多功能鉆機(jī)在鐵路隧道施工中的應(yīng)用分析

吳復(fù)青

（中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京市 101300）

1 工程概況

太原至焦作鐵路起自太原樞紐太原南站，途經(jīng)山西省會(huì)太原市、晉中市、長治市、晉城市，河南省焦作市，終點(diǎn)為焦作站，并與鄭焦城際貫通。線路長度358.761km，其中山西省境內(nèi)325.350km，河南省境內(nèi)33.411km。共有隧道2座，總長度15127m，其中白北隧道4457m，榆社隧道10670m。榆社隧道全長13421m，最大埋深342m，與線路DK73+700、DK76+500及 DK78+920處設(shè) 1號(hào)斜井、2號(hào)斜井及3號(hào)斜井；其中洞門50m，正洞Ⅲ級(jí)圍巖4020m，Ⅳ級(jí)圍巖4485m，Ⅴ級(jí)圍巖2165m。榆社隧道區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，共經(jīng)過22條發(fā)育斷層，其中9條為實(shí)測斷層，13條為物探推測斷層，斷層地質(zhì)條件復(fù)雜。同時(shí)在隧道區(qū)進(jìn)口段（DK70+710）左側(cè)有一大沖溝與隧道并行，溝內(nèi)常年有流水，隧道施工時(shí)涌水量較大；隧道表層土具濕陷性，對(duì)于洞口濕陷性土應(yīng)進(jìn)行地表加固處理。隧道 DK79+880～DK80+100、DK80+830～DK81+040長距離地表和隧道出口淺埋易發(fā)生崩塌落石，施工防護(hù)工程量大。文章重點(diǎn)對(duì)多功能鉆機(jī)在鐵路隧道施工中的應(yīng)用進(jìn)行分析和探討。

2 隧道施工存在的施工風(fēng)險(xiǎn)及安全措施

2.1 隧道施工風(fēng)險(xiǎn)

依據(jù)相關(guān)的勘測和施工資料，經(jīng)過分析，可以對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率以及風(fēng)險(xiǎn)事件會(huì)帶來的后果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。經(jīng)過充分研究該隧道相關(guān)的氣候、環(huán)境、水文、地層巖性、原始勘測數(shù)據(jù)以及地址構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)該隧道存在的風(fēng)險(xiǎn)主要是：

該隧道某兩段記為Ⅰ段和Ⅱ段，因?yàn)棰穸魏廷蚨紊皫r、節(jié)理發(fā)育以及頁巖夾煤層。含煤地段，偶爾會(huì)檢測到涌現(xiàn)出來的瓦斯，而且瓦斯在此地段十分容易發(fā)生集聚，在具體施工過程中，存在極大瓦斯涌現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)棰穸蔚膸r石塊體積相對(duì)較小，形狀更為破碎，隧道在進(jìn)行施工時(shí)，如果施工地段處于圍巖相對(duì)破碎的地段或者發(fā)生了非可溶性巖石與可溶性巖石相互接觸，地下水源和隧道水源會(huì)發(fā)生貫通融合，那么隧道在施工的過程中，會(huì)對(duì)地下水產(chǎn)生襲奪，給環(huán)境造成一定的污染。這種情況，在隧道施工的過程中，極有可能發(fā)生突泥突水的情況，隸屬于高風(fēng)險(xiǎn)[1]。

Ⅰ段和Ⅱ段因?yàn)楣?jié)理發(fā)育、砂巖以及頁巖夾煤層，存在很大的涌水量，在隧道進(jìn)行施工的過程中，極有可能發(fā)生塌方，隸屬于高風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樵谒淼朗┕み^程中，不同的地區(qū)具有不同的地質(zhì)情況，通常復(fù)雜的地址情況會(huì)給施工帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)，如果對(duì)某些環(huán)節(jié)稍微不注意，就很容易釀成嚴(yán)重的安全事故。

2.2 隧道多功能鉆機(jī)的選擇

但是如果在開挖工作之前，可以對(duì)地質(zhì)情況、排水情況以及支護(hù)措施進(jìn)行充分的調(diào)查研究，可以有效降低安全事故的發(fā)生概率，所以，施工設(shè)備的選擇十分重要。根據(jù)該隧道工程的具體情況，使用意大利生產(chǎn)的C6RAD10多功能鉆機(jī)進(jìn)行施工。

3 隧道施工過程中多功能鉆機(jī)的具體應(yīng)用

3.1 超前地質(zhì)鉆探

超前地質(zhì)鉆探施工辦法也就是MWD施工法，這種施工方法更具系統(tǒng)性，具體的工作原理是：憑借對(duì)鉆機(jī)鉆孔過程中所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)詳細(xì)的測定與分析，對(duì)子面前方的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行確定，比如地質(zhì)屬于軟還是硬，有沒有涌水的發(fā)生，施工環(huán)境有無溶洞情況等。

MWD施工法相關(guān)施工特點(diǎn)：自動(dòng)采集裝置對(duì)相關(guān)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)生成曲線圖標(biāo)，然后顯示器可以及時(shí)地反應(yīng)這些所采集到的數(shù)據(jù)和曲線圖標(biāo)，相關(guān)工作人員在進(jìn)行鉆孔作業(yè)的過程中，需要隨時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化，一旦數(shù)據(jù)有異常顯示，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整后方可繼續(xù)施工。

在鉆探進(jìn)行的過程中，施工人員還可以隨時(shí)將鉆探數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)卡上進(jìn)行保存，方便后期的研究分析工作。在本隧道進(jìn)行施工的過程中，工作人員需要注意，每進(jìn)行30m的鉆探工作后，需要鉆3個(gè)探孔在拱部及拱腳兩側(cè)的位置。同時(shí)，施工過程需要充分考慮地下水壓的相關(guān)情況，在具體施工的過程中，每次循環(huán)預(yù)留6m巖盤，然后進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)鉆探工作，旨在為了保證掌子面的結(jié)構(gòu)可以承擔(dān)最大注漿壓力以及最大的地下水壓[2]。為了能夠適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)的鉆探工作，設(shè)計(jì)了一體化動(dòng)力錘，平均需要2～3h就可以快速地鉆探30m，改善了過去的設(shè)備因?yàn)樗畨哼^大不能進(jìn)行鉆探工作的弊端。

3.2 沖擊式鋼絲繩取芯工法

（PS-WL），即沖擊式鋼絲繩取芯工法，應(yīng)用這種方法時(shí)，不需要將鉆桿拔出，就可以憑借一個(gè)取芯器，對(duì)巖層以水平或者垂直方向進(jìn)行連續(xù)、快速的取鉆工作。之所以不將鉆桿拔出，是為了避免孔壁坍塌，這類工作方法更加適合對(duì)軟弱破碎巖層進(jìn)行取芯。另外，如果該方法增加沖擊功能，就可以對(duì)質(zhì)地相對(duì)較硬的砂礫層以及鵝卵石進(jìn)行快速的取芯。該方法相對(duì)應(yīng)的工作過程為：（1）對(duì)試驗(yàn)巖石或者作業(yè)巖石進(jìn)行鉆孔工作；（2）和鋼絲繩水轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接；（3）和取芯打撈器進(jìn)行連接；（4）憑借水壓對(duì)打撈器進(jìn)行壓送；（5）對(duì)取芯器進(jìn)行回收；（6）和交換用取芯器進(jìn)行連接；（7）將取芯器進(jìn)行壓送；（8）和鉆桿進(jìn)行連接，然后即可實(shí)施鉆孔作業(yè)。施工時(shí)主要會(huì)用到卷揚(yáng)機(jī)、取芯器、鋼絲繩、打撈器、水轉(zhuǎn)換器等配件。取芯效果示意見圖1。

3.3 超前帷幕注漿堵水作業(yè)

3.3.1 鉆孔出水情況分析

圖1 取芯效果

在進(jìn)行超前鉆孔時(shí)，探孔的出水點(diǎn)處于某背斜巖溶槽谷段，隧道斜上方巖石狀態(tài)為破碎帶飽水區(qū)，整體長度為260m。破碎帶和隧道相交的位置是恰好過了飽水區(qū)，另外，超前探孔有部分高壓地下水涌出。出水位置的水文情況和地質(zhì)情況見圖2。

圖2 出水位置的水文情況和地質(zhì)情況

3.3.2 超前帷幕注漿

超前帷幕注漿過程中主要用到鉆注一體機(jī)、注漿泵、注漿機(jī)等設(shè)備，注漿堵水工法的施工工藝和優(yōu)點(diǎn):憑借鉆桿，不管是套管注漿還是單管注漿，多功能鉆機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)。注漿堵水工法不僅可以大大提升工作效率，還可以很大程度的降低施工成本。

超前帷幕注漿使用普通水泥-水玻璃雙液漿、硫鋁酸鹽水泥單液漿、普通水泥單液漿等作為注漿材料。

在進(jìn)行注漿施工方法的選擇時(shí)，需要因地制宜，依據(jù)不同的地質(zhì)情況進(jìn)行選擇，本隧道所選擇的是施工方法是注漿堵水，該施工方法具體采用了三種工法：分別為后退分段式注漿、前進(jìn)式注漿、孔口注漿，孔口注漿施工方法主要適用于圍巖相對(duì)完整，碎軟巖石量少，水壓較小的施工條件；前進(jìn)分段注漿通常適用于水壓較大的施工條件；后退式分段注漿通常更加適用于水壓較小，圍巖破碎的施工條件。在多功能鉆機(jī)內(nèi)部通常設(shè)置有單向閥，在鉆孔過程中，地下容易出現(xiàn)涌水的情況，防突裝置的設(shè)置就是為了避免此類情況的發(fā)生而設(shè)置。另外，為了避免高壓地下水會(huì)通過系統(tǒng)空間進(jìn)入施工環(huán)境，需要在鉆機(jī)上進(jìn)行止水閥以及密封裝置的安裝[3]?？卓谥顾b置的設(shè)置，需要依據(jù)不同的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置。

3.4 初支表面徑向注漿

依據(jù)具體的實(shí)際地質(zhì)情況，施工條件允許的情況下，選擇徑向注漿。

本隧道在進(jìn)行徑向注漿的過程中，有3個(gè)邊界條件：水文條件：斷面涌水總量不超過100m3/h，超前探孔單孔涌水量不超過30m3/h；地質(zhì)條件：不適合在動(dòng)水條件下進(jìn)行溶洞的填充工作；軟弱段長度條件：涌水破碎段的長度不超過3m。在徑向注漿過程中，憑借多功能鉆機(jī)進(jìn)行施工的優(yōu)勢有：如果水壓較大，多功能鉆機(jī)可以合理地提升注漿壓力，有效地止水；鉆孔工作完成后，從孔底完成注漿，防止初期的支護(hù)設(shè)備發(fā)生開裂；節(jié)省了止?jié){閥以及孔口管的安裝時(shí)間，提高工作效率的同時(shí)，大大降低了施工成本[4]。

3.5 隧道底板加固止水

本隧道底板下方出現(xiàn)了一些地質(zhì)問題，包括采空、涌水和溶腔。多功能鉆機(jī)因?yàn)椴僮髌饋砀鼮殪`活，且可以多角度進(jìn)行施工，在解決這類問題上，發(fā)揮了充分的作用。在溶腔、采空區(qū)進(jìn)行處理的過程中，需憑借雷達(dá)進(jìn)行探測，然后依據(jù)相應(yīng)的探測結(jié)果對(duì)溶腔和采空區(qū)進(jìn)行加固回填。在回填的過程中，必須確定有打孔注漿的相關(guān)參數(shù)，如范圍和深度等，才可以進(jìn)行注漿，完成相關(guān)工作后，取芯，對(duì)注漿效果進(jìn)行檢測。

3.6 過煤礦采空區(qū)管棚施工

在管棚施工過程中，多功能鉆機(jī)應(yīng)用的是套管作業(yè)，也就是為了防止孔壁坍塌，先不撤出內(nèi)桿，待套管鉆進(jìn)后方能撤出，帶內(nèi)桿撤出后，插入杠桿，然后將外桿拔出。如果是針對(duì)軟地層的施工，必須憑借邁式管棚桿直接進(jìn)行鉆進(jìn)工作。如果采空區(qū)內(nèi)部大都為松散渣體，使用普通的鉆機(jī)很難完成鉆孔工作，及時(shí)鉆孔成功，但是因?yàn)閹r體松散，也很難成功安裝管棚[5]。而多功能鉆機(jī)的應(yīng)用可有效解決這個(gè)難題。

3.7 搶險(xiǎn)救助

如果遇到危險(xiǎn)情況，可以及時(shí)對(duì)險(xiǎn)情區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘測，然后再進(jìn)行地質(zhì)改良以及支護(hù)工作。如果出現(xiàn)塌方地帶發(fā)生阻隔，受困人員需要空氣等救助物資，這時(shí)就需要憑借套管作業(yè)實(shí)施援救。

4 結(jié)語

綜上所述，多功能鉆機(jī)具有鉆進(jìn)速度快、鉆力強(qiáng)、可靠性高、鉆孔范圍大、施工噪音低、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，特別適合進(jìn)行地質(zhì)情況復(fù)雜的長大隧道施工。隨著人們對(duì)隧道施工安全要求日益提升，采用多功能鉆機(jī)不僅可以顯著提升施工效率，而且可以節(jié)省施工成本，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，本工程采用多功能鉆機(jī)施工后取得了良好的施工效果，保證了施工質(zhì)量和施工安全，有效解決了不良地質(zhì)情況下隧道施工過程中遇到的安全風(fēng)險(xiǎn)，為類似隧道工程積累了施工經(jīng)驗(yàn)，值得類似工程借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

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