隧道超前地質預報水平沖擊鉆探取芯措施

余 杰

(四川蜀通港口航道工程建設有限公司，四川 南充 637000)

0 前 言

隧道的挖掘工作中，必須了解前方的地質情況，而水平沖擊鉆探取芯作為一種可以直觀反映前方地質狀況的方法，在目前的隧道超前地質預報中應用比較廣泛，尤其在復雜地質結構下具有非常強的應用效果。為了能進一步提升該技術的應用水平，還需要加強對相關技術措施的研究，提升鉆探取芯工作的速度和精度，滿足隧道挖掘工作的要求。

1 水平沖擊鉆探取芯和鉆探預報原理

1.1 水平沖擊鉆探取芯原理

水平沖擊鉆探取芯技術是在潛孔錘鉆鑿原理的基礎上發展出的潛孔錘鉆取樣技術，具有鉆進速度快、成孔率高的特點。通過在潛孔錘的下部增加取芯鉆具，完成取樣鉆進的工作[1]。開展隧道超前地質預報水平沖擊鉆取芯技術時，會使用空壓機、隧道取芯鉆機、鉆桿和鉆頭，為了確保施工效率，還會使用其他輔助工具開展工作。

1.2 隧道超前地質預報

隧道超前地質預報的主要作用在于探測隧道開挖前方的地質狀況，是水平鉆探取芯工作的重要手段，尤其在高風險隧道的挖掘中，隧道超前地質預報工作和隧道開挖工作交替進行，以保證隧道開挖可以得到超前預報所提供的數據和信息，保證隧道掘進的安全性，減小施工過程中受到的環境干擾[2]。超前預報可以讓施工技術人員直觀地了解前方地層巖芯的情況，直觀地觀察地層的巖性，從而對地下有害氣體、特殊地層的構造做出判斷，優化掘進方案，保證隧道施工的安全性和流暢性。

1.3 水平沖擊鉆圍巖地質預報原理

沖擊鉆探時預報前方圍巖結構地質情況的工作中，會對鉆探過程中現場觀察記錄和鉆探機鉆進工作記錄的綜合分析，分析鉆進工作的難易程度，從而完成對巖體地質特征的推測工作。鉆探過程中現場觀察主要記錄的護具包括鉆探的施鉆、終鉆的時間，記錄鉆進過程中鉆進深度、鉆進速度、沖洗液顏色、返渣顆粒大小和形狀等特征，并且分析鉆探過程中出現的卡鉆、跳鉆、坍孔等異常情況。鉆機自帶的記錄系統會記錄鉆進過程中的推進壓力、轉速、進水量、扭矩、排水量等因素[3]。通過綜合各類鉆探記錄內容，可以判斷前方斷面在孔位范圍內的巖體地質狀況，之后利用初始鉆探掌子面圍巖地質情況和其他前期地質勘測資料，可以比較全面地完成對鉆探段內隧道斷面巖體地質狀況的預測。

2 水平鉆探超前地質預報應用范圍和應用條件

獲取地下地質結構信息時，還包括探地雷達、瞬變電磁儀等設備，但是相對而言水平鉆探能更好地反應地質實際情況，因此適用范圍較廣。

2.1 應用范圍和條件

2.1.1 應用范圍

1)如果現場的地質結構比較復雜，存在構造異常的問題，圍護等級為Ⅳ級或者Ⅴ級的洞段，應該使用超前鉆探法。

2)如果掌子面方向的一定距離內已經發現有潛在的富水體，或者在隧道周圍存在暗河，并且賦存水壓或者體積比較大，導致水文地質條件比較復雜的地段。

3)在掌子面方向，已經探明或者有可能存在溶洞或者坑洞，并且溶洞的規模比較大，填充多而且發育程度比較高，容易出現突水、突泥風險的洞段。

4)若使用其他物探方法發現存在明顯異常，或者并不能有效預報的洞段，也必須使用水平鉆探超前地質預報[4]。

2.1.2 應用條件

需要超前預報的距離在100 m以內，如果情況特殊，可以將預報距離提升到150 m。開展水平沖擊鉆取之前，應該保證掌子面和周圍圍巖的狀態穩定，避免鉆取工作開始后出現安全風險。由于鉆探過程中需要進行調整，所以掌子面應該預留足夠的空間。

2.2 超前預報鉆探方法對比

目前常用的水平沖擊鉆探超前預報的方法包括取芯地質鉆、頂錘式回轉沖擊鉆和潛孔回轉沖擊鉆，表1為幾種方法在工程中的對比。

表1 超前鉆探方法對比

2.3 預報信號解譯

采集所獲得的所有參數都是相對于鉆進掌子面圍巖狀況的相對值，所獲得非參數的絕對值僅僅在相近區域參考性比較強；地層的具體情況應該根據現場的記錄進行判定[5]。所獲得的數據中，只有自動鉆進獲得的數據才具有參考意義，對各類數據進行分析時，參考順序為鉆進速度、扭矩、推進力、旋轉速度。而且在解譯信號的工組中，不能僅僅關注某一點的數據變化情況，而是應該綜合整體不同數據的變化規律，實現對地層狀況的綜合判斷。

3 水平沖擊取芯鉆具

隧道超前地質預報水平沖擊的鉆具主要包括雙重管沖擊取芯鉆具、三重管沖擊取芯鉆具。

3.1 雙重管沖擊取芯鉆具

雙重管沖擊取芯鉆具由沖擊器、雙層鉆具和取芯鉆頭構成，其中雙層鉆具管包括鉆具外管和鉆具內管，外管是使用整體特指材料構成的鋼管，鉆具的內管由2個半合管構成。內管的2個半合管合稱為一個整體后，將其裝入到鉆具外管中，構成雙重管沖擊取芯鉆具，鉆具的下部連接取芯鉆頭，上部和沖擊器連接，沖擊器再連接鉆桿，最終構成雙重管取芯鉆具。鉆進施工的過程中，取芯鉆頭破取巖石之后，獲得的巖芯會進入到鉆具的內管中，利用鉆具的雙層結構可以有效保護巖芯，外管能夠承受外部的沖擊和扭矩，避免外部沖擊直接損害巖芯，還能提升水平超前沖擊鉆的鉆芯速度，滿足巖芯采取率。

3.2 三重沖擊取芯鉆具

三重沖擊取芯鉆具包括三重管鉆具、取芯鉆頭和沖擊器三部分組成，三重取芯管使用了雙管取芯的設計原理，在制作上使用了3層管結構，能進一步保護巖芯。在結構上，三重取芯管包括鉆具內管、鉆具中管和鉆具外管，可以滿足隧道水平超前沖擊取芯鉆進的要求，并且擁有比較快的鉆進速度，因此，在巖芯采率上更高，能極大程度延長鉆具的使用壽命。

鉆具的內管使用了2個特制的半合鋼管，鉆進取芯過程中獲得的巖芯將被裝入到巖芯的內管中[6]。能避免巖芯在鉆進過程中受到干擾，并且可以保證巖芯的采取率，因此，鉆進的速度較高，而且能滿足巖芯質量控制要求。

鉆具中管是一個完整的鋼管，和鉆具內管連接緊密，中管可以對內管進一步加固，避免巖芯裝入內管過程中鉆具內管由于不能承受壓力導致脹開。

鉆具外管會包裹鉆具中管和內管的組合，保護鉆具中管、內管不受到外部沖擊作用影響，并且也傳遞著水平鉆進工作過程中的沖擊力和扭矩。

4 水平沖擊取芯鉆進鉆機和輔助技術

由于水平鉆進過程中所遇到的情況是變化的，為適應不同條件下的水平取芯鉆進要求，還需要進一步完善鉆具，以及使用一些輔助技術解決鉆進過程中的問題。選擇鉆機時，也要根據要求進行選擇，滿足沖擊鉆探取芯對轉速、扭矩等方面的要求，保證能夠完成地質情況的超前預報。

4.1 混合動力系統

鉆機在使用過程中應該符合操作容易的要求，因此，一般都會對設備進行輕量化設計，改進鉆機的工作中，應該使用輕量化的設計理念開展設計工作，對鉆機進行模塊化和輕量化設計，還能滿足快裝的功能，提升現場的靈活性。鉆機進出隧道施工現場，或者施工現場并沒有電力系統驅動鉆機時，可以使用柴油機代替滿足隧道超前地質預報取芯和沖擊鉆探取芯的要求，并節約工程的施工時間。

4.2 使用水平沖擊鉆探輔助平臺

在隧道內部進行施工需要滿足快速施工需求，進入和撤出隧道方便的要求，所以可以在鉆機的底板設置鉆桿、鉆具的安放平臺。操作臺的底部應該設置工具箱，保證所有的施工鉆桿、鉆具以及其他工具進出現場方便快捷，能快速完成施工工作面的撤離工作。

4.3 除塵裝置

隧道內進行水平沖擊鉆作業時，將會有很多粉塵產生，會影響周圍的環境，還會直接危害作業人員的身體健康，也不利于作業的進行。為此應配置除塵裝置(見圖1)，減少沖擊鉆作業過程中的粉塵，鉆芯作業過程中，將水裝入到除塵裝置水箱，然后在水箱的上部通入高壓風，在施工過程中水箱隨著高壓風一同進入到沖擊器中，通過鉆頭底部進入到孔底中，潤濕隧道內的空氣，達到去除粉塵的目的。

圖1 除塵裝置

4.4 巖芯快速退取

將巖芯裝入到巖芯管終止后，鉆具的內管會受到巖芯的擠壓作用向外膨脹，所以鉆具內管和中管之間會有比較大的摩擦作用，會增加人工退芯的工作難度，不利于工作進行。因此，可以使用液壓設計原理，使用鉆機自身的液壓系統進行巖芯的快速退取。快速退取裝置安裝在鉆機的尾部，通過鉆具中管外部插入到內部，然后用油缸頂住鉆具的內管，利用液壓將鉆具的內管從鉆具中管推出，快速完成巖芯退取工作。

5 結束語

水平鉆探進行超前地質預報時，需要對掌子面前方的圍巖成分進行試驗，在滿足條件后才能開展取芯鉆探工作。鉆探過程中，應針對不同的地質情況選擇合適的鉆探方法，保證鉆探工作的契合性。技術人員還需要繼續創新水平沖擊鉆探取芯技術，提升鉆探工作的效率和安全性，滿足隧道掘進的要求。

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