豎井反井法先導(dǎo)孔超前地質(zhì)預(yù)測施工技術(shù)

方凱

摘要： 隨著長大隧道的不斷建設(shè)，現(xiàn)代豎井施工的難度也越來越大，工期卻越來越緊。豎井施工前的地質(zhì)預(yù)報就成為保證施工安全，確保按期完工的最重要的環(huán)節(jié)之一。通省隧道2#豎井采用反井施工法，可以運用系統(tǒng)工程的思想，分三次進行地質(zhì)預(yù)測：第一次，開工前的地質(zhì)調(diào)查及鉆孔測量；第二次，導(dǎo)孔施工時，分析鉆孔渣料及鉆孔數(shù)據(jù)；第三次，擴孔施工時，進行渣量和出水量的統(tǒng)計，綜合分析圍巖狀況。利用系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，在不占用正常施工時間的情況下，完成對豎井的地質(zhì)分析預(yù)測預(yù)報工作。

Abstract： With the continuous construction of long tunnels， the construction of modern shafts has become more and more difficult， and the construction period has become tighter and tighter. Geological forecasting before shaft construction becomes one of the most important steps to ensure construction safety and ensure completion on schedule. The 2# vertical shaft of Tongsheng Tunnel adopts the anti-well construction method and can use the thought of system engineering to carry out geological prediction in three phases： the first geological survey before drilling and borehole measurement； the second time， the drilling slag and drilling data were analyzed during the construction of the guide hole； for the third time， during the hole expansion， the statistics of slag amount and water output were carried out to comprehensively analyze the surrounding rock condition. Using the relevance of the system， the geological analysis and prediction of the shaft is completed without taking up normal construction time.

關(guān)鍵詞： 反井法；先導(dǎo)孔；地質(zhì)；預(yù)測預(yù)報

Key words： anti-well method；pilot hole；geology；forecast

中圖分類號：U453.8 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）19-0139-03

1 工程概況

通省隧道為湖北省十堰至房縣高速公路上的特長隧道，是十房高速公路的控制性工程。隧道為分離式雙洞隧道，兩洞軸線相距48.6m。隧址區(qū)域地形復(fù)雜，山嶺險峻，峰巒疊嶂，最大埋深約500m。左線設(shè)計長度6900m，右線設(shè)計長度6873m。設(shè)計采用豎井方式進行運營通風(fēng)，該隧道共設(shè)2處豎井，豎井地質(zhì)為武當(dāng)群片巖，地下水為孔隙水和裂隙水，水量受季節(jié)性影響。1號豎井中心位置位于左線ZK111+440，豎井深度約218m，直徑為8.5m。2號豎井中心位置位于YK114+820，豎井深度約為308m，直徑為9.2m。其中我合同段負責(zé)通省隧道2號豎井的施工任務(wù)。通省隧道豎井在導(dǎo)孔鉆進的過程中出現(xiàn)了卡鉆，并最終導(dǎo)致初始鉆孔廢棄，因此，我們對前期的地質(zhì)勘探重新評估，并著手進行基于豎井反井施工過程的系統(tǒng)地質(zhì)分析預(yù)測工作。

2 地質(zhì)調(diào)查與鉆孔測量

地質(zhì)調(diào)查是對不良地質(zhì)的一種宏觀預(yù)報，以深入的地面地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，通過區(qū)域不良地質(zhì)分析方法，宏觀預(yù)報施工地質(zhì)災(zāi)害的類型和發(fā)生的可能性，并對豎井筒體施工可能遇到的不良地質(zhì)類型、規(guī)模、大約位置和方向做初步的預(yù)測。鉆孔測量是在豎井位置附近鉆設(shè)勘探孔，較為準(zhǔn)確的預(yù)報豎井所在位置地質(zhì)及水文狀況。

2.1 地質(zhì)調(diào)查和鉆孔測量結(jié)果

通省隧道2#豎井地質(zhì)調(diào)查結(jié)果：豎井處于揚子通北緣和秦嶺-大別造山帶的交接部位，屬揚子板塊及北緣構(gòu)造帶的一部分。在長期的地質(zhì)發(fā)展演化進程中，經(jīng)歷了多期次、多階段的變質(zhì)作用和巖漿活動，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。該區(qū)地表水主要受大氣降水控制，水量隨季節(jié)變化很大，總體上水量一般。地下水主要有淺表層孔隙水和基巖裂隙水。孔隙水主要為大氣降水補給，而基巖富水性相對較弱，地下水水位隨地勢起伏而變化。

鉆孔測量后進一步確定：井口段1-15m主要為碎石夾粘土和強風(fēng)化片巖，結(jié)構(gòu)松散破碎；井身55-110m為武當(dāng)群強風(fēng)化云母片巖，結(jié)構(gòu)較破碎；井身其他圍巖段為中元古界武當(dāng)山群第二組的中風(fēng)化～微風(fēng)化片巖，主要礦物成分為鈉長石、云母、石英等。

2.2 導(dǎo)孔鉆進時鉆機參數(shù)的確定

圍巖狀況及相應(yīng)導(dǎo)孔鉆進的參數(shù)見表1。

實際的鉆孔參數(shù)還要在導(dǎo)孔鉆進的過程中不斷的調(diào)整，以達到理想的鉆孔速度并最大限度的避免鉆孔事故的發(fā)生。正常鉆進時要保持勻速，避免忽快忽慢，平穩(wěn)鉆進，如出現(xiàn)漏液或返液減小，返渣量異常等情況，要及時停鉆，調(diào)整鉆井液的成份和比例，必要時采取灌漿等特殊處理措施。

3 導(dǎo)孔施工期地質(zhì)分析預(yù)測

導(dǎo)孔施工期地質(zhì)分析預(yù)測是反井施工地質(zhì)預(yù)測最重要的一環(huán)。主要是分析導(dǎo)孔渣料和鉆進時的鉆壓、鉆速及斜率等數(shù)據(jù)判斷相應(yīng)位置的地質(zhì)情況；通過鉆井液的循環(huán)情況，判斷導(dǎo)井附近的節(jié)理裂隙情況；進行氣體監(jiān)測，判斷有無有害氣體溢出。在導(dǎo)孔鉆進過程中，根據(jù)鉆進參數(shù)和渣量等的分析，可以形成可靠的地質(zhì)資料，對擴孔過程也具有指導(dǎo)意義，可以根據(jù)此資料調(diào)整擴孔參數(shù)，從而使設(shè)備安全平穩(wěn)運行。

3.1 導(dǎo)孔施工期信息收集

通省隧道2#豎井導(dǎo)孔鉆進過程中，未檢測到不良氣體，渣料分析統(tǒng)計、導(dǎo)孔鉆壓參數(shù)、鉆井斜率、鉆井液循環(huán)情況結(jié)果見表2。

對于鉆孔過程中出現(xiàn)的鉆井液返回量減少的情況，我們及時的對鉆井液的成份進行了調(diào)整，確保在圍巖破碎帶，保持泥漿的護壁作用、防止卡鉆和減少鉆井液對井筒范圍內(nèi)的圍巖的破壞污染。

3.2 分析圍巖狀況

對返回的渣料進行成份分析，做強度推斷，結(jié)合鉆井液異常情況可初步推斷相應(yīng)深度的圍巖狀況。綜合分析圍巖狀況和導(dǎo)孔鉆進的各項參數(shù)，為下一步的擴孔作業(yè)提出指導(dǎo)意見和措施。

3.3 擴孔鉆機參數(shù)及措施確定

根據(jù)導(dǎo)孔鉆進時的反饋，綜合分析圍巖狀況和導(dǎo)孔鉆進的各項參數(shù)，可初步確定合適的反擴鉆機控制參數(shù)。

按照圍巖狀況及擴孔施工需要可將2#豎井分為五段：第一段1-15m，井口段圍巖風(fēng)化嚴重，擴孔結(jié)束地表段；第二段16-45m，中風(fēng)化段；第三段45-120m，圍巖破碎，云母含量高遇水易軟化，塌孔段；第四段121-290m，中風(fēng)化段；第五段，295-300m，擴孔開孔段。并對每段擴孔施工時鉆機的控制參數(shù)及擬采取的措施做了可行性指導(dǎo)。

擴孔不同于導(dǎo)孔作業(yè)，擴孔斷面面積大，且沒有護壁泥漿的作用，在圍巖軟弱破碎段有塌孔的風(fēng)險，所以在45-120m段要及時的調(diào)整鉆機參數(shù)，降低擴孔速率，防止擴孔時繼續(xù)塌孔，導(dǎo)致反井溜渣孔堵塞廢棄。

表4數(shù)據(jù)僅為控制參考，在實施過程中，應(yīng)根據(jù)巖性變化和扭矩變化情況，不斷調(diào)整鉆進參數(shù)，以取得最佳推力和鉆進速度。經(jīng)過破碎帶時，及時將壓力和轉(zhuǎn)速降低，避免產(chǎn)生較大的震動而造成塌孔。

4 擴孔施工期地質(zhì)分析預(yù)測

施工進行到擴孔工序時，對豎井處圍巖地質(zhì)情況已經(jīng)有了較為清楚的認識，基本可斷定相應(yīng)位置的圍巖類型。但對圍巖的具體構(gòu)造尚不清楚，亦不能判斷相應(yīng)圍巖類型的自承能力等參數(shù)，因此在擴孔施工時，還要對擴孔渣量進行統(tǒng)計分析以確定是否有塌孔可能及其規(guī)模，還要對孔內(nèi)出水量進行測量，以確定豎井的出水量及大概的出水位置，做好防范措施。

4.1 渣量統(tǒng)計分析

通省隧道2#豎井反井?dāng)U孔過程中，經(jīng)全面的渣量統(tǒng)計，渣量異常段如表5。

由表5可知在80-95m 及55-70m處，渣量增大顯著，可推斷，在此深度存在較嚴重的塌孔現(xiàn)象。

在46-120m范圍內(nèi)，圍巖破碎，滲水嚴重，且出現(xiàn)導(dǎo)孔鉆進塌孔現(xiàn)象，為了進一步確定此處圍巖狀況，在擴孔施工時，再次取出此范圍內(nèi)的渣量做巖樣，進行試驗和成份分析。深度46-70m夾泥，圍巖間發(fā)育泥質(zhì)薄膜，有泥化傾向，圍巖破碎，云母含量高，以云母片巖為主；深度71-120m為強風(fēng)化青灰色Pt2wd武當(dāng)群云母石英片巖，圍巖軟硬不均，巖體破碎，云母含量高，遇水易軟化。此范圍內(nèi)有裂隙水補給，含水較豐富，加重了圍巖的惡劣程度。如果開挖不支護不及時，在裂隙水的作用下極易產(chǎn)生流變。

4.2 滲水觀測

由表6分析可知，在30m往后，井筒開始出水，且60到120m范圍內(nèi)出水量較大，尤其在90m附近水量最大。

5 圍巖級別、支護類型的確定及特殊圍巖段所采取措施

通過開工前、導(dǎo)孔施工時、擴孔施工時的地質(zhì)預(yù)測活動，可知通省隧道2#豎井的圍巖狀況較差，在46～120m間存在2-3條擠壓破碎帶，除擠壓破碎帶外，一般圍巖地段透水性較弱。參考地址勘探期鉆孔取芯所做的圍巖強度及RQD值，加之施工期對節(jié)理間距、破碎狀況、滲水及地下水條件等的分析，對圍巖進行RMR分級，結(jié)果如表7。

根據(jù)豎井井筒的圍巖狀況，參考歷史時期豎井施工經(jīng)驗，初步確定了擴挖階段的支護類型和采取的特殊支護措施。

6 結(jié)語

豎井超前地質(zhì)分析預(yù)測預(yù)報包括施工進場前的地質(zhì)調(diào)查和鉆孔測量，導(dǎo)孔鉆進時的渣量、鉆孔數(shù)據(jù)、泥漿循環(huán)、氣體狀況的分析，擴孔時渣量和水量統(tǒng)計等地質(zhì)預(yù)測活動，這一系列的圍巖地質(zhì)預(yù)測活動，環(huán)環(huán)相扣，相互對應(yīng)，在絲毫不占用正常施工時間的前提下利用各個環(huán)節(jié)在反井作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)的相互關(guān)系便可清楚的了解豎井區(qū)的圍巖狀況，以最終確定圍巖支護類型和特殊地段的圍巖處理措施。

通過及時縝密的地質(zhì)分析預(yù)測工作，通省隧道2#豎井導(dǎo)孔施工速度14m/天，擴孔19m/天。在擴挖階段，更是以每月60-80m的速度推進，未發(fā)生因圍巖預(yù)測不準(zhǔn)確而發(fā)生的塌方等事故，在充分保證工期的前提下，取得了極佳的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]王虎偉.復(fù)雜地質(zhì)條件下煤倉設(shè)計與施工工藝研究[J].煤， 2017（07）.

[2]張振虎，劉建功.礦井采區(qū)煤倉設(shè)計及施工[J].煤炭工程，2017（08）.

[3]楊利強.淺談井底直立煤倉布置形式及支護[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2017（16）.