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并且可靠的方式，可將掌子前方15-30m的地質特征進行揭示，其精準性非常高。可利用掌子面前方沒有開挖的巖體，直接實施鉆孔施工，利用巖芯、鉆速以及鉆進產生的壓力等，對前方巖體的地質特征實施判斷，此外還可以融合鉆孔聲波水壓力等相應的預測技術，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，壩址位于七星關區與納雍縣界河六沖河中游潘家巖處。由水源工程、畢大供水工程、灌區骨干輸水工程等組成。其中，灌區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，如果為硬質巖石，那么不會有較快的鉆進速度。如果為軟質巖石，那么速度會快一些。如果有空洞，那么轉速會非常快。在斷層破碎帶或者有節理裂隙發育的巖石，會產生卡頓的情況，以致于降慢了鉆進的速度。巖體的完整性系數和相應的節理裂隙發育情況，可統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

依據北干渠余家寨隧洞巖溶水文地質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、地質分析進行結合實施相應的預報工作。其中，根據物探探測出來的成果，將其中存在的異常帶規模、位置及充水情況，對預報等級進行調整，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、加深炮孔和地質分析進行結合實施預報。

地質分析法。為依照隧道施工掌子面地質條件，如掌子面巖溶發育、滲水、破碎、顏色變化以及結結構面產狀等一系列情況，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定性等進行預報[4]。

物探探測法：為借助長短結合，綜合預報的形式。操作流程，要先對長距離預報(150m以內)進行使用，如TSP203探測等。如果長距離探測的過程中發現了異常帶，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，如地質雷達或紅外線探水等。

加深炮孔超前探孔：應用物探探測，發現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、掌子面前方9m存在不良地質，則嚴禁爆破開挖，報請設計，作相應變更調整。

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、巖溶強烈發育的高風險洞段，對于發現的巖體坡碎、巖溶發育、富水等異常地段。可在每個斷面當中，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，就需用一定數量的地質鉆孔驗證。鉆探法是最直觀、可靠的超前預報手段。在可能發生涌水或低瓦斯洞段采用超前地質水平鉆施作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為5孔，即頂拱1孔，兩側拱腰處2孔，邊墻2孔。根據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范圍內的地質情況(必要時可鉆100m以上)。采用YQ-100B潛孔鉆機或地質鉆機鉆孔，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兩側各一個[6]。

1#孔：圍巖性質：灰巖，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：灰巖，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：灰巖，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，屬于超前地質預報技術當中應用非常普遍的一種形式，使得對隧道地質數據的獲取更加直接和精準，并且起到了很強的預警災害作用。

超前水平鉆探技術與物探方式進行比較，其優勢特征更加突出，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。但是該項技術在隧道施工的應用，會占用一定的時間，對施工進度產生影響，同時費用也比較高，這也是非常明顯的缺點。所以，針對地質條件非常復雜的隧道施工，需要將傳統物探方式與先進物探手段進行結合，發揮彼此的優勢，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，實現經濟、實用的目標。此外，對于隧道綜合施工地質預報方法的選擇，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、經濟以及精準。

5 結 語

針對隧道工程的建設，超前地質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預報工作。