超前水平鉆孔在水工隧洞工程中的應用

楊學定，姚 宇

(1.貴州省水利水電勘測設計研究院，貴陽 550000；2.貴州水利投資(集團)有限責任公司，貴陽 550000)

為了對掌子面前方開挖的地質(zhì)信息詳細獲取，超前水平鉆孔的應用，取得了理想的幫助作用。超前水平鉆孔，屬于探測方式中非常傳統(tǒng)并且可靠的方式，可將掌子前方15-30m的地質(zhì)特征進行揭示，其精準性非常高?？衫谜谱用媲胺?jīng)]有開挖的巖體，直接實施鉆孔施工，利用巖芯、鉆速以及鉆進產(chǎn)生的壓力等，對前方巖體的地質(zhì)特征實施判斷，此外還可以融合鉆孔聲波水壓力等相應的預測技術(shù)，對涌水量以及壓力實施預測。

1 工程概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程為大(1)型水利工程，壩址位于七星關區(qū)與納雍縣界河六沖河中游潘家?guī)r處。由水源工程、畢大供水工程、灌區(qū)骨干輸水工程等組成。其中，灌區(qū)骨干輸水工程由總干渠、北干渠、南干渠、金遵干渠、黔西分干渠、金沙分干渠、供水管線、支渠，以及灌區(qū)骨干泵站等組成。在眾多建筑物中，附廓前的深埋長隧洞因埋深較大，單條隧洞長，沿線多為巖溶地層，隧洞多位于地下水位以下，且橫穿跨越大小數(shù)十條地下巖溶管道，隧洞存在遇巖溶管道及涌水、涌泥問題，為整個夾巖水利樞紐及黔西北供水工程的控制性關鍵問題[1]。

2 預報基本原理

在隧道當中，針對掌子面實施的超前水平鉆孔，需要利用鉆進的速度、巖芯采取率統(tǒng)計、鉆孔巖芯檢定實驗等，進行綜合分析之后，可對隧道施工掌子面前方巖體的巖性進行確定，并明確含水的具體情況、地層巖石的實際軟硬程度以及完整性等，還可獲取斷層以及空洞的具體位置。

利用鉆進，可對掌子面前方的地質(zhì)情況進行有效的判定和揭露：鉆進花費的時間，可以對圍巖的具體堅硬程度進行反映，如果為硬質(zhì)巖石，那么不會有較快的鉆進速度。如果為軟質(zhì)巖石，那么速度會快一些。如果有空洞，那么轉(zhuǎn)速會非?？臁Ｔ跀鄬悠扑閹Щ蛘哂泄?jié)理裂隙發(fā)育的巖石，會產(chǎn)生卡頓的情況，以致于降慢了鉆進的速度。巖體的完整性系數(shù)和相應的節(jié)理裂隙發(fā)育情況，可統(tǒng)計巖芯的采取率進行反映，通常情況下，他們的關系為正比。在完成鉆孔巖芯的鑒定之后，可對巖性地層在隧道前方圍巖中的具體位置進行判斷，并明確洞軸線方向上的具體長度。利用巖芯的強度測試，可對掌子面前方巖性地層中存在不同巖石強度給予判定。在判斷鉆孔是否出水以及水量的實際大小時，可對掌子面前方有沒有含水體進行推測[2]。

3 超前水平鉆孔在水工隧洞工程中的應用分析

依據(jù)北干渠余家寨隧洞巖溶水文地質(zhì)條件的復雜程度及風險等級進行分析之后，對于該項工程施工，采用了三個預報等級，其一為一般預報；其二為加強預報；其三為重點預報。

1)一般預報的應用，為對巖溶及涌水低風險洞段進行預測，使用的方式為地質(zhì)分析，并融合了局部加深炮孔實施相應的預測工作。

2)加強預報的應用，為對測巖溶及涌水中等風險洞段進行預測，使用的方式為基于物探探測，與加深炮孔、地質(zhì)分析進行結(jié)合實施相應的預報工作。其中，根據(jù)物探探測出來的成果，將其中存在的異常帶規(guī)模、位置及充水情況，對預報等級進行調(diào)整，如果必要，可對超前水平鉆孔探測進行應用[3]。

3)重點預報的應用，為對巖溶及涌水高風險洞段進行預測，使用的方式為基于物探探測，與超前水平鉆孔、加深炮孔和地質(zhì)分析進行結(jié)合實施預報。

地質(zhì)分析法。為依照隧道施工掌子面地質(zhì)條件，如掌子面巖溶發(fā)育、滲水、破碎、顏色變化以及結(jié)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀等一系列情況，對掌子面前方可能存在的巖溶、涌水(泥)、斷層、不同巖性界面以及圍巖穩(wěn)定性等進行預報[4]。

物探探測法：為借助長短結(jié)合，綜合預報的形式。操作流程，要先對長距離預報(150m以內(nèi))進行使用，如TSP203探測等。如果長距離探測的過程中發(fā)現(xiàn)了異常帶，在施工接近異常帶時，可借助比較高探測精度的短距離預報，如地質(zhì)雷達或紅外線探水等。

加深炮孔超前探孔：應用物探探測，發(fā)現(xiàn)存在的異常帶或可能存在巖溶、巖體破碎地帶之后，可利用加深炮孔實施探測。探孔布置圖見圖1，共布置5孔，加長鉆桿按掌子面前方9m控制，洞壁周邊探孔向洞外20°傾斜，以保證探測隧洞開挖輪廓線以外3m，保證在鉆爆后有3m安全巖盤。如探測隧洞開挖輪廓外3m內(nèi)、掌子面前方9m存在不良地質(zhì)，則嚴禁爆破開挖，報請設計，作相應變更調(diào)整。

圖1 加深炮孔超前探孔布置示意圖

超前水平鉆探：因為隧道需要穿越地下暗河，高水頭、巖溶強烈發(fā)育的高風險洞段，對于發(fā)現(xiàn)的巖體坡碎、巖溶發(fā)育、富水等異常地段?？稍诿總€斷面當中，對三個超前水平鉆孔進行設置，其中鉆孔的實際深度≥30m，安全巖盤≥6m[5]。

圖2 水平鉆探布置示意圖

由于物理探測判釋成果的多解性，需對重點懷疑地段，采用多種方法探測，進行綜合判釋，就需用一定數(shù)量的地質(zhì)鉆孔驗證。鉆探法是最直觀、可靠的超前預報手段。在可能發(fā)生涌水或低瓦斯洞段采用超前地質(zhì)水平鉆施作3個探孔，1孔位于上部頂拱，2孔位于邊墻部位，其中1孔取芯。高瓦斯洞段預報超前探孔數(shù)為5孔，即頂拱1孔，兩側(cè)拱腰處2孔，邊墻2孔。根據(jù)需預報距離的遠近可采用不同型號鉆機，一般可探測前方30m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況(必要時可鉆100m以上)。采用YQ-100B潛孔鉆機或地質(zhì)鉆機鉆孔，鉆孔直徑采用Φ89，地段超前探測長度15-30m，搭接長度5m。

4 成果分析以及評價

余家寨隧洞進口控制段超前水平鉆孔施工，掌子面里程隧1+790，鉆孔深度30m。掌子面施鉆3個超前水平鉆孔，分別為拱頂往下80cm一個，底板往上約100cm兩側(cè)各一個[6]。

1#孔：圍巖性質(zhì)：灰?guī)r，鉆進過程中勻速鉆進，無卡鉆、溶洞空腔等異常情況，鉆孔過程中無滲水現(xiàn)象，呈白色、灰白色、灰色，鉆進過程中無特殊氣體排出。

2#孔：圍巖性質(zhì)：灰?guī)r，鉆進過程中勻速鉆進，無卡鉆、溶洞空腔等異常情況，鉆孔過程中無滲水現(xiàn)象，呈白色、灰白色、灰色，鉆進過程中無特殊氣體排出。

3#孔：圍巖性質(zhì)：灰?guī)r，鉆進過程中勻速鉆進，無卡鉆、溶洞空腔等異常情況，鉆孔過程中無滲水現(xiàn)象，呈白色、灰白色、灰色，鉆進過程中無特殊氣體排出。

超前水平鉆孔技術(shù)，屬于超前地質(zhì)預報技術(shù)當中應用非常普遍的一種形式，使得對隧道地質(zhì)數(shù)據(jù)的獲取更加直接和精準，并且起到了很強的預警災害作用。

超前水平鉆探技術(shù)與物探方式進行比較，其優(yōu)勢特征更加突出，比如客觀性以及直觀性避免了物探解譯當中存在的不確定性問題。但是該項技術(shù)在隧道施工的應用，會占用一定的時間，對施工進度產(chǎn)生影響，同時費用也比較高，這也是非常明顯的缺點。所以，針對地質(zhì)條件非常復雜的隧道施工，需要將傳統(tǒng)物探方式與先進物探手段進行結(jié)合，發(fā)揮彼此的優(yōu)勢，并且對缺點進行補充，可以使隧道超前預報的精準性以及便捷性得到提升，實現(xiàn)經(jīng)濟、實用的目標。此外，對于隧道綜合施工地質(zhì)預報方法的選擇，需要基于工程具體相適應的綜合預報系統(tǒng)基礎之上，對其進行詳細的探究，可以使預報過程更加高效、經(jīng)濟以及精準。

5 結(jié) 語

針對隧道工程的建設，超前地質(zhì)預報為隧道工程當中，避免風險的重要措施，在隧道施工中有著廣泛的應用。針對掌子面實施的超前水平鉆孔，需要利用鉆進的速度、巖芯采取率統(tǒng)計、鉆孔巖芯檢定實驗等，進行綜合分析之后，可對隧道施工掌子面前方巖體的巖性進行確定，并明確含水的具體情況、地層巖石的實際軟硬程度以及完整性等，還可獲取斷層以及空洞的具體位置，以便實施細致的使用掌子面前方地質(zhì)預報工作。