宜万铁路齐岳山隧道地质水平钻探应用技术.pdf

2 0 0 6 年第4期 探矿工程 岩土钻掘工程 5 9 宜万铁路齐岳山隧道地质水平钻探应用技术 白明洲 ， 杜永强 ， 赵西民 ， 张爱军 1 ． 北京交通大学， 北京 1 0 0 0 4 4 ； 2 ． 中铁十二工程局， 山西 太原 0 3 0 0 2 4 摘要 超前地质探测是隧道安全施工的重要保障， 水平钻探技术具有直接和准确的特点， 因此快速水平钻探技术 成为超前地质探测的主要手段之 。以宜万铁路齐岳1 L J 隧道为背景， 研究了隧道施工过程 中快速水平钻探的点位 选择 、 钻进丁艺、 数据处理等技术， 探讨了快速水平钻探与其他探测手段的配合方法。 关键词 宜万铁路； 齐岳山隧道； 水平钻探； 超前地质探测 中图分类号 U 4 5 5 ． 4 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 2 7 4 2 8 2 0 0 6 0 4 0 0 5 90 3 S t u d y o n A p p l i c a t i o n T e c h n o l o g y o f Ge o l o g y Ho r i z o n t a l Dr i l l i n g i n Qi y u e s h a n T u n n e l a t Y i w a n R a i l wa y ／ B A l Mi n g z h o u ， D U 一 q i a n g ， Z H A O X i mi n ， Z H A N G A i - j u n 1 ． B e i j i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，B e ij i n g 1 0 0 0 4 4， C h i n a ；2 ． T h e 1 2 “ E n g i n e e r i n g B u r e a u o f C h i n a Ra i l wa y ，T a i y u a n S h a n x i 0 3 2 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ad v a n c e g e o l o g y e x p l o r a t i o n i s a n i mp o r t a n t s a f e g u a r d o f t u n n e l e x c a v a t i o n ． Ho ri z o n t a l d r i l l i n g t e c h n o l o g y h a s t h e c h a r a c t e r o f d i r e c t n e s s a n d e x a c t n e s s ．F o r t h i s r e a s o n，F a s t Ho r i z o n t a l d r i l l i n g t e c h n o l o gy i s c o n s i d e r e d a s o n e o f t h e i mp o r t a n t g e o l o gy e x p l o r a t i o n me t h o d ．S o me i mp o r t a n t f a c t o r s，s u c h a s d r i l l i n g p o s i t i o n s e l e c t i o n，d ri l l i n g t e c h n i q u e s a n d d a t e t r e a t i n g t e c h n i q u e s a r e s t u d i e d ， t a k i n g Q i y u e s h a n t u n n e l o f Y i w a n r a i l w a y a s a n e x a m p l e ．T h e c o o p e r a t i n g me t h o d o f f a s t Ho riz o n t al d r i l l i n g t e c h n o l o gy wi t h o t h e r e x p l o r a t i o n me t h o d s i s a l s o s t u d i e d ． Ke y w o r d s Y i w a n R a i l w a y ；Q i y u e s h a n T u n n e l ； h o ri z o n t a l d ri l l i n g ；a d v a n c e g e o l o gy e x p l o r a t i o n 1 工 程概况 宜万铁路齐岳l IJ 隧道地处湖北省利川市城外西 偏北2 3 k m处， 东起野茶乡乐园沟， 向北西垂直穿越 齐岳山， 在百艾沟下真咀f n 几， 路肩标高9 7 5 ． 8 2 1 13 ， 全长 1 0 4 6 3 1T I ， 洞身最大埋深 6 7 0 m。 齐岳山从形态 属 背斜紧闭 、 向斜宽缓 的隔挡 式褶皱构造。褶铍轴呈北东 一 南西向的束状、 略有 弯曲的紧闭褶皱， 隧道穿越地段褶皱轴呈北 3 0 。 ～ 4 0 。 东。核部由二叠系 卜 统吴家坪组下段 P W 扑 可溶岩地层 组成 ， 两翼则 由 P W 和 P c T 和 1 r 2 等地层对称重复出现， 其中南东翼地层倾角为 7 0 。 ～ 8 5 。 ， 局部有直立或倒转； 北西翼地层倾角为 4 0 。 ～ 5 5 。 ， 两翼地层倾角不对称的歪斜褶皱。分布有大 小断层共计 1 0 余条， 北两向节理较发育， 为地下水 排泄提供 r 有利的条件， 齐岳1 【 J 背斜岩层倾角陡， 层 面也为地下水沿岩层面走向流动提供了极为有利的 条件。齐岳 山隧道的地质条件决定了该隧道所在地 区岩溶非常发育， 岩溶突水成为隧道施工过程中的 主要地质灾害， 必须在施1过程中应用钻探等方法 进行超前地质预报。 2 水平钻探技术 应用水平超前钻探， 查明掌子 前方的地质情 况， 一般在物探异常的基础 卜 I应用钻探力 ‘法 ， 探测最 大距离在几 十米到 百米。 目前 ， 在水平钻探领域 ， 我国设计牛产的钻机主要有 D K系列、 钻石系列和 MK系列等， 根据探测深度的不同， 1 0 0 1T I 以内的钻 孔选 D K一1 5 0、 MK一1 0 0或 钻 1 0型 等， 1 0 0～ 3 0 0 1 T I 的钻孔选钻石 3 0 0或 MK一3 0 0型钻机 。 实际探测过程 中， 钻机和泵的安装 以及钻进过程往 往占用较多的时问， 新型的 R P D一 1 5 0 c 多功能钻 机由于具有很高的机动灵活性和高速钻进使得超前 水平钻探工作效率大为提高。 R P D一 1 5 0 C型多功能钻机为旋转冲击式钻机， 采用高』 玉水进行清洗钻孔 ， 主要件能参数为 水平最大钻孔深度为 1 5 0 1T I ； 钻孔 径 6 5～ 2 2 5 m m之问 ， 分为取心和不取心两类 ； 采用履带行 走 ， 最大爬坡角度为 3 O 。 ， 推进 ‘ 式为液爪和链 条组 合 的方式 ； 最 大旋转扭距 8 0 0 0 N I l l ， 最人旋转数 8 0 r ／ m i n ， 最大打击数 2 2 0 0 b p ／ m； 钻 控制臂的角 度为垂直方向 一 9 O 。～3 O 。 ， 水平方 向左右各 3 5 。 ； 采用内燃机作为动力； 机体尺寸 运输时 为长 7 2 2 0 收稿日 期 2 0 0 5～ 1 2 2 6 基金项 目 铁道部科技开发计划项 目 T D B 2 0 0 4 G 0 2 1一B一1 ； 北 京叟通 大学基金项 口 2 0 0 3 S M 0 2 0 作者简介 白明洲 1 9 6 7 一 ， 男 汉旅 ， 河北人， 北京交通大学副教授， 地质T程专业， 博 { ， 研究方向为地质火 防治 I 稿 ， 北东市西直门外 上同村 3号 ， 0 1 0 5 1 6 8 7 2 4 4、 1 3 9 0 1 3 0 0 4 3 9 ， m z h b a i 1 2 6 ． c o m。 维普资讯 探矿工程 岩土钻掘。 I 程 2 0 0 6年第 4 期 m m、 宽 2 4 5 0 m m、 高 2 5 5 0 m m， 总重 1 2 0 0 0 k g 。 R P D一1 5 0 C型多功能钻机数据记录采用以 “ 件” 作单位， 如图 1 ， 最小步长可设置为 1 c m， 各个 数据均为步长内的平均值。 图 1记 录 卑 位 图 钻进过程中的平均速度可用下式计算 F L ／ t l 式中 F 钻进速度； L 步长； t 钻进本步 长所用的时问。 通过 R P D一1 5 0 C型多功能钻机的使用 ， 在齐岳 山隧道的超前地质预报工作中提高了工作效率。 3 钻探点选择与钻孔布设 应用 R P D一1 5 0 C型多功能钻机进行隧道施工 超前地质预报并不需要在每一个进尺里程都进行钻 探， 而是选择性钻探， 在其他更加简便易行的探测方 法判定的危险地段的基础上进行钻探， 可以最大程 度减少工期占用和提高效率。 进U 首先对地表岩溶洼地、 槽谷、 峡谷和分布在其中 的落水洞、 漏斗、 竖井等进行调查 ， 地下溶洞或暗河、 干洞调查， 找出岩溶发育与地层岩性组合特征、 地层 产状要素、 褶皱形态、 断层和节理等关系， 圈出地表 岩溶洼地、 槽谷及其中的落水洞、 漏斗、 竖井等与地 下岩溶管道系统的关系。 在此基础上 1 依据岩溶化含水层 组 和非 岩溶隔水层 组 的划分， 在褶皱构造中以隔水层 组 分布和圈闭来划分水文地质单元和地下水类 型； 2 以地表分水岭、 夷平面、 岩溶洼地和槽谷以 及其中的落水洞、 漏斗、 竖井等作为岩溶化含水层 组 的补给区； 3 以溶洞、 暗河、 大泉等出口的位 置的分布和排列作为地下水的排泄区； 4 在补给 区和排泄区间找出地下水可能的径流方向和途径， 并结合该地岩溶发育规模确定岩溶管道系统的可能 位置， 即从补给区的岩溶洼地、 槽谷及其中的落水 洞、 漏斗、 竖井一径流区的可能管道位置一排泄区岩 溶管道和地下水的出15 等； 5 在确定溶洞、 暗河系 统基础上， 根据隧道设计高程确定可能遇到的岩溶 系统的危险地段。经上述综合分析圈定的隧道通过 地段可能遇到岩溶管道位置和深度， 可供地质雷达 和 T S P物探等探测的位置， 在地质雷达等物探手段 确定的危险异常区进行钻探 图2 ， 这样才能确保 施工安全和占用工期最少。 ＼D K 3 6 2 2 0 0 I K 3 6 1 4 6 0 K D 3 6l 6 0 0 图 2 齐岳 山隧道超 前钻探区段分布示意 图 在具体钻探掌子面的钻孔布设 ， 根据异常目标 体分布范围布置， 最少在掌子面中间部位布置一个 钻孔 图3 ， 条件复杂时增加钻孔数量。 ． 、． I c m T O- ● 一 内轨顼叫 图3 钻孔布设示意 图 4钻进方案 钻进过程中对钻头压力、 钻进速度和冲洗液泵 量及其性能的选择是决定钻进效率的重要指标 ] ， 在钻进中， 充分发挥切削具初刃的切削破岩优势， 在 钻进开始就以允许 的最大初始 钻压 钻进 ， 以提高钻 效。对于钻头速度 的选择主要原则是在完整基岩地 段以中等速度钻进， 在破碎带及软弱岩段以高速钻 进。对冲洗液泵量的选择要依据孔底岩粉量的多少 及时调整， 同时考虑钻进速度和孔径的变化。 齐岳山隧道具体超前钻孔施工要求一般为 1 每个钻孔孑 L 15必须安设孔 15管， 孔15管采用长 1 5 0 c m的 0 1 0 8 m m钢管， 管端安设 1 5 0 m m闸阀， 并用 3 根 0 2 2 m m锚杆固定牢固； 2 钻探以探水、 探测空洞位置及宽度为目的， 一般不取心， 因此在钻 维普资讯 2 0 0 6年第 4期 探矿工程 岩土钻掘工程 6 l 探过程中埘下Jl n 现 钻、 跳钻、 突水等异常现象做好 详细记录； 3 加强对排水设备的维护T作， 确保排 水系统快速、 高效的运转； 4 做好应对一切突发事 件的应急措施 如逃生、 照明等 及必备物资； 5 超 前钻孔角度一般为竖直角0 。 ， 水平角 0 。 。 现场布置和施工流程按图 4所示方案进行 ， 由 于 R P D一1 5 0 C型多功能钻机的机动灵活性能很好 ， 具有很高的钻探效率。 5 数据处理分析 R P D l 5 0 C型多功能钻机数据记录自动化， 数 据记录分为钻机系统自动数据记录部分和施工中人 工记录部分， 钻机电脑 自动记录数据包括 钻进速 度、 孔深、 回转力、 旋转速度、 给进力、 打击速度、 破坏 能 、 进水量、 进水压力、 排水量 、 排水压力 、 时间等 f 确定掌九m ， 选择女 f 铺 孔 ” J J 埘再种施 】 ‘ 按照要求进行摆吐币 u 连接，“【 { 4 1i J L 角度进行调牡 J 1 ．直 装 保 护 装 置 ， 4 L L I i4 ， 钻 机 进 仃 涮 试I I 施钻，现场情况 采 J l 钻 孔 水， 机 械 撇⋯ 洞外 图4施工流程 图 表 1 ， 根据记录情况可以绘制参数的时间分布曲 线 如图5 、 6 ， 实时判定钻进过程中的地质情况。 人工数据记录部分包括 钻进 中遇到的特殊情况 、 跳 钻、 卡钻、 水压突然变化、 钻f l 1 岩砾情况、 冲洗液的情 况。每钻进 1 ． 5 m取岩屑样本一次、 取水质样本一 次， 并作好书面记录与编号， 以便以后进行分析。 表 1 钻探数据实时记录表 - ／k N 打 ／ J 黜数 ／ M P a ⋯ l 5 2 7 3 3 0 ． 7 4 0 1 5 2 8 4 2 0 ． 7 6 0． 0 3 1 5 28 4 3 0 ． 7 8 0． 4 9 1 5 2 8 4 4 0 ． 8 0 0 ． 4 9 l 5 2 8 4 5 0 ． 8 2 1 ． 3 2 1 5 2 8 4 6 0 ， 8 4 1 ． 3 2 O 0 0 ． 1 3 0． 6 2 3 5 O 0． 6 2 3 4 0 0． 6 2 3 4 0 0． 6l 3 4 0 0． 61 3 4 0 6 O 9 3 9 6 9 6 9 6 9 6 0 0 ． 2 0 ． 2 0 ． 2 0 ． 2 0 ． 2 j 善2 】 m 】 图 5 钻孔速度随时 间变化 曲线 L - J Ii t i ． 1l-■■ ．山 ． ‘ I - Il 盯 1 lr 1 r T ’ I r _ l lfr 1 ll l 1 I F I 哪 0 2 1 { 1 I S 6 7 牲 ， 】 I I n If,1 J ／ I． i n 图6 推进力随时间变化曲线 一 般采用曲线对比法对围岩进行分析， 分析数 据时不能根据一个数据或者图形而简单地下结论， 数据分析需要综合所有的施工记录和已经获得的经 验数据。一般施工主要分析钻进速度、 打击能、 进水 压、 施上人工记录等。根据图 5 、 6所示的钻进速度 和推进力的分布情况综合分析 ， 口 』 以判定该 段岩体 基本为裂隙化基岩 ， 尚未遇到岩溶空洞 6结语 对于高风险的岩溶山区深埋特长隧道的施工， 用钻探技术进行超前地质预报l是必须的T作程 序， R P D一1 5 0 C型多功能钻机具有高机动性， 数据 收集高自动化以及高钻速和长距离钻探的特点， 可 明显提高钻探工作效率和节省 期， 根据钻探结果 实时判断地质条件 ， 为齐岳 山隧道 的安伞施工提供 了保 障。 参考文献 [ 1 ] 邬泰 等． 岩十钻掘 I ‘ 程学 [ M] ． 武汉 中网地质大学出版 社 ． 2 0 0 1 ． f 2 1 l 世光． 钻探 工 程 [ M] ． 北京 地质 版社 ， 1 9 8 6 [ 3 ] 黄恒杰， 谢常麓， 殷关虎． 广西 溶石【 医水文水井钻探施_T 难点及其技术 对 策[ J ] ． 探 矿 岩 土钻 掘_上程 ， 2 0 0 5， 3 2 4 5 O～5 3 ． 维普资讯