基于隧道掌子面炮孔鉆進的超前地質預報技術研究

瞿 竹，姬同旭，田湖南

(1.貴州三獨高速公路建設有限公司，貴州 獨山 558200；2.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081；3.中科院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430071)

0 引言

隨著我國水電、交通、礦山等行業工程建設的迅猛發展，越來越多的隧道修建在地質環境復雜的巖層中。在復雜地質條件下隧道開挖過程中，由于前方地質條件不清，不能提前做出預防，坍塌、冒頂、涌水、突泥等地質災害時有發生，造成的財產損失和人員傷亡巨大。因此，施工期隧道開展超前地質預報工作尤為重要。目前常用的各類超前地質預報的物探方法都有其局限性[1-2]，由于地質環境的復雜性和物探方法本身的多解性，基于間接法的超前預報和結構探測的精度還不是很高，需要融合直接法，形成多方法多設備綜合探測和超前地質預報技術體系。因此尋找新方法、新技術，從而進一步完善隧道超前地質預報的體系[3-15]。

鉆孔過程中鉆具與巖土體進行直接接觸，鉆具響應信息綜合反映了巖土體的力學性質，鉆具響應信息中隱藏的大量地質資料，可用于分析、測定巖土體的力學參數和空間分布，是進行地層界面識別和圍巖級別劃分的重要參考指標。現階段在巖土工程領域的鉆具響應信息并沒有被收集，造成了數據資源的極大浪費。眼鑒于此，本研究基于氣動鑿巖機破巖原理提供一種操作方便、費用低廉且較為可靠高效的隧道超前地質預報方法，可以進行實時的超前地質預報。炮孔是鉆爆法開挖隧道鉆爆開挖法施工過程中的必須環節，炮孔數量大、鉆進快，不另外占用施工時間，研究表明炮孔鉆進過程中的相關參數與前方圍巖質量有非常密切的聯系，本研究充分利用隧道炮孔鉆進中的相關參數信息，采集并建立參數與圍巖質量的關系，結合掌子面地質情況，對掌子面前方圍巖級別進行預報。

1 巖石抗鉆系數模型建立

1.1 氣動鑿巖機破巖原理

氣動鑿巖機破巖利用鉆進過程中的沖擊荷載作用破碎巖石，是一種常見的碎巖方式。在沖擊荷載下，巖石內的微裂隙、空隙等受到擠壓，相對的空間被迫減少、錯動，從而產生新的裂隙，巖石表面先形成裂紋，隨著沖擊作用進行，產生承壓核，發育成破碎坑最終導致巖石破碎[16]。

1.2 抗鉆系數

由破碎的過程可知，沖擊過程中，消耗的能量主要用于使巖石發生各種形變破碎、鉆桿鉆頭與巖石的摩擦、鉆桿沖擊巖石時抵消回彈做功等，其中有效的破巖消耗能量是造成各種巖石變形的能量。當鉆機相同時，這部分能量消耗只與巖石自身力學性質有關，是巖石抵抗鉆鑿破壞能力的重要標志[17]。

試驗針對巖石抵抗鉆鑿破壞的能力進行研究，因每種級別的圍巖物理力學性狀不同，單位體積破碎功是不同的，在相同條件下，某一種圍巖單位體積的破碎功是一個定值，它不僅反映了圍巖抗破碎的屬性，也能反映圍巖綜合物理力學特征[18]。

基于鉆進破巖的能量觀點，引入的巖體抗鉆系數，用于刻畫不同巖體級別圍巖的綜合物理特性指標。設破碎巖石總體積為V;單位時間(鉆機沖擊功為W;鉆桿的質量為m;考慮到因鉆進過程鉆機能量傳導、鉆桿鉆頭與巖石的非必要摩擦、抵消沖擊回彈、鉆頭剪切破巖等消耗一部分鉆機能量，引入效能系數u表示鉆進破巖能量轉化的有效系數。破巖總體積V取決于鉆頭底面積A，鉆進速率v以及鉆進時間t，根據能量守恒定律有：

Avtq=umaΔstf,

(1)

式中，t為鉆進時間；q為單位體積巖石破碎功；Δs為鉆桿單次沖擊位移(沖程)；f為沖擊頻率；a為振動加速度。

(2)

式中，K為抗鉆系數，在相同的鉆機條件下，抗鉆系數K與鉆進速率v、振動加速度a相關；u為鉆進破巖能量轉化的有效系數。

2 典型圍巖級別標準數據庫

2.1 建立圍巖級別標準數據庫

建立典型圍巖級別的抗鉆系數數據庫{Ki}(i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，分別表示Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖，下同)，抗鉆系數值越大，則圍巖性質越好，i表示的數字越小。通過在i級圍巖中進行多次炮孔鉆進并獲得鉆進信息，由式(2)計算得到一系列抗鉆系數Ki1，Ki2，Ki3，…，Kin，從而得到i級圍巖的抗鉆系數數據庫{Ki}。對i級圍巖的抗鉆系數數據庫{Ki}內的數據Ki1，Ki2，Ki3，…，Kin，根據概率統計方法進行數據篩選，篩選后的數據可以作為抗鉆系數標準數據庫{Ki}。根據中心極限定理，認為i級圍巖的抗鉆系數數據庫{Ki}內的數據Ki1，Ki2，Ki3，…，Kin服從正態分布。

(3)

取置信水平為95%的置信區間值，則z=1.96，即抗鉆系數的置信區間為：

(j=1， 2， 3，…，n)。

(4)

將計算所得數據納入抗鉆系數標準數據庫，形成i級圍巖的抗鉆系數標準數據庫{Ki}。

2.2 建立圍巖級別標準數據庫判別標準

對采集的鉆進參數根據式(2)計算抗鉆系數K，然后與上述建立的抗鉆系數標準數據庫{Ki}進行對比，計算待測抗鉆系數K值的所在范圍區間，若計算的抗鉆系數指數K∈(min{Ki}，max{Ki})，(i=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ)，即式(4)區間，則可以認為該鉆進段的基本圍巖級別為i級。根據掌子面現場圍巖的情況和巖石的點荷載強度、單軸抗壓強度的判別，與計算抗鉆系數得到的圍巖級別進行對比、驗證，對抗鉆系數標準數據庫{Ki}進行修正，再將隧道開挖后的實際圍巖級別結合采集到的數據擴充到抗鉆系數標準數據庫{Ki}中，這樣在下次預報的時候，可以利用豐富的抗鉆系數標準數據庫{Ki}，提高數據庫的準確性。

3 參數獲取

為獲取圍巖級別標準數據庫相關參數，本研究設計一套隨鉆監測設備，隨鉆監測設備示意圖見圖1。

圖1 設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of equipment

安裝于氣動鑿巖機上，采集鉆進速率、振動加速度的實時數據，利用隧道開挖過程中普遍的炮孔鉆進信息，即鉆進速率、振動加速度、振動頻率，繪制鉆進時間與炮孔鉆進信息的關系曲線圖，建立典型的圍巖抗鉆系數標準數據庫，構建圍巖級別與炮孔鉆進信息的關系，實現不良地質體探測與巖體基本質量判別等功能，形成隧道掌子面炮孔鉆進的短距離地質預報信息系統。

4 現場測試

為驗證設備和系統工作的穩定性和可靠性，本研究選取貴州在建三獨高速的紫林山隧道ZK36+177掌子面處(設計圍巖級別為Ⅲ級)和羅平隧道YK26+670(斷層帶，設計圍巖級別為Ⅴ級)、ZK27+077掌子面處(設計圍巖級別為Ⅳ級)作為依托點進行現場測試工作。通過在不同圍巖級別的炮孔鉆進過程中采集信息，分析認證鉆進速率、振動加速度、振動頻率與圍巖級別的關系，根據炮孔鉆進破巖原理的研究，利用提出的建立巖石抗鑿鉆能力模型的方法，采用抗鉆系數公式進行計算，分析隧道現場圍巖級別，與地質預報結果進行比對，為建立抗鉆系數標準數據庫擴充數據量。

4.1 鉆進速率

經過現場炮孔鉆進試驗，采集鉆進深度數據，建立鉆進深度——時間曲線，取紫林山隧道掌子面ZK36+177、羅平隧道掌子面ZK27+077、羅平隧道YK26+670斷層3處典型炮孔鉆進信息，根據鉆進深度變化量ΔL除以鉆進時間變化量Δt，即：v=ΔL/Δt，可以計算得到鉆進速率，對散點圖擬合趨勢線，可以得到鉆進速率的平均值。經統計，紫林山隧道Ⅲ級圍巖的鉆進速率取值范圍為0.18～0.26 m/min；羅平隧道Ⅳ級圍巖的鉆進速率范圍為0.25～0.45 m/min；羅平隧道Ⅴ級圍巖的鉆進速率范圍為0.49～0.55 m/min。

對3個炮孔的平均鉆進速率進行比較發現羅平斷層鉆速最快，羅平掌子面鉆速次之，紫林山隧道掌子面鉆速最慢，根據鉆進速率越快，圍巖強度越差，可以得到3個測試地點的圍巖強度有明顯的差異。

4.2 振動加速度

分析鉆進試驗中典型的振動加速度波形圖(圖2)，由圖可以看出，整個鑿巖過程可以用一系列振動加速度的波形進行體現。從振動加速度波形中可以看出，每次沖擊波形的持續時間與YT-28氣動鑿巖機的沖擊周期相一致，大約為25～30 ms，可以反映振動加速度傳感器采集的數據具有可靠性。在鑿巖機單次沖擊破巖過程中，鉆桿的運動狀態可以分為沖擊段、鉆桿回程段和再次沖擊段3個階段，為準確建立振動加速度與圍巖級別的關系，本研究選取沖擊段作為主體數據進行分析研究。

圖2 鉆機三次沖擊破巖振動加速度曲線Fig.2 Acceleration curve of rock vibration caused by 3 impacts of drill

對3個炮孔的典型振動加速度波形進行比較發現，紫林山掌子面ZK36+177炮孔、羅平掌子面YK27+077炮孔、羅平斷層ZK26+670炮孔，3者的振動加速度均值和振動加速度極值均依次減小，根據鑿巖機破巖原理的分析研究，可知振動加速度越大，鑿巖機破巖所做沖擊功越多，圍巖強度越大，圍巖級別就好。

表1 沖擊段振動加速度采集數據Tab.1 Collected vibration acceleration data of impact section

4.3 振動頻率

當單次沖擊做功一定時，巖體質量越好，所反映的振動強烈程度也就越明顯，所以在鉆進的信息中，振動強烈程度可以作為識別巖體基本質量的重要指標，而振動強烈程度可以由巖石的振動頻率所反映。所以利用沖擊段振動加速度波形進行頻譜分析，通過傅里葉變換可以得到對應的振動頻率并繪制典型的沖擊振動頻譜圖，得到相應的主頻范圍。

通過對3個不同掌子面振動頻率的統計進行分析來看，3個沖擊段振動加速度主頻范圍有明顯的差別，且巖體質量級別與振動主頻具有正相關，振動主頻范圍高的巖體質量較好。根據(表2)可以看出，沖擊段振動加速度、振動主頻率與圍巖級別具有明顯的相關性，反映為主頻范圍區間值、振動加速度值越大，圍巖的質量越差。

表2 沖擊段主頻范圍與振動加速度、圍巖級別關系表Tab. 2 Relationship of main frequency range of impact section with vibration acceleration and surrounding rock level

4.4 圍巖級別

對紫林山掌子面Ⅲ級圍巖、羅平掌子面Ⅳ級圍巖、羅平斷層Ⅴ圍巖3地的炮孔鉆進速率、沖擊段主頻范圍、沖擊段振動加速度進行統計匯，確定其鉆進速率、沖擊段主頻范圍、沖擊段的取值范圍(見表3)。

表3 不同級別圍巖的圍巖鉆進速率、鉆進振動主要參數范圍Tab.3 Main parameter ranges of drilling speed and of drilling vibration of different levels surrounding rock

取沖擊段加速度均值進行抗鉆系數的計算，并且確定不同級別圍巖的抗鉆系數區間，建立抗鉆系數標準數據庫{Ki}。通過式(2)利用沖擊段振動加速度均值和鉆進速率計算不同圍巖級別的一系列抗鉆系數，并通過式(4)求可信度為95%的正態分布區間，可以得到如下抗鉆系數范圍

(5)

式中，K1，K2，K3分別為Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖的抗鉆系數區間。由于數據樣本較少的原因，抗鉆系數區間存在重疊部分，如計算結果在重疊范圍內，需結合現場掌子面情況綜合判定。

紫林山隧道ZK36+177后半段與羅平隧道YK27+077后半段和YK26+670的Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖鉆進信息數據，重復上述計算步驟，對YT-28型氣動鑿巖機抗鉆系數標準數據庫進行驗證，如表4所示。

表4 YT-28型氣動鑿巖機抗鉆系數標準數據庫驗證計算表

驗證結果表明，上述YT-28型氣動鑿巖機抗鉆系數標準數據庫結果較好，計算得到的抗鉆系數K值均屬于對應的圍巖抗鉆系數范圍區間。通過鉆進速率、振動加速度計算抗鉆系數，具有較好的判斷圍巖基本級別的能力。

5 結論

(1)進行巖石的可鉆性研究，證明了巖石的可鉆性與鉆進速度v、振動加速度a以及振動頻率f有直接的關系，引入了巖石抗鉆系數，并且建立了巖石抗鉆系數的關系式，建立了不同級別圍巖的巖石抗鉆系數標準數據庫，完成了隧道掌子面炮孔鉆進短距離地質預報的理論研究。

(2)研發了一套隨鉆監測設備，應用于氣動鑿巖機，隨鉆設備可采集鉆機鉆進速率v、振動加速度a的實時數據，由監測單元儲存并無線傳輸給接收單元(筆記本電腦等)，接收單元加載了鉆進信息采集軟件，可以顯示振動加速度波形與鉆進深度的動態變化情況。

(3) 將采集到的鉆進速率v，振動加速度a的時間變化繪制二維曲線圖，并將振動信號進行傅里葉變換，進行信號的頻譜分析。構建了巖體級別和鉆進信息的定量關系，可以在較短時間內用來判別圍巖級別，探測前方不良地質體情況。

(4) 在貴州三獨高速羅平隧道、紫林山隧道等隧道進行推廣應用，并初步建立了基于圍巖巖石類型為石英砂巖的不同級別圍巖的巖石抗鉆系數標準數據庫。同時與開挖現場的地質報告進行比對，完善了數據庫。