超前水平探测预报技术

摘要：本文结合丹大快速铁路金固隧道工程实例，详尽的论述了在隧道施工中超前水平探测预报技术的原理、工艺特点、适用范围、超前水平探测预报的工艺流程及超前水平钻探预报实施操作要点，并在工程结束后就此技术进行了认真的总结，积累了许多宝贵经验，可为类似工程施工提供一些可借鉴的经验。

关键词：隧道；超前；水平；探测；技术

Abstract: this paper JinGu Dan rapid railway tunnel engineering examples, discusses in detail the construction of the tunnel advance level detection forecast technology principle, technological features, scope of application and advance level detection forecast process and advanced level drilling forecast implementation operation, and the key point in the project ends in this technology has carried on the earnest summary, accumulated a lot of valuable experience for the similar engineering construction, can provide some experience can be used for reference.

Keywords: tunnel; Lead; Level; Detection; technology

中图分类号：O434.12文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

前言

为确保隧道开挖施工安全，在开挖至地质异常体前（约10~20m）,施作20~50m的超前水平钻孔，以查明地质异常体是否真正存在，其确切位置、破碎程度以及是否有瓦斯和涌水，以指导制定相关施工技术措施。

1、超前水平钻探预报原理

在隧洞内利用钻机进行水平钻进，根据钻进速度的变化，岩芯鉴定，钻孔冲洗液颜色、气味，岩粉及遇到的其他情况和钻孔资料来推断隧洞前方的地质情况。此法可以直观反应岩体的情况，施工人员可根据实际地质情况进行下步施工组织。

2、工艺特点

预报直观、准确，操作简单，与物探等其他探测手段综合进行地质分析预报效果最佳。

3、适用范围

适用于复杂地质条件隧道不良地质探测，特别是在富水洞段对水的探测。探测深度为20~50m。

4、超前水平探测预报工艺流程

工艺流程见图1。

图1超前水平探测预报工艺流程图

5、超前水平钻探预报

（1）实施的前提

利用综合地质分析技术，对断层影响带等大的地质构造到掌子面特定的地层岩性、构造和节理裂隙发育情况、地下水状态、围岩稳定性等具体地质现象进行预报和判断，然后在此基础上进行50m以上的远距离物理探测，进一步对前方地质情况进行确认。通过上诉地质分析和物探手段预报，可以比较准确地定性预报出前方一定范围的不良地质情况，当判断出前方有对工程影响严重的不良地质现象，即可采用水平地质钻探进行直观的探测预报。

（2）探孔数量。

钻孔数量根据实际的工程地质确定，原则上布置1~9个不等。对一般富水洞段可以布置1~3个个探孔，对高压强富水洞段需要在掌子面前方成放射状布置6~9个探孔。

（3）探孔深度

钻孔深度取决于储水构造的走向。当储水构造垂直于洞线时，各个孔深几乎相同，当以小角度斜交时，孔深需根据其几何关系确定，不同部位的探孔深度不同。

（4）钻孔方案设计

根据地质分析和物探方法对前方工程地质的初步判断，并结合掌子面揭露的实际情况，有针对性地设计几个探孔。对每个孔的具置、孔向、深度进行专门的设计。

施工过程中，对地下水的探测遵循“探一个孔分析一个孔，处理一个孔”的原则，杜绝几个设计孔同时钻探或者待全部孔钻完后再处理的做法。

6、钻探施工

（1）孔口处理

当确认前方可能有水时，在开钻前需要安装孔口管。安装孔口管主要有两个重要作用：一是当出现涌水时可以再安全退钻后对水进行可控排放；另一方面可以利用孔口管进行原孔注浆。一般富水洞段孔口管采用钻孔注浆预埋方式；对可能揭露高压水的洞段还需利用锚杆杆固定孔口管，确保稳固，孔口管的埋设方位要根据设计的孔向进行。

孔口管安装后要安装压力表，同时留出减压阀。

（2）施工准备及钻机固定

孔口管安装好后，可以进行钻孔前准备。钻孔前主要准备好照明、动力、钻机平台及钻机安装等。钻机安装牢固，要根据预计出水压力与钻头大小计算水压力给钻机的推力，然后根据最大推力的2~3倍系数进行钻机的加固，确保高压水揭露后不会钻机。

参与钻进、记录的相关人员、物探工程师、地质工程师到场，各种记录表格准备齐全，测量仪器（如秒表、容器等）准备齐全。

（3）钻进

准备工作就绪后，可以开始钻进。

（4）现场跟踪及地址判断

①钻进速度控制与记录。在孔口管内开口时，放慢钻进速度，严格按照设计的角度从孔中心钻进，避免钻进过快孔位偏离损伤孔口管。待钻过孔口管，钻头不会冲击孔口管后，适当加快钻进速度，保持中速钻进。钻进过程中，每10min记录一次钻进速度，要及时记录钻进过程中突发的过快过慢。

②钻进压力控制与记录。钻进速度和钻进压力成正比关系，钻进压力保持稳定来控制钻进速度。同时，比较稳定的压力也是进行地质判断的基准。

随时注意钻进压力的变化，一般情况下每10min记录一次钻进压力，对突发的压力增大或突然地卸压情况必须及时记录，并记录好相应的钻杆数量，以此推算发生压力突变的孔深位置。

③孔内流出物判断。孔内流出物主要是循环水和水携带的其他物质，比如石屑、石粉、揭露出的水等。根据不同岩石粉化后的性状和颜色，大致可以判断出钻进位置岩石的岩性，同时可以通过孔内返水和循环进水水量之间的关系判断孔内是否有水揭露出来，当有压力水射出时就明显表示揭露出了高压水。

④水量估算与测量。当水被揭露出来后，需对水量进行测量，测量可以通过容积法方式测量，当容积法测量有困难时，可以采用目测估计的方式进行，但估算人需要有一定的经验，否则误差较大，影响判断精度。

⑤适时停钻与退钻。一旦发现孔内出水，应该立即停止钻进，观察判断出水情况。

对水量的判断：停钻后，通过各种方法对出水量进行判断，当水量不大于30L/S并没有增大的迹象时，不必退钻。

对水压的判断：通过射水距离、手触等方式对水压力进行估计。一般情况下，如果触手可摸或水平孔出水口和水落地点连线角度小于45°时，则压力不会大于0.8~1MPa。当水量小于30L/S，压力小于1 MPa，且通过观察发现水量没有增大迹象时，可以谨慎钻进。但从新起钻后，只要发现压力和水量任何一项增大，马上停止钻进，并小心退钻，预示前方可能储有较大的地下水。

⑥取芯。需要取芯的探孔采用取芯钻头，取出的芯样要做好标示，现场及时分析，后妥善保管，用作地质分析的凭据。

7、预报辅助工作

（1）预报前的准备工作

水平钻探预报前，需要先进行地质分析和物探手段的预报，目的是认定对工程施工不利的不良地质。一般来说，当通过上述手段定性地判断出前方某个位置有储水异常，而无法定量确定其规模和具置时，才以水平钻探进行验证。

这先准备工作是需提前很长一段时间开始且连续进行的，并通过隧道不断的掘进来对以往的预报进行延伸和修正。必要时要组织包括地质、物探、工程、水文、机械等方面的专业人员参加的分析会，对前方储水异常的各种信息进行充分的论证和准备，并对可能造成的最坏结果进行有根据的预测，从而正确指导水平钻探的预报及处理工作。

（2）风水电辅助工作

水平钻探预报前，需在预报区域内做好照明、通风、用电、排水等工作，同时，在隧道外准备好注浆所需的设备、材料、人员等，以便出水后能迅速组织止水工作，为顺利进行钻进预报及出水后的处理提供必要的条件。

8、质量控制要点

（1）钻进参数观测与记录质量控制要点。

钻进过程中，主要对钻进速度、压力、出水大小、颜色、携带物的性状等进行观测和记录。记录要如实反映现场情况，通过填表记录、素描、测量、室内分析和数码摄像等手段对上述各种参数进行记录，并找出变化情况，为综合分析提供参考。

（2）孔内流出物判断质量控制要点。

孔内流出物除部分 钻机循环水外，所有物质都是钻进过程中产生的携带物，包括携带的石屑、石粉、水等。在判断流出物时，注意控制以下几点：

①随时注意颜色变化。当在单一围岩中钻进出现其他颜色的出水时，可能遇到岩性变化、溶蚀管道等情况，这时须对水颜色变化进行分析。

②注意携带物的组成成分收集和分析。利用储水容器收集一定量的出水，首先通过沉淀分析沉淀物的成分，看是否是岩性变化或者遇到溶蚀管道等。

③对流出物的气味判断。在单一围岩中钻进，流出物的气味是单一的，如果出现异常的气味，可以断定前方揭露出了不同性状的物质，可能是不同的岩石、钙化质、封闭溶蚀管道填充物等。

（3）异常情况下的停钻退钻质量控制要点。

异常出水情况发生后，首先对水量和水压进行判断。当水量大于30L/S、压力大于1 MPa，且通过观察发现有增大的迹象时，须停钻并准备退钻。

①停钻时，首先用钻卡把钻杆卡在钻机上，利用机械力量保证钻杆的稳固；

②退钻过程带压缓慢退钻，不得完全自由退钻；

③退钻前，须打开孔口管的卸压阀，一方面减小孔口正面流出水量，另一方面增加出水断面，减小水压力，为退钻操作提供安全的保障；

④当水压过大，人工处理比较危险时，必须配备挖掘机等辅助设备协助退钻。

9、工程实例

丹大快速铁路金固隧道，进口里程DK143+050，出口里程DK143+605，全长555m，为单洞双线隧道，隧道内最大埋深约32.72m。隧道进口位于直线上，隧道出口位于曲线上，曲线半径为R=5500m；隧道纵坡为单字坡，坡率为5.8‰的上坡。

在隧道施工中，由于超前预报工作将占用一定的时间，往往不被重视，特别是地质分析和物探预报不能一针见血的揭示问题，更使大多数人不愿对预报进行投入。相比之下，水平钻探就可以使地下水直接地揭露，这就是水平钻探预测的优点所在。