多功能鉆機在鐵路隧道施工中的應用分析

吳復青

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，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，途經山西省會太原市、晉中市、長治市、晉城市，河南省焦作市，終點為焦作站，并與鄭焦城際貫通。線路長度358.761km，其中山西省境內325.350km，河南省境內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 1號斜井、2號斜井及3號斜井；其中洞門50m，正洞Ⅲ級圍巖4020m，Ⅳ級圍巖4485m，Ⅴ級圍巖2165m。榆社隧道區斷裂構造發育，共經過22條發育斷層，其中9條為實測斷層，13條為物探推測斷層，斷層地質條件復雜。同時在隧道區進口段（DK70+710）左側有一大沖溝與隧道并行，溝內常年有流水，隧道施工時涌水量較大；隧道表層土具濕陷性，對于洞口濕陷性土應進行地表加固處理。隧道 DK79+880～DK80+100、DK80+830～DK81+040長距離地表和隧道出口淺埋易發生崩塌落石，施工防護工程量大。文章重點對多功能鉆機在鐵路隧道施工中的應用進行分析和探討。

2 隧道施工存在的施工風險及安全措施

2.1 隧道施工風險

依據相關的勘測和施工資料，經過分析，可以對各種風險事件發生的概率以及風險事件會帶來的后果進行風險評估。經過充分研究該隧道相關的氣候、環境、水文、地層巖性、原始勘測數據以及地址構造，發現該隧道存在的風險主要是：

該隧道某兩段記為Ⅰ段和Ⅱ段，因為Ⅰ段和Ⅱ段砂巖、節理發育以及頁巖夾煤層。含煤地段，偶爾會檢測到涌現出來的瓦斯，而且瓦斯在此地段十分容易發生集聚，在具體施工過程中，存在極大瓦斯涌現風險。因為Ⅰ段的巖石塊體積相對較小，形狀更為破碎，隧道在進行施工時，如果施工地段處于圍巖相對破碎的地段或者發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發生貫通融合，那么隧道在施工的過程中，會對地下水產生襲奪，給環境造成一定的污染。這種情況，在隧道施工的過程中，極有可能發生突泥突水的情況，隸屬于高風險[1]。

Ⅰ段和Ⅱ段因為節理發育、砂巖以及頁巖夾煤層，存在很大的涌水量，在隧道進行施工的過程中，極有可能發生塌方，隸屬于高風險。因為在隧道施工過程中，不同的地區具有不同的地質情況，通常復雜的地址情況會給施工帶來很大的風險，如果對某些環節稍微不注意，就很容易釀成嚴重的安全事故。

2.2 隧道多功能鉆機的選擇

但是如果在開挖工作之前，可以對地質情況、排水情況以及支護措施進行充分的調查研究，可以有效降低安全事故的發生概率，所以，施工設備的選擇十分重要。根據該隧道工程的具體情況，使用意大利生產的C6RAD10多功能鉆機進行施工。

3 隧道施工過程中多功能鉆機的具體應用

3.1 超前地質鉆探

超前地質鉆探施工辦法也就是MWD施工法，這種施工方法更具系統性，具體的工作原理是：憑借對鉆機鉆孔過程中所采集到的數據進行科學詳細的測定與分析，對子面前方的地質參數進行確定，比如地質屬于軟還是硬，有沒有涌水的發生，施工環境有無溶洞情況等。

MWD施工法相關施工特點：自動采集裝置對相關施工數據進行采集，同時生成曲線圖標，然后顯示器可以及時地反應這些所采集到的數據和曲線圖標，相關工作人員在進行鉆孔作業的過程中，需要隨時監控數據變化，一旦數據有異常顯示，及時進行調整后方可繼續施工。

在鉆探進行的過程中，施工人員還可以隨時將鉆探數據在數據卡上進行保存，方便后期的研究分析工作。在本隧道進行施工的過程中，工作人員需要注意，每進行30m的鉆探工作后，需要鉆3個探孔在拱部及拱腳兩側的位置。同時，施工過程需要充分考慮地下水壓的相關情況，在具體施工的過程中，每次循環預留6m巖盤，然后進行下一個循環鉆探工作，旨在為了保證掌子面的結構可以承擔最大注漿壓力以及最大的地下水壓[2]。為了能夠適應各種復雜地質的鉆探工作，設計了一體化動力錘，平均需要2～3h就可以快速地鉆探30m，改善了過去的設備因為水壓過大不能進行鉆探工作的弊端。

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，應用這種方法時，不需要將鉆桿拔出，就可以憑借一個取芯器，對巖層以水平或者垂直方向進行連續、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軟弱破碎巖層進行取芯。另外，如果該方法增加沖擊功能，就可以對質地相對較硬的砂礫層以及鵝卵石進行快速的取芯。該方法相對應的工作過程為：（1）對試驗巖石或者作業巖石進行鉆孔工作；（2）和鋼絲繩水轉換器進行連接；（3）和取芯打撈器進行連接；（4）憑借水壓對打撈器進行壓送；（5）對取芯器進行回收；（6）和交換用取芯器進行連接；（7）將取芯器進行壓送；（8）和鉆桿進行連接，然后即可實施鉆孔作業。施工時主要會用到卷揚機、取芯器、鋼絲繩、打撈器、水轉換器等配件。取芯效果示意見圖1。

3.3 超前帷幕注漿堵水作業

3.3.1 鉆孔出水情況分析

圖1 取芯效果

在進行超前鉆孔時，探孔的出水點處于某背斜巖溶槽谷段，隧道斜上方巖石狀態為破碎帶飽水區，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，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情況見圖2。

圖2 出水位置的水文情況和地質情況

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、注漿泵、注漿機等設備，注漿堵水工法的施工工藝和優點:憑借鉆桿，不管是套管注漿還是單管注漿，多功能鉆機都可以實現。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。

在進行注漿施工方法的選擇時，需要因地制宜，依據不同的地質情況進行選擇，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、前進式注漿、孔口注漿，孔口注漿施工方法主要適用于圍巖相對完整，碎軟巖石量少，水壓較小的施工條件；前進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。在多功能鉆機內部通常設置有單向閥，在鉆孔過程中，地下容易出現涌水的情況，防突裝置的設置就是為了避免此類情況的發生而設置。另外，為了避免高壓地下水會通過系統空間進入施工環境，需要在鉆機上進行止水閥以及密封裝置的安裝[3]。孔口止水裝置的設置，需要依據不同的地質環境進行設置。

3.4 初支表面徑向注漿

依據具體的實際地質情況，施工條件允許的情況下，選擇徑向注漿。

本隧道在進行徑向注漿的過程中，有3個邊界條件：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；地質條件：不適合在動水條件下進行溶洞的填充工作；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，憑借多功能鉆機進行施工的優勢有：如果水壓較大，多功能鉆機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，防止初期的支護設備發生開裂；節省了止漿閥以及孔口管的安裝時間，提高工作效率的同時，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了一些地質問題，包括采空、涌水和溶腔。多功能鉆機因為操作起來更為靈活，且可以多角度進行施工，在解決這類問題上，發揮了充分的作用。在溶腔、采空區進行處理的過程中，需憑借雷達進行探測，然后依據相應的探測結果對溶腔和采空區進行加固回填。在回填的過程中，必須確定有打孔注漿的相關參數，如范圍和深度等，才可以進行注漿，完成相關工作后，取芯，對注漿效果進行檢測。

3.6 過煤礦采空區管棚施工

在管棚施工過程中，多功能鉆機應用的是套管作業，也就是為了防止孔壁坍塌，先不撤出內桿，待套管鉆進后方能撤出，帶內桿撤出后，插入杠桿，然后將外桿拔出。如果是針對軟地層的施工，必須憑借邁式管棚桿直接進行鉆進工作。如果采空區內部大都為松散渣體，使用普通的鉆機很難完成鉆孔工作，及時鉆孔成功，但是因為巖體松散，也很難成功安裝管棚[5]。而多功能鉆機的應用可有效解決這個難題。

3.7 搶險救助

如果遇到危險情況，可以及時對險情區域進行地質勘測，然后再進行地質改良以及支護工作。如果出現塌方地帶發生阻隔，受困人員需要空氣等救助物資，這時就需要憑借套管作業實施援救。

4 結語

綜上所述，多功能鉆機具有鉆進速度快、鉆力強、可靠性高、鉆孔范圍大、施工噪音低、適用范圍廣等優點，特別適合進行地質情況復雜的長大隧道施工。隨著人們對隧道施工安全要求日益提升，采用多功能鉆機不僅可以顯著提升施工效率，而且可以節省施工成本，具有較高的應用價值，本工程采用多功能鉆機施工后取得了良好的施工效果，保證了施工質量和施工安全，有效解決了不良地質情況下隧道施工過程中遇到的安全風險，為類似隧道工程積累了施工經驗，值得類似工程借鑒和參考。

參考文獻：

[1]王偉.全液壓多功能鉆機關鍵技術研究[D].河北石家莊:石家莊鐵道大學,2015.

[2]趙鵬宇.公路山嶺隧道超前鉆探地質預報研究[D].陜西西安:長安大學,2014.

[3]周興國,高永濤,盧宏建,等.超前注漿小導管支護機理與效果分析[J].西安建筑科技大學學報:自然科學版,2010(4):545-549.

[4]劉強,趙杰,毛洪.MZ-200履帶式液壓潛孔鉆機在隧道大管棚施工中的應用[J].公路交通科技(應用技術版),2012(3):184-186,198.

[5]陳鐵林,張頂立.“礦研”多功能鉆機的特點及應用[J].現代隧道技術,2009(4):58-63.