施工。

3.3 評(píng)價(jià)

超前水平鉆孔技術(shù)作為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)中重要的一種手段，為整個(gè)隧道施工提供了最直接、準(zhǔn)確的地質(zhì)數(shù)據(jù)，同時(shí)起到了良好的災(zāi)害預(yù)警作用。實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)掌子面圍巖整體較破碎，為泥質(zhì)砂巖含煤層區(qū)，局部采空，與預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致，由于采取了超前支護(hù)措施，施工順利進(jìn)行。

超前水平鉆探技術(shù)與物探方法相比較，超前水平鉆探技術(shù)直觀性和客觀性等優(yōu)點(diǎn)，有效避免了物探解譯過(guò)程中的不確定性，但其占用隧道施工時(shí)間長(zhǎng)，影響施工進(jìn)度，且費(fèi)用較高，亦存在以小見(jiàn)大不能完全探明掌子面前方圍巖分布情況等缺點(diǎn)。因此，在復(fù)雜地質(zhì)條件下長(zhǎng)大隧道施工中，需要將傳統(tǒng)鉆探方法和先進(jìn)物探手段相互配合、揚(yáng)長(zhǎng)避短，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，進(jìn)一步提高隧道超前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和便捷性，達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。同時(shí)在進(jìn)行隧道綜合施工地質(zhì)預(yù)報(bào)方法選擇中，應(yīng)把建立與工程實(shí)際相適應(yīng)的綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)作為研究重點(diǎn)，在預(yù)報(bào)過(guò)程中做到準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、高效、及時(shí)。

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