孔內(nèi)成像系統(tǒng)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

寧 建 強(qiáng)

(中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 太原 030032)

孔內(nèi)成像系統(tǒng)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

寧 建 強(qiáng)

(中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 太原 030032)

介紹了超前地質(zhì)鉆孔孔內(nèi)成像系統(tǒng)的組成與技術(shù)特點(diǎn)，并以南扎隧道工程為例，采取了孔內(nèi)成像輔助超前鉆探的方法，并闡述了具體的工藝流程及操作要點(diǎn)，針對(duì)孔內(nèi)成像檢測(cè)易出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了解決策略。

隧道，孔內(nèi)成像系統(tǒng)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，掌子面

在隧道工程的設(shè)計(jì)與施工階段，對(duì)穿越有可能的復(fù)雜不良地質(zhì)地段時(shí)，利用地質(zhì)鉆機(jī)輔助孔內(nèi)成像系統(tǒng)在山體、施工掌子面上進(jìn)行地質(zhì)勘探和超前鉆探預(yù)報(bào)，以查清穿越段落的巖性、不良地質(zhì)類型及分布情況。隧道施工穿越不良地質(zhì)段通常采用超前地質(zhì)鉆孔、TSP203、地質(zhì)雷達(dá)和紅外線探測(cè)儀進(jìn)行聯(lián)合地質(zhì)預(yù)報(bào)，并認(rèn)真作好地質(zhì)素描，不斷積累和豐富新的地質(zhì)資料，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，為隧道施工安全提供保障。

1 超前地質(zhì)鉆孔孔內(nèi)成像

1.1 孔內(nèi)成像系統(tǒng)概述

隧道工程目前主要采用長(zhǎng)中短相結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方式，長(zhǎng)指TSP203，中指超前地質(zhì)鉆孔，短指加深炮孔，其中超前地質(zhì)鉆孔最直觀，起到的超前探測(cè)作用最為主要。超前水平鉆通過(guò)鉆機(jī)鉆進(jìn)速率，鉆孔內(nèi)流出的鉆液、鉆屑等判斷前方圍巖巖性，但這還是不夠直觀的查看前方的圍巖情況，若進(jìn)行鉆孔取芯，則工藝復(fù)雜，施工時(shí)間較長(zhǎng)，在要求快速施工的前提下，對(duì)施工進(jìn)度十分不利。現(xiàn)場(chǎng)采用由深圳唯科公司生產(chǎn)的V8-3388PT型柔性推桿管道檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)前方圍巖進(jìn)行直觀的查看，通過(guò)將系統(tǒng)的攝像頭通過(guò)柔性推桿送入水平鉆孔內(nèi)，隨攝像頭移動(dòng)逐米查看前方圍巖，直觀觀察圍巖的巖性、裂隙、成孔情況等，依此判斷掌子面前方圍巖情況?？變?nèi)成像系統(tǒng)主要由終端數(shù)據(jù)處理器、數(shù)據(jù)電纜、高清攝像探頭等設(shè)備組成，各部件見(jiàn)圖1～圖5。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

1)正常施作超前地質(zhì)鉆孔，施工速度快，操作簡(jiǎn)便；2)鉆機(jī)退鉆后，可適時(shí)施作孔內(nèi)成像，時(shí)間自由，不耽誤現(xiàn)場(chǎng)施工；3)唯科V8-3388PT型系統(tǒng)所自帶高清攝像頭，直接查看鉆孔內(nèi)各處圍巖情況，直觀、清晰，提高地質(zhì)判別準(zhǔn)確率；4)自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員即可施作。

2 孔內(nèi)成像在隧道超前地質(zhì)鉆孔預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

大瑞鐵路保瑞六標(biāo)在全線隧道施工中使用孔內(nèi)成像技術(shù)輔助超前地質(zhì)鉆孔進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，效果顯著。下面以南扎隧道的使用情況介紹孔內(nèi)成像在隧道超前地質(zhì)鉆孔預(yù)報(bào)中的應(yīng)用效果。

2.1 南扎隧道概況及地質(zhì)條件

南扎隧道位于大瑞鐵路芒市戛中—瑞麗區(qū)間，隧道進(jìn)口里程D3K319+745，出口里程D3K321+440，全長(zhǎng)1 695 m。隧道洞身主要穿越地層巖性為白云巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等裂隙水發(fā)育的地層，巖溶現(xiàn)象發(fā)育，段內(nèi)巖體破碎、地下水豐富，施工期間出現(xiàn)大量的滲出水，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。因此這就要求在施工中，能夠提前探知這些風(fēng)險(xiǎn)，以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論來(lái)指導(dǎo)施工，選擇合理的施工參數(shù)，妥善處理突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，保證施工安全。

2.2 孔內(nèi)成像輔助超前鉆探實(shí)施方法

超前鉆孔孔內(nèi)成像數(shù)據(jù)的收集、分析是與超前鉆孔的實(shí)施同步進(jìn)行，每循環(huán)的鉆探觀測(cè)深度控制在30 m～50 m為宜。采用QZJ-100D/A型鉆機(jī)正常施作超前地質(zhì)鉆孔，所施作鉆孔均須帶一定的仰角，以便將孔內(nèi)鉆屑、泥渣、水等清出孔外，以便孔內(nèi)成像的施作。鉆孔到位并退鉆后，進(jìn)行孔內(nèi)成像施作，收集孔內(nèi)影像數(shù)據(jù)。將孔內(nèi)成像設(shè)備中的高清攝像頭放入孔口，通過(guò)柔性推桿向孔內(nèi)推送攝像頭，同時(shí)開(kāi)啟終端顯示的抓拍、錄像功能。柔性推桿上設(shè)置有長(zhǎng)度標(biāo)尺，隨攝像頭向孔內(nèi)前進(jìn)，終端顯示屏實(shí)時(shí)顯示孔內(nèi)圍巖情況，現(xiàn)場(chǎng)操作人員、技術(shù)人員根據(jù)顯示內(nèi)容，記錄異常位置孔深?？變?nèi)成像施作完成后，將終端內(nèi)所記錄的孔內(nèi)情況錄像拷貝到電腦上，并結(jié)合鉆孔情況進(jìn)行掌子面前方圍巖情況分析，做出正確的開(kāi)挖指導(dǎo)意見(jiàn)。

2.3 工藝流程及操作工藝

1)工藝流程。施工準(zhǔn)備→施作超前地質(zhì)鉆孔→退鉆、鉆孔設(shè)備退場(chǎng)→施作孔內(nèi)成像收集數(shù)據(jù)信息→結(jié)合鉆孔記錄、影像數(shù)據(jù)分析編制超前鉆孔地質(zhì)預(yù)報(bào)報(bào)告→對(duì)開(kāi)挖提出指導(dǎo)意見(jiàn)。

2)施作超前地質(zhì)鉆孔。作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)作業(yè)臺(tái)架或平整施工場(chǎng)地，將QZJ-100D/A型鉆孔設(shè)備調(diào)運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，并按照設(shè)計(jì)與規(guī)范要求進(jìn)行超前鉆孔施工。鉆孔完成后，退鉆并將設(shè)備調(diào)離現(xiàn)場(chǎng)，通知超前地質(zhì)預(yù)報(bào)人員施作孔內(nèi)成像。超前地質(zhì)鉆孔作業(yè)見(jiàn)圖6。

3)施作孔內(nèi)成像。超前鉆機(jī)退鉆后，施作孔內(nèi)成像。對(duì)于退鉆后孔內(nèi)流渾水的鉆孔，須等水質(zhì)變清澈后進(jìn)行孔內(nèi)成像施作，以免影響施作質(zhì)量。柔性推桿推送攝像頭時(shí)，應(yīng)保持緩慢勻速，以便查看各段圍巖情況。攝像頭推送操作人員，應(yīng)根據(jù)柔性推桿上所標(biāo)注的尺標(biāo)，實(shí)時(shí)報(bào)述推進(jìn)長(zhǎng)度，后方終端處操作人員，根據(jù)顯示器上所顯示孔內(nèi)情況，記錄不良地質(zhì)發(fā)生位置，并指導(dǎo)推送人員的操作?？變?nèi)成像施作見(jiàn)圖7。

孔內(nèi)成像設(shè)備操作流程：孔內(nèi)成像供電電壓為220 V，通過(guò)設(shè)備自帶的變壓器連接現(xiàn)場(chǎng)220 V供電配電箱，開(kāi)啟終端，攝像頭自帶照明自動(dòng)打開(kāi)，終端顯示器顯示攝像頭拍攝內(nèi)容。在操作人員將攝像頭放入超前鉆孔孔口后操作終端機(jī)開(kāi)始錄像、抓拍孔內(nèi)影像，孔內(nèi)檢測(cè)完成在攝像頭返程拉出鉆孔孔口后停止錄像并保存。

4)超前地質(zhì)鉆孔成像分析。超前鉆孔過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)鉆進(jìn)速率、孔內(nèi)流出鉆液、鉆屑等記錄鉆孔原始記錄，作為后期超前鉆孔分析的依據(jù)。超前鉆孔完成后，適時(shí)施作孔內(nèi)成像，利用孔內(nèi)成像的記錄，結(jié)合超前鉆孔原始記錄，對(duì)本次超前鉆孔所揭示的地質(zhì)情況進(jìn)行分析，并提出現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖施工指導(dǎo)意見(jiàn)。將孔內(nèi)成像的記錄錄像從終端拷貝至電腦，回放孔內(nèi)全程錄像，仔細(xì)查看鉆孔孔型、孔壁圓潤(rùn)程度、圍巖巖性、顏色、節(jié)理裂隙發(fā)育、出水、坍孔、擴(kuò)孔等情況，并結(jié)合上述情況做出判斷。孔內(nèi)成像錄像內(nèi)容見(jiàn)圖8～圖13。從南扎隧道開(kāi)挖過(guò)程中揭露的實(shí)際地質(zhì)情況經(jīng)掌子面素描對(duì)比，實(shí)際地質(zhì)情況圍巖分布、作業(yè)面出水情況基本與超前鉆孔孔內(nèi)成像收集、分析的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)信息一致，滿足南扎隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)需求。

2.4 易出現(xiàn)的問(wèn)題及控制措施

在孔內(nèi)成像檢測(cè)實(shí)施過(guò)程中因各種因素易出現(xiàn)卡鉆、鉆孔長(zhǎng)度不足、孔內(nèi)成像不清晰等問(wèn)題，具體的控制措施如下：1)卡鉆：鉆孔過(guò)程中應(yīng)連續(xù)不間斷，保持鉆桿線形平順，盡量避免卡鉆情況出現(xiàn)，若出現(xiàn)這種情況，退鉆后在該孔旁邊重新鉆孔。2)鉆孔長(zhǎng)度不足：嚴(yán)格記錄鉆孔長(zhǎng)度，主要通過(guò)鉆桿進(jìn)入鉆孔長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算。3)孔內(nèi)成像不清晰：退鉆后等孔內(nèi)流出的渾水變清澈后進(jìn)行孔內(nèi)成像施作，在施作前將探頭透鏡清理干凈，保證探頭照明完好。

3 結(jié)語(yǔ)

大瑞鐵路項(xiàng)目目前所有隧道施作的超前鉆孔地質(zhì)預(yù)報(bào)均已采用孔內(nèi)成像系統(tǒng)進(jìn)行輔助地質(zhì)探查、分析，取得效果良好。通過(guò)采用孔內(nèi)成像系統(tǒng)對(duì)超前地質(zhì)水平鉆孔孔內(nèi)情況觀察、分析，為掌子面前方圍巖及不良地質(zhì)情況的確定起到了良好的輔助作用，通過(guò)對(duì)孔內(nèi)孔壁、孔型、裂隙等情況的觀察、分析，較直觀的判斷圍巖、不良地質(zhì)情況，及時(shí)修正開(kāi)挖和支護(hù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)施工指導(dǎo)意義重大，達(dá)到施工過(guò)程安全、合理、經(jīng)濟(jì)。通過(guò)工程實(shí)例實(shí)施和應(yīng)用取得的較好效果，表明孔內(nèi)成像系統(tǒng)是對(duì)超前地質(zhì)鉆孔預(yù)報(bào)方法很好的輔助和完善，是超前預(yù)報(bào)中一種新穎的預(yù)報(bào)手段，為孔內(nèi)成像系統(tǒng)在隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的全面推廣應(yīng)用提供參考借鑒。

[1] Q/CR9217—2015，鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] TZ 204—2008，鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].

Application of drilling imaging system in advanced tunnel geology forecast

Ning Jianqiang

(ChinaRailway17thBureauGroup5thEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030032,China)

The paper introduces composition and technological features of advanced geology drilling imaging system. Taking Nanzha tunnel engineering as an example, it adopts drilling imaging and advanced drilling method, describes specific technological procedures and operation points, and finally puts forward solving strategies in light of drilling imaging system detection problems.

tunnel, drilling imaging system, advanced geology forecast, tunnel face

1009-6825(2017)03-0176-02

2016-11-15

寧建強(qiáng)(1982- )，男，工程師

U456.33

A