隧道超前地質(zhì)預報水平?jīng)_擊鉆探取心技術

侯 錦，杜宇本，蔣良文，劉澤軍

（1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都610031；2.西南交通大學，四川 成都611756）

0 引言

隧道超前地質(zhì)預報是隧道施工中必不可少的環(huán)節(jié)，掌握和反饋隧道地質(zhì)條件信息，為調(diào)整和優(yōu)化隧道設計參數(shù)、防護措施，優(yōu)化隧道施工組織、制定施工安全應急預案、控制工程變更設計提供依據(jù)。做好隧道超前地質(zhì)預報工作，可以預防各類突發(fā)性地質(zhì)災害，降低地質(zhì)災害發(fā)生概率，有效規(guī)避工程建設風險，實現(xiàn)工程安全、質(zhì)量、工期、環(huán)境和投資控制目標，將直接和間接地創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。目前在高風險隧道開挖施工中，隧道超前地質(zhì)預報工作已作為隧道施工的重要環(huán)節(jié)，已被納入工序管理。

隧道超前地質(zhì)預報的內(nèi)容有：（1）地質(zhì)情況及水文地質(zhì)預報：地層巖性，如軟弱夾層、破碎地層、煤層及特殊巖土等；（2）地質(zhì)構造，特別是斷層、節(jié)理密集帶、褶皺構造等；（3）不良地質(zhì)，特別是溶洞、暗河、人為坑洞、放射性、有害氣體。

隧道地質(zhì)超前預報方法分為地質(zhì)方法和地球物理方法，地質(zhì)方法包括地質(zhì)素描、超前地質(zhì)鉆探等；地球物理方法包括地震法、電磁法等，目前以地震法為主。在所有的隧道超前地質(zhì)預報手段中，由于鉆探取心具有直觀、明了、預報準確等特點，因此越來越受到重視。

1 問題的提出

隨著社會發(fā)展對資源的需求加大，帶動著鉆探工程的增加和技術的應用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國的鉆探事業(yè)獲得了極大進展，體現(xiàn)在鉆探技術多樣化和高水平方面，也通過總結提出一些有效的技術方案和方法［1-2］。

隧道超前地質(zhì)預報主要是探測隧道開挖面前方的地質(zhì)情況，水平鉆探取心是重要手段之一。作為高風險隧道的一道工序，隧道超前地質(zhì)預報和隧道開挖是相互交替進行的，如何協(xié)調(diào)隧道開挖施工正常進行、減少施工干擾和準確、及時地完成隧道超前地質(zhì)預報工作的矛盾，是擺在施工技術人員面前的難題。通過水平鉆探取心，獲取開挖面前方地層的巖心，直觀觀察地層巖性情況，同時對前方有害氣體、不良地質(zhì)、特殊性地層進行探測，確保隧道開挖在可控狀態(tài)下進行，從而保證隧道施工人員和隧道本身安全。

隧道超前地質(zhì)預報和隧道開挖是高風險隧道施工的2道重要工序，在這2道工序中，隧道超前地質(zhì)預報施工占用的時間越短，那么用于隧道開挖的時間就越多，隧道開挖進尺就越快。因此，如何提高隧道超前地質(zhì)預報效率、減少工序占用時間，是隧道超前地質(zhì)預報水平鉆探工作的重要任務。

鉆進取心技術是一項較為綜合的技術，它涉及到地層因素、設備因素、工藝技術、操作人員水平等［3］。目前，隧道超前地質(zhì)預報水平鉆探取心工藝主要采用金剛石回轉(zhuǎn)取心技術和沖擊回轉(zhuǎn)取心技術，金剛石回轉(zhuǎn)取心技術是國內(nèi)外比較成熟的工藝技術，廣泛應用于地質(zhì)鉆探取心領域。在鉆探取心工藝選擇方面，有采用繩索取心鉆進工藝+泥漿護壁技術及跟管鉆進技術來達到鉆進目的［4-5］。鉆機方面，有立軸式鉆機金剛石繩索取心鉆進、新型的液壓動力頭鉆機金剛石繩索取心鉆進。不論哪種設備工藝，在施工過程中都離不開鉆探?jīng)_洗液，用來潤滑、冷卻、排粉渣。在所采取的設備及工藝條件下最終目的都是提高巖心采取率。為切實保護巖心管內(nèi)的巖心不被擾動，同時提高鉆進巨厚砂層時的巖心采取率，研究設計了巖心保護罩［6］。而沖擊回轉(zhuǎn)取心技術是近年來出現(xiàn)的一種新的鉆探取心工藝技術，與金剛石回轉(zhuǎn)取心技術相比，具有適應面廣、取心效率高等特點，也逐漸被人們所接受。

隨著川藏鐵路總體方案的公布和大量隧道工程項目的開工，隧道超前地質(zhì)預報需求加大，尤其是川藏鐵路沿線的特殊地質(zhì)條件，隧道超前地質(zhì)預報就顯得更加重要。因此對隧道超前地質(zhì)預報技術的研究非常必要。本文主要論述隧道超前地質(zhì)預報水平?jīng)_擊鉆探取心技術、水平?jīng)_擊取心鉆具及工程實踐應用等。

2 水平?jīng)_擊鉆探取心原理

空氣潛孔錘鉆進是一種成熟的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術。常規(guī)潛孔錘鉆進采用全斷面鉆進，具有鉆進速度快、成孔效率高的優(yōu)點，目前被廣泛用于不要求采取巖樣的巖土基礎處理工程中。隧道超前地質(zhì)預報水平?jīng)_擊鉆探取心技術，是在潛孔錘鉆鑿原理的基礎上發(fā)展了潛孔錘取樣鉆進技術，它主要是在潛孔錘的下部加取心鉆具，實現(xiàn)取樣鉆進的目的。

隧道超前地質(zhì)預報水平?jīng)_擊鉆探取心技術主要由空壓機、隧道取心鉆機、鉆桿、取心鉆具、鉆頭等組成［7-9］，為保證施工效率還配備了一些輔助工器具。

3 水平?jīng)_擊取心鉆具

隧道超前地質(zhì)預報水平?jīng)_擊取心鉆具主要包括雙重管沖擊取心鉆具、三重管沖擊取心鉆具。

3.1 雙重管沖擊取心鉆具

雙重管沖擊取心鉆具由沖擊器、雙層鉆具管及取心鉆頭3部分組成。

雙層鉆具管由鉆具外管和鉆具內(nèi)管構成，鉆具外管為一根整體的特制材料鋼管，鉆具內(nèi)管由2個半合管構成。將鉆具內(nèi)管（2個半合管）合成一個整體管后，裝入鉆具外管中，組成了雙重管沖擊取心鉆具，下部連接取心鉆頭，上部連接沖擊器，沖擊器上部再連接鉆桿，這樣便構成了雙重管沖擊取心鉆具。在鉆進施工過程中，取心鉆頭破取巖石后，巖心進入鉆具內(nèi)管（2個半合管），起到保護巖心的作用，鉆具外管則起到傳遞扭矩和承受鉆進沖擊力的作用，滿足了隧道水平超前沖擊鉆進取心要求，加快了鉆進速度，提高了巖心采取率。

3.2 三重管沖擊取心鉆具

三重管取心鉆具由中鐵二院研制，并獲得專利（專利號：ZL2018 2 2181810.8），其組成為沖擊器、三重管鉆具及取心鉆頭3部分，如圖1所示。三重管取心鉆具設計思路上利用雙管取心原理，制作上采用3層管結構。三重管鉆具從內(nèi)層到外層結構分別為：鉆具內(nèi)管、鉆具中管、鉆具外管。它能滿足隧道水平超前沖擊取心鉆進的要求，加快鉆進速度，提高巖心采取率，延長鉆具使用壽命。三重管取心鉆具實物如圖2所示。

圖1 三重管沖擊取心鉆具結構示意Fig.1 Structural diagram of the triple tube percussion coring tool

圖2 三重管沖擊取心鉆具實物Fig.2 Triple tube percussion coring tool

鉆具內(nèi)管：由2個特制半合管鋼管組成，鉆進采取到的巖心裝入在巖心內(nèi)管中。避免受到鉆進過程的干擾。能顯著地提高巖心采取率，大大提高了鉆進速度和巖心質(zhì)量。

鉆具中管：由一個完整的鋼管組成，它與鉆具內(nèi)管緊密地套在一起，防止巖心裝入鉆具內(nèi)管的過程中，鉆具內(nèi)管被裝入的巖心脹開。

鉆具外管：鉆具內(nèi)管與鉆具中管組合后，一起裝入鉆具外管中。鉆具外管既保護著鉆具中管和鉆具內(nèi)管，也起著傳遞沖擊力和扭矩的作用。

4 水平?jīng)_擊取心鉆機及輔助技術

根據(jù)隧道超前地質(zhì)預報水平?jīng)_擊鉆進取心要求，中鐵二院在常規(guī)履帶鉆機的基礎上進行了改進、完善，形成了適應于隧道超前地質(zhì)預報水平?jīng)_擊鉆進取心要求的鉆機（型號為CJQX-100A），該鉆機除滿足沖擊鉆探取心所需要的轉(zhuǎn)速、扭矩、給進力等外，還具有下列隧道超前地質(zhì)預報水平?jīng)_擊取心輔助技術優(yōu)勢。

4.1 混合動力系統(tǒng)

鉆機的鉆進性能及易操作性是隧道超前地質(zhì)預報水平鉆探技術的關鍵。在鉆機改進方面，采用裝備輕量化設計原理，開展模塊化、輕量化、快裝性改進［10-12］，隧道取心鉆機設計為柴油機和電動機雙動力系統(tǒng)，在鉆機進出隧道施工現(xiàn)場和施工現(xiàn)場沒有系統(tǒng)電力的條件下，直接采用柴油機，方便快速進行隧道超前地質(zhì)預報沖擊鉆探取心，節(jié)省施工時間。

4.2 輔助平臺

CJQX-100A型鉆機主要用于隧道洞內(nèi)施工，需要滿足快速、方便進入和撤離施工現(xiàn)場的要求，因此在鉆機底板上設置了鉆桿、鉆具安放平臺，在操作臺底部設置了工器具箱，可以保證所有的施工鉆桿、鉆具、工具等隨著鉆機一起進出現(xiàn)場，確?？焖俪冯x施工工作面。

4.3 風水除塵裝置

在隧道內(nèi)采用高壓風進行沖擊鉆進時，會排出較多的粉塵，對環(huán)境產(chǎn)生一定的污染，危害施工操作人員的身心健康。因此在設計過程中，在鉆機上設計了風水除塵裝置（專利號：ZL 2019 2 1626251.5），來消除沖擊鉆進過程中產(chǎn)生的粉塵飛揚，見圖3、圖4。其工作原理為：將水裝入水箱中，在水箱上部通入高壓風，在施工過程中水箱中的水隨著高壓風一起進入沖擊器，通過鉆頭底部進入孔底，在孔底潤濕粉塵，從而防止了粉塵的飛揚。

4.4 巖心快速退取裝置

沖擊取心巖心裝入巖心管后，由于鉆具內(nèi)管（半合管）被巖心向外擠壓，使得鉆具內(nèi)管與鉆具中管之間的摩擦力增大，若采用人工退心難度太大，因此采用液壓設計原理［13］，利用鉆機自身液壓系統(tǒng)，設計巖心快速退取裝置，安裝在鉆機尾部位置（圖5），其工作原理見圖6。

圖3 風水除塵裝置實物Fig.3 Wind water dust removal device

圖4 風水除塵裝置原理Fig.4 Schematic diagram of the wind water dust removal device

圖5 巖心快速退取裝置Fig.5 Quick core removal device

圖6 巖心快速退取原理Fig.6 Schematic diagram of quick core removal

將鉆具中管外部插入巖心快速退取裝置內(nèi)部并固定，油缸頂住鉆具內(nèi)管，通過液壓便可將鉆具內(nèi)管從鉆具中管中推出，實現(xiàn)巖心快速退取。

5 工程應用

隧道超前地質(zhì)預報水平?jīng)_擊鉆探取心技術已在玉磨鐵路、貴南高鐵、成蘭鐵路、鄭渝高鐵、成昆鐵路復線、渝昆高鐵、濟萊高鐵、中老鐵路等多條線路推廣使用，采用改進完善的GJQX-100A型水平?jīng)_擊取心鉆機和三重管取心鉆具，累計鉆孔數(shù)量達100個，累計鉆探進尺近3000 m，最大沖擊取心鉆孔深度達50 m（渝昆高鐵），巖心采取率均在85%以上，30 m深鉆孔沖擊取心鉆進最快4 h施工完成［14-15］，完全滿足隧道開挖和超前地質(zhì)預報2個工序的工序時間安排，巖心采取率高，能滿足隧道超前地質(zhì)預報的要求。施工情況及采取的巖心見圖7、圖8。

圖7 隧道超前地質(zhì)預報水平?jīng)_擊取心鉆進施工Fig.7 Horizontal percussion core drilling for advance geological prediction in tunneling

圖8 沖擊取心鉆進采取的巖心Fig.8 Cores taken with percussive core drilling

6 結語

隧道超前地質(zhì)預報水平?jīng)_擊鉆探取心施工速度快，巖心采取率高，能滿足隧道超前地質(zhì)預報的要求。隨著川藏鐵路建設的啟動，希望該技術能在川藏鐵路隧道施工中發(fā)揮重要的作用。