超前水平钻探技术在隧道地质勘探中的应用
摘要：文章以某隧道工程地质勘探为例，介绍了改善超前钻探预报的必要性以超前水平钻探方法，对实际隧道工程的超前水平钻探勘探进行了分析，总结了隧道的地质情况，提出了施工建议及钻探质量控制措施，以确保施工安全以及施工质量。
关键词：超前水平钻探；隧道工程；地质勘探；钻孔质量保证措施
中图分类号：P634 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）33-0085-02
一、概述
随着我国国民经济发展迅速，高速铁路、高速公路、城市轨道交通等工程大规模地建设，长大隧道数量也越来越多。作为隐蔽工程的公路隧道、铁路隧道、矿山隧道、输水隧道等在施工过程中，由于前方地质情况不明，经常会因遇到断层、破碎带、暗河、高地应力等不良地质体而导致塌方、泥石流、涌水、岩爆冒顶等地质灾害发生。这些灾害的出现往往会影响施工进度，造成人员伤亡，给施工单位、国家和人民带来严重的经济损失。有些隧道不仅延伸很长，而且深埋于山体中。对于这些埋藏很深的长隧道，由于其前期的地勘工作受到技术水平和经费的限制，因而在施工前不可能查清隧道围岩的地质情况。随着隧道工程施工的逐步深入，其安全隐患会一一暴露出来。这时需要在施工过程中采取有效方法，对前方不良地质灾害进行准确的超前预报，以便及时地修正开挖和支护设计方案，避免施工事故发生。
二、超前水平钻探方法
超前水平钻探方法是在隧洞内安放水平钻机进行水平钻进，根据钻孔资料来推断隧洞前方的地质情况。钻孔数量、角度及钻孔深度可人为设计和控制。根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到的其他情况来预报。由于超前钻孔能够最直接地揭示掌子面前方的地质特征，所以准确率较高，也是地质超前预报一种必不可少的手段。
超前水平钻探方法的优点：（1）预报准确度较高，可以反映掌子面前方一定距离的地层岩性、岩体完整程度、裂隙度、溶洞大小、有没有水以及可测水压高低等；（2）煤系地层可进行孔内煤与瓦斯参数测定，以便采取适宜防范措施，防止煤与瓦斯突出；（3）与物探方法相比，它具有直观性、客观性，不存在物探手段经常发生的多解性、不确定性，且得到的资料可信度高。
超前水平钻探方法的缺点：（1）在复杂地质条件下预报效果较差，很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理，特别是与隧道轴线平行的结构面，其预报无效；（2）在破碎岩体中会卡钻，钻进困难，速度不高；（3）需占用较长的施工作业时间，费用较高；（4）一孔之见，较难形成面的概念。
三、工程实例
某分离式隧道，左幅全长1568m，右幅全长165m。设计路面标高1165.61147m，隧道左线最大埋深约227m右线最大埋深约232m。为确保隧道施工安全和施工质量，并为隧道开挖、支护提供依据，对该隧道进行了地质超前预报。超前地质钻探是利用钻机在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。D1K711+030—D1K710+960段位于冲沟段，为查明地质、确保安全，采用φ75超前探孔进行验证。本段超前地质钻探采用回转取芯钻。钻探孔位置：隧道里程124m；钻孔深度：20.10m。
各孔段主要水文工程地质特征：0.0～2.90m岩芯完整呈长柱状，采芯率100%；2.90～6.30m岩层间较破碎呈碎块状、短柱状，2.90～3.10m，5.60～5.80m见裂隙，有溶蚀现象，溶孔发育，采芯率80%；6.30～15.60m，岩芯完整呈长柱状、线柱状，采芯率95%；15.60～16.20m，见溶蚀裂隙，裂面上见黄色泥质侵染，具构造岩溶溶蚀裂隙的特征，采芯率70%，岩芯呈块状。16.20～19.50m岩芯完整呈长柱状，其中，17.80～18.20m有溶蚀现象，采芯率90%。19.5～20.10m，岩芯较破碎，采芯率100%；该隧道从124m掌子面钻探揭露的20.10m长度内，地层岩性为灰色中厚层状隐晶质结构灰岩，岩质较坚硬，无大的断裂构造通过，未见地下暗河或突水、涌水现象。但在隧道里程126.50～130m段，143～144.10m段，岩芯比较破碎，应注意冒顶做好维护工作，131～132m段，140～143m段，见溶蚀现象，应对溶蚀突水、涌水做好预防工作。
根据现场钻孔资料分析，预测段岩溶、裂隙较为发育，建议采取超前小导管注浆进行预先处理，同时在此段隧道施工过程中，应密切注意沿泥化夹层、溶洞和节理的失稳破坏，同时在可能发育溶槽或溶洞区域，可能突泥和水，故开挖后应及早支护并采取相应的措施，防止麻痹大意思想，并加强监测。
四、超前地质钻探要求
（一）超前地质钻探技术要求
1．孔数：超前水平钻孔每个断面为5个孔，拱部3个孔，边墙脚各1个孔。
2．孔深：连续钻探每循环孔深为30米，并且前后两循环钻孔重叠5米，即25米一循环。
3．孔径：钻孔直径为φ75，其满足钻探取芯、取样和孔内测试的要求。
（二）超前地质钻探工作要求
1．超前钻探过程中应在现场做好钻探记录，包括钻孔位置、开孔时间、终孔时间、孔深、钻进压力、钻进速度随钻孔深度变化情况、冲洗液颜色和流量变化等。
2．超前钻探过程中应及时鉴定岩芯、岩粉，判定岩石名称，并选择代表性岩芯整理保存。
3．加强钻进设备的维修与保养，使钻机处于良好状态；强化协调和管理，各方面应积极配合，减少和缩短施钻时间。
五、钻孔质量保证措施
为提高工作效率，减少地质超前钻探占用开挖工作面的时间，可采用冲击钻与回钻取芯钻相结合的方式。根据地质调绘与物探法结合判断出的围岩危险区域决定是采用冲击钻还是采用回转取芯钻。冲击钻速度快，但是无法取出岩芯，只能通过一些可接指标判断隧道工作面前方的围岩变化情况，加大了对围岩分析的难度；回转取芯钻速度慢，占用施工时间太多，但是能准确直接地对前方围岩进行分析研究。如何选择钻探方法还需根据实际情况专门研究决定。长距离地质超前钻探应按照标准操作要求进行，对钻探质量控制宜采取下列措施：
（一）采用系统的钻探程序
1．测量布孔：施钻前按孔位设计图设计的位置用全站仪或经纬仪准确测量放线，将开孔孔位用红油漆标注在开挖工作面上。
2．设备就位：孔位布好后，设备就位，接通各动力电源和供风、供水管路。安装电路要由专业电工操作，确保安全，供风管路要连接紧密，无漏气现象。
3．对正孔位，固定钻机：将钻具前端对准开挖工作面上的孔位，调整钻机方位，将钻机固定牢固。
4．开孔、安装孔口管：孔口管必须安设牢固。
5．成孔验收：施钻满足设计要求，经现场技术人员确认签收后方可停钻终孔。
（二）控制钻进方向
1．钻机定位完毕后，对钻机进行机座加固，使钻机在钻进过程中位置不偏移，做到钻孔完毕钻机位置不变。在钻进过程中应定期检查机器的松动情况，及时调整固定。
2．对钻具的导向装置尽可能加长，并且选用刚度较强的钻杆，从而提高钻具的刚度，减少钻具的下沉量，达到技术的要求。不得使用弯曲钻具。
3．当岩层由软变硬时应采用慢速、轻压钻进一定深度后，改用硬岩层的钻进参数。钻进中应减少换径次数。
4．本循环钻孔完毕后，根据测量结果总结出钻具的下沉量，下一循环钻探时通过调整孔深、仰俯角等措施控制下沉量在设计要求的范围内，达到技术要求的精度。
5．对于100m以上的超长钻孔，应综合工作面岩性、隧道坡度、前进方向、钻杆自重等因素进行钻孔定向综合设计，计算出合理钻进角度。
六、结语
随着隧道工程施工的逐步深入，需要在施工过程中采取有效方法，对前方不良地质灾害进行准确的超前预报，以便及时地修正开挖和支护设计方案，避免施工事故发生。超前钻孔作为直接地揭示掌子面前方的地质特征且较高准确率，是地质超前预报一种必不可少的手段，通过结合工程实例，提出超前地质钻探工作要求以及相应的技术措施，为同类工程提供参考借鉴。
参考文献
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（责任编辑：赵秀娟）