超前水平鉆機(jī)在山區(qū)隧道中應(yīng)用研究

文/黃江濤

1 前言

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速推進(jìn)，南方山嶺地區(qū)的高速公路建設(shè)進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展時(shí)期。線路標(biāo)準(zhǔn)的提高導(dǎo)致展線逐步減少，并被長大隧道取代，使得隧道長度占線路總長比例明顯增加，在多山地區(qū)經(jīng)常形成山區(qū)隧道群，遇到的施工地質(zhì)條件也愈加復(fù)雜[1]?？λ固厣絽^(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜多變，而設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)勘查工作比較粗糙，往往在隧道掘進(jìn)過程中才能發(fā)現(xiàn)各種不良地質(zhì)情況。因不能提前了解隧道前方地質(zhì)情況而未能及時(shí)采取相關(guān)預(yù)防措施，以至于施工中經(jīng)常出現(xiàn)塌方、涌水、突泥等各種工程事故。不僅影響工程進(jìn)度，增加工程造價(jià)，甚至可能會(huì)演變成嚴(yán)重施工安全事故。因此，對(duì)隧道施工中巖溶的發(fā)育情況及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)是保證施工安全，減少突水、突泥等災(zāi)害事故的有效途徑。在巖溶發(fā)育山區(qū)，要實(shí)現(xiàn)安全施工，合理的處治溶洞。溶洞的位置、走向、大小等隧道施工條件，不僅僅受隧道斷面問題影響，還和所處的地質(zhì)條件有著密切聯(lián)系。但受到工程建設(shè)工期、安全性等要求影響，對(duì)圍巖環(huán)境穩(wěn)定性要求很好，特別是掌子面。

為此，工程建設(shè)者可采用超前鉆探方式，通過最為直接的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，來提高探測的質(zhì)量效果。具體來說，就是利用設(shè)備經(jīng)鉆孔鉆進(jìn)速度來對(duì)巖芯進(jìn)行觀察測試，進(jìn)而獲取掌子面前方巖石強(qiáng)度、完整性以及可鉆性等指標(biāo)數(shù)據(jù)。山區(qū)隧道群巖溶發(fā)育區(qū)施工危險(xiǎn)性較高，想要安全施工，確保后期運(yùn)營的質(zhì)量，對(duì)溶洞的位置、大小、形狀、充填情況及其與隧道交匯關(guān)系的把握就非常關(guān)鍵，而超前地質(zhì)鉆探是探測把握巖溶發(fā)育一系列情況最為有效的一種方法，因此在山區(qū)隧道群巖溶發(fā)育區(qū)施工中超前鉆探的施作就顯得尤為重要。

2 超前水平地質(zhì)鉆機(jī)在隧道群中的施工技術(shù)

2.1 超前水平地質(zhì)鉆機(jī)在巖溶發(fā)育隧道群中的施工方法

對(duì)于隧道施工建設(shè)所處的巖溶發(fā)育灰?guī)r地區(qū)，作業(yè)過程大概率會(huì)遭遇溶洞，這不僅增加了施工操作的危險(xiǎn)性。一旦遭遇溶洞群是大規(guī)模形式，巖溶水豐富，將大幅增加涌水、突泥災(zāi)害的發(fā)生。對(duì)現(xiàn)場作業(yè)的人員與設(shè)備將造成難以預(yù)計(jì)的損傷與危害。但受當(dāng)前科學(xué)技術(shù)水平與造價(jià)工期等問題影響，對(duì)可能產(chǎn)生的問題進(jìn)行勘察與處理是不現(xiàn)實(shí)的。為此，隧道施工建設(shè)者只能將地質(zhì)調(diào)查法作為基礎(chǔ)，并綜合運(yùn)用物探手段，來使超前水平鉆進(jìn)的作業(yè)效果起到事半功倍的作用。

2.1.1 鉆孔布置

巖溶隧道的超前水平鉆探多在平導(dǎo)進(jìn)行，將超前鉆探納入施工工序，每30m 一個(gè)循環(huán)，純鉆孔時(shí)間5～9h，輔助時(shí)間1～2h，干擾施工時(shí)間6～11h。對(duì)于經(jīng)綜合物探測試指出的隧道正洞巖溶特別發(fā)育地段，鉆孔布置不少于6～9 個(gè)。

2.1.2 分析判斷及成果

主要根據(jù)鉆進(jìn)時(shí)間和長度，計(jì)算鉆進(jìn)速度，推斷圍巖軟硬情況；根據(jù)返回液的顏色、濃度，碴顆粒大小、成分、顏色、巖性等判斷圍巖的巖性、強(qiáng)度情況；根據(jù)卡鉆、跳鉆、坍孔情況判斷圍巖破碎、溶洞情況；根據(jù)鉆機(jī)油泵壓力、孔口水壓、流速、水量等推測水頭壓力、涌水量大??；根據(jù)鉆孔取芯可直觀了解圍巖節(jié)理、裂隙等發(fā)育狀況；根據(jù)鉆孔注水、充氣、漏水試驗(yàn)，可以了解連通性。

2.2 超前水平地質(zhì)鉆機(jī)在隧道圍巖優(yōu)化變更過程應(yīng)用研究

賀州至巴馬高速公路，為達(dá)到隧道安全施工目標(biāo)，采用具有超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與取芯功能的多功能鉆機(jī)，大幅強(qiáng)化了預(yù)報(bào)預(yù)警工作開展效率、效果。

都安至巴馬高速公路弄樓二號(hào)長度為1646m，最大埋深約291m，弄樓三號(hào)隧道長度為1538m，最大埋深約343m。施工過程中，該兩隧道部分洞段的實(shí)際圍巖級(jí)別與地勘成果不一致，共327 米，導(dǎo)致部分洞段的支護(hù)類型需要連續(xù)變更。為確保工程安全和質(zhì)量，按工程項(xiàng)目的管理要求，在隧道施工階段需對(duì)支護(hù)類型變更洞段的圍巖進(jìn)行檢測，并對(duì)圍巖級(jí)別重新進(jìn)行詳細(xì)劃分。

通過鉆探法查明隧道圍巖的不良地質(zhì)、在鉆孔內(nèi)測試圍巖巖體的彈性縱波速度、取巖石芯樣作巖體RQD*值統(tǒng)計(jì)、截取巖石芯樣進(jìn)行室內(nèi)巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和巖石彈性縱波速度測試[2]。此外，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)法探測結(jié)果，對(duì)推斷有重大不良地質(zhì)異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。

根據(jù)地質(zhì)鉆探及巖石芯樣試驗(yàn)結(jié)果等資料的綜合解釋結(jié)果，所鉆探檢測弄樓二號(hào)隧道、弄樓三號(hào)隧道支護(hù)類型建議變更洞段的圍巖詳細(xì)分級(jí)結(jié)果除ZK395+195～ZK395+182與YK396+077～YK396+085 段外，地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)論與其余所鉆探檢測隧道段圍巖詳細(xì)分級(jí)結(jié)果均有不同程度的偏差。對(duì)比結(jié)論分析：鉆探263 米有263 米實(shí)際圍巖與原設(shè)計(jì)不一致；地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)結(jié)論263 米有242 米存在結(jié)論偏差，準(zhǔn)確性低于超前鉆探。

2.3 超前水平地質(zhì)鉆機(jī)在伏龍隧道常年涌水段處治過程中應(yīng)用

2.3.1 溶洞揭露及涌水情況

伏龍隧道位于大化縣古河鄉(xiāng)弄法村以西約700m，隧道走向約為294°，為分離式長隧道，右線設(shè)計(jì)長度為2892m，左線設(shè)計(jì)長度為2857m，進(jìn)、出口隧道路面設(shè)計(jì)高程分別約為239.1m、220.9m。2019年1月20日，伏龍隧道右洞上臺(tái)階掘進(jìn)至YK399+678，進(jìn)尺542m，埋深160m，設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)圍巖，圍巖整體性較好，但左拱腰處有部分泥質(zhì)充填，于凌晨2∶03 開始涌水，水量較大且急，水質(zhì)較渾濁，1.65*0.7m的中心水溝滿灌（設(shè)計(jì)已加寬水溝），持續(xù)3 小時(shí)后，于5∶07 分水量慢慢變小，并于9∶30 停止出水，累積出水時(shí)間為7 個(gè)半小時(shí)。

隨著不斷的挖掘，于2019年3月6日，在YK399+700 上臺(tái)階右拱腳處揭露出一直徑約2.5m，高度未知的溶洞。該溶洞沿拱頂方向延伸，水流沿巖溶裂隙流出，水質(zhì)較清，流量約為1200ml/s。預(yù)埋4 根φ150PVC 管（但未回填砼），3月7～8日下雨后，水量明顯增大，水中含泥量大，有粉細(xì)砂顆粒。

2.3.2 物探及鉆孔情況

針對(duì)伏龍隧道涌水病害，對(duì)涌水位置附近進(jìn)行了物探及鉆探，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)YK399+694+709 段縱橫向進(jìn)行了探測，結(jié)果顯示初支背后溶隙發(fā)育，深度在2～20m 不等，采用C6鉆機(jī)對(duì)YK399+693、698、703、730 斷面進(jìn)行了鉆探，結(jié)果顯示溶洞的發(fā)育高度在5～10m 之間。其中730 斷面2 點(diǎn)鐘發(fā)現(xiàn)鉆孔1 小時(shí)后出水，水質(zhì)渾濁，含泥量大，且鉆探數(shù)據(jù)表明溶洞有從右向左發(fā)育的趨勢，與巖層發(fā)育方向相符。

2.3.3 處理方案比選

項(xiàng)目先后邀請(qǐng)了多位專家對(duì)伏龍隧道涌水病害進(jìn)行了現(xiàn)場勘察，提出了三點(diǎn)基本判斷：涌水段附近存在大溶腔；該溶洞涌水受地表降水補(bǔ)給明顯，與地表連通；涌水含粉細(xì)砂，存在高風(fēng)險(xiǎn)[3]。

鑒于伏龍隧道涌水量大，泥、粉細(xì)砂含量較高，如處理不好到雨季或在后期運(yùn)營過程中可能出現(xiàn)水害，具有高風(fēng)險(xiǎn)，該病害亟須處治。四方初步建議伏龍隧道病害處治應(yīng)“以排為主，輔以抗水壓襯砌”，收集好基礎(chǔ)資料，邀請(qǐng)專家召開評(píng)審會(huì)確定處治方案。

經(jīng)各方充分討論后，做出了如下調(diào)整：

拆除伏龍隧道右線YK399+700 溶洞處邊墻鋼架，并對(duì)溶腔進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)挖，采用埋設(shè)抽芯管將巖溶水經(jīng)沉沙池沉淀后引排至中心排水溝，抽芯管采用土工布包裹，具體參數(shù)以設(shè)計(jì)變更圖紙為準(zhǔn)。

YK399+696～YK399+720 段設(shè)置抗水壓襯砌，具體參數(shù)以設(shè)計(jì)變更圖紙為準(zhǔn)。

施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，施工后期加強(qiáng)對(duì)排水效果進(jìn)行跟蹤觀測，進(jìn)一步對(duì)地下水進(jìn)行調(diào)查，當(dāng)未能達(dá)到預(yù)期處治效果時(shí)，及時(shí)上報(bào)并采取應(yīng)對(duì)措施。

3 總結(jié)

3.1 超前水平地質(zhì)鉆機(jī)在隧道圍巖優(yōu)化變更過程應(yīng)用

3.1.1 超前水平地質(zhì)鉆機(jī)的運(yùn)行速度快，多數(shù)工程的風(fēng)險(xiǎn)隧道地層環(huán)境，超前預(yù)報(bào)設(shè)備鉆進(jìn)一個(gè)50m 的孔需要3h，作業(yè)一個(gè)斷面的3個(gè)孔需要9h。這比其他類型鉆機(jī)所用的15h實(shí)現(xiàn)大大提升了、據(jù)統(tǒng)計(jì)，每個(gè)月能夠節(jié)約1天時(shí)間花費(fèi)在開挖作業(yè)上。

3.1.2 涌水較大的施工地段，只有超前水平鉆機(jī)能夠正常運(yùn)行，其他潛孔類鉆機(jī)無法實(shí)現(xiàn)操作。具體施工可為全斷面帷幕注漿作業(yè)提供上百個(gè)注漿孔與空氣孔，深度超出30m。從時(shí)間維度來看，超前水平地質(zhì)鉆機(jī)完成操作只要10 天，其他類型設(shè)備至少15 天，甚至不夠。

3.1.3 在著手施工隧道工程破碎段時(shí)，可將超前水平鉆機(jī)一次操作至少30m，以解決施工作業(yè)循環(huán)的時(shí)間。其他鉆機(jī)設(shè)備，只能操作20m，故，選用水平鉆機(jī)時(shí)最佳方案。

3.1.4 隧道坍塌的救援，需在制定救援計(jì)劃前，為被困人員提供食物、空氣和水，以最大限度地提升救援的成功率。

3.1.5 經(jīng)分析獲取的超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，能夠?qū)罄m(xù)施工項(xiàng)目內(nèi)容的安全性進(jìn)行調(diào)整。如采取性能質(zhì)量相對(duì)應(yīng)的材料、設(shè)備以及現(xiàn)場施工方法。

3.2 常年涌水段溶洞處治

處治溶洞，就是遵循“先探測，再處治”原則，以為后續(xù)制定有針對(duì)性的方案提供依據(jù)。具體就需要采用物探及鉆探等手段對(duì)隧道巖溶情況進(jìn)行探測。此外，還要按照巖溶發(fā)育程度，和巖溶地質(zhì)對(duì)隧道工程施工建設(shè)的影響，采用不同的處治措施。以求達(dá)到“保證施工安全、確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、保障安全運(yùn)營”的目的。

巖溶隧道涌水段處治過程注意事項(xiàng)：

3.2.1 處治前期僅施做初支，動(dòng)水壓力大，建議水小后初支變形段及時(shí)增設(shè)復(fù)拱及斜向支撐，避免初支坍塌。

3.2.2 若涌水受地表水補(bǔ)給明顯，建議對(duì)相應(yīng)地表進(jìn)行排查，是否存在大型天窗或落水洞。

3.2.3 若附近二襯出現(xiàn)滲水、檢查井出現(xiàn)反水現(xiàn)象，該段的中心水溝可能阻塞，條件允許后應(yīng)及時(shí)清理水溝淤積泥沙。

3.2.4 加快前方車行橫通道的施工，在大雨期間可通過車行橫通道進(jìn)入掌子面施工。

3.2.5 洞外水溝需加寬加大，并增大縱坡，以利于排水。

3.2.6 加強(qiáng)涌水段的監(jiān)控量測，并做好緊急預(yù)案。

4 結(jié)語

綜上所述，伴隨基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)環(huán)境的日趨復(fù)雜，隧道工程施工建設(shè)的質(zhì)量直接決定了工程能否滿足建設(shè)使用需求?？茖W(xué)技術(shù)人員應(yīng)加大對(duì)不良地質(zhì)環(huán)境勘察技術(shù)的運(yùn)用力度，并結(jié)合實(shí)際情況采用對(duì)應(yīng)的超前預(yù)報(bào)方法，以最大程度地提升工程項(xiàng)目建設(shè)使用的安全可靠性。如此，后續(xù)進(jìn)行的開挖、支護(hù)等作業(yè)，就能不受環(huán)境不穩(wěn)定性因素影響。如，前方突水、突泥問題，均不會(huì)對(duì)施工現(xiàn)場帶來安全威脅。故，相關(guān)建設(shè)者應(yīng)將上述分析內(nèi)容與科研結(jié)果以針對(duì)性狀態(tài)運(yùn)用于不同建設(shè)環(huán)境的隧道工程施工，以服務(wù)于現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)的全面發(fā)展進(jìn)程。