岳中琦

(香港大學(xué) 土木工程系，香港，中國)

地下工程事故緊急搜救的快速氣沖鉆孔和實時監(jiān)測

岳中琦

(香港大學(xué) 土木工程系，香港，中國)

如何以最快的速度搜救地下工程事故中的被困人員，是完成救援任務(wù)的關(guān)鍵，筆者提出了自動監(jiān)測鉆孔過程的DPM方法。該方法在以高壓空氣作為動力的潛孔錘旋轉(zhuǎn)沖擊鉆孔中，能夠自動、連續(xù)地對鉆孔過程實時數(shù)字監(jiān)測和記錄。這種智能型監(jiān)測鉆孔可以實時建立沿鉆孔深度各點的巖土體力學(xué)強度與空間分布，從而準(zhǔn)確地測定地下洞室或巷道的位置及范圍。該技術(shù)起到快速搜索以及輸送新鮮空氣的作用，鉆成的孔洞可以將食物和水傳遞給被困人員。十多年來，實際數(shù)字鉆孔監(jiān)測結(jié)果表明，這項研究的確可以精確測定和給出地下巖土體的力學(xué)強度。該方法可以有效地、具體地應(yīng)用到地下工程事故緊急搜救工作中。

鉆孔監(jiān)測;地下工程;緊急搜救;氣沖鉆孔;潛孔錘

0 引言

隨著社會發(fā)展和人口增多，土地和礦產(chǎn)資源變得愈來愈重要。人類必須向地下要空間和開采礦產(chǎn)資源。在重力、地應(yīng)力和高壓氣體等自然力和能量的作用下，地下工程會遇到各種困難，同時，也比地面工程更容易遇到形式多變的多種事故［1］。災(zāi)難偶有發(fā)生。例如，地下洞室和巷道可發(fā)生垮塌，造成地下或井下施工人員被堵埋在封閉空間中。記得2009年6月，我國某山區(qū)發(fā)生了一起意想不到的巨型高速山崩遠(yuǎn)程滑坡事件。位于山崩坡體下方的采礦巷道出口被大量山崩滑坡巖塊碎石體掩埋，造成多名礦工被突然地埋在巷道內(nèi)。各級政府和相關(guān)單位展開了緊急搜救工作。搜救人員用鉆孔來尋找被埋的井下礦工們。媒體對這場援救工作做了及時報道。遺憾的是，眾多努力還是沒有找到被埋位置，也沒有與被困礦工取得任何聯(lián)系。痛定思痛，如何以最快的速度搜救井下被困人員成為援救任務(wù)的重中之重。

自1999年以來，筆者一直致力于直接、定量、準(zhǔn)確地測量地下各類巖土地質(zhì)體力學(xué)強度的空間分布研究［2－11］。地質(zhì)巖土體的形成和演變歷史漫長而多變，造成各種不同物理和力學(xué)性質(zhì)巖土體的空間分布復(fù)雜和多樣。在每一地下工程中，人們一般將巖土體劃分成幾類不同的巖石、巖體、土層、洞室和巷道。每一類巖石、巖體或土層具有相同或相類似的物理和力學(xué)材料性質(zhì)。但是，由于不能透視到巖土體內(nèi)部，所以必須建立各種測量及分析手段和方法，來定量測量和認(rèn)識地下各類巖土地質(zhì)體的準(zhǔn)確空間分布。這些方法可分為直接和間接測量法。直接測量法是用某種手段直接接觸、探到或看到場地巖土體內(nèi)部的材料，包括鉆探、標(biāo)貫、靜探、動探、旁壓、載荷、現(xiàn)場直剪、十字板、鉆孔彈模計和鉆孔電視法。間接測量法是用某種方法間接地反算，得到場地巖土體內(nèi)部材料的分布，例如波速、地電場、地磁場和重力場。直接測量法中的標(biāo)貫、靜探和動探不適用于巖層或硬土體。筆者提出和建立的方法是對傳統(tǒng)的鉆孔鉆探方法的自動實時數(shù)字監(jiān)測。產(chǎn)生這項創(chuàng)新研究的起因是，在1996～1998年，筆者參與了香港多項滑坡防治加固工程。在山地斜坡加固方法中，使用大量土釘加固。土釘加固的一項必須工序是在山坡巖土體中快速鉆成φ100 mm，深為5～50 m，孔間距為1～3 m的孔洞。鉆孔過程中，操作人員能夠通過感覺來判斷地下巖土體力學(xué)性質(zhì)，對地下巖土體可做大致深度分類。筆者認(rèn)為，鉆孔是對地下巖土體的力學(xué)局部破壞測試。因此，監(jiān)測相關(guān)的驅(qū)動力和運動學(xué)參數(shù)，一定可以更加準(zhǔn)確地將地下巖土體進(jìn)行力學(xué)強度分類，確定它們沿鉆孔深度的空間分布。十多年來，實際數(shù)字鉆孔監(jiān)測結(jié)果表明，這項研究的確能夠精確測定和給出地下巖土體的力學(xué)強度。

文中介紹一種如何利用自動監(jiān)測鉆孔過程快速得到沿鉆孔深度的巖土體力學(xué)強度與空間分布的DPM方法。探討如何將DPM法應(yīng)用于對地下被埋人員的搜救準(zhǔn)確度和快速度的實踐中。

1 鉆孔過程自動監(jiān)測

1.1 鉆孔機種類與結(jié)構(gòu)性能

向地下巖土體鉆孔的鉆機種類很多。如圖1所示，有大型履帶運移式，也有手工運移式高壓氣流驅(qū)動的潛孔錘沖擊鉆。鉆孔直徑為6～300 cm，適用于不同的工程任務(wù)和目的，包括勘探、鉆孔樁、摜入樁、土釘、斜排水孔、預(yù)應(yīng)力錨桿和錨索。基本的鉆孔方法有四種，即螺旋式鉆孔、旋轉(zhuǎn)式鉆孔、沖擊式鉆孔以及沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆孔。螺旋式和旋轉(zhuǎn)式鉆孔可用液壓驅(qū)動。沖擊式和沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆孔可用電壓或者氣壓流驅(qū)動。

圖1a是用高壓氣體流來驅(qū)動潛孔錘沖擊撞擊和旋轉(zhuǎn)破碎巖土體。圖1b是用電壓驅(qū)動旋轉(zhuǎn)鉆桿旋轉(zhuǎn)帶動潛孔錘頭面旋轉(zhuǎn)剪切巖土體，同時用高壓氣體流來驅(qū)動潛孔錘沖擊撞擊破碎巖土體。圖2是高壓氣體流驅(qū)動的潛孔錘。它帶有兩個出氣孔，以沖刷破碎巖土體，再將它們沿孔壁及鉆頭和鉆桿間的空隙帶飛出孔口外部到地表。潛孔錘是跟隨鉆孔深度不斷進(jìn)入、接觸和破壞孔底巖土體。

高壓縮空氣流潛孔錘沖擊鉆孔機包括鉆桿、潛孔錘鉆頭、機架及操作控制臺四部分。機架又可進(jìn)一步細(xì)分為旋轉(zhuǎn)單元、傳動齒輪、轉(zhuǎn)滑機身及鏈條等幾部分。該類鉆機鉆入巖土層的主要動力來源為鉆頭沖擊力，輔以鉆頭的旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)力量。沖擊力將鉆頭前端的土或巖石打碎，旋轉(zhuǎn)力進(jìn)一步將土石破碎。高壓縮空氣流經(jīng)主空氣壓力機輸至操作控制臺。操作控制臺將進(jìn)氣管的高壓空氣流，根據(jù)需要分別導(dǎo)向五個分流氣管，再分別輸往機架和潛孔鉆頭。

不同的鉆孔機有許多共同的基本操作和工作過程。主要包括鉆桿和鉆頭的前進(jìn)、停止、后退、前進(jìn)旋轉(zhuǎn)和后退旋轉(zhuǎn)，以及用于控制鉆桿和鉆頭的動態(tài)壓力和荷載。這些參數(shù)(原始資料和數(shù)據(jù))可以反映出鉆機隨時間變化的鉆孔和操作過程。目前，在巖土工程及施工實踐中尚未廣泛對這些參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測和利用。

圖1 高壓空氣流驅(qū)動的潛孔錘沖擊鉆孔設(shè)備Fig.1 Set up for compressed air-flow driven down-the-hole hammer percussion drilling

1.2 鉆孔過程自動數(shù)字監(jiān)測

鑒于鉆孔技術(shù)在地表和地下工程中的廣泛應(yīng)用，筆者團隊開發(fā)和研制出名為鉆孔過程監(jiān)測儀的設(shè)備。英文縮寫DPM。該儀器能夠自動地、連續(xù)地對鉆機的各種動力和運動鉆孔參數(shù)進(jìn)行跟隨時間的數(shù)字監(jiān)測和記錄。

圖2可見該儀器的傳感器安裝在機架和控制臺的情況。監(jiān)測儀由傳感器單元和數(shù)據(jù)處理單元組成。傳感器單元安裝在機架或控制臺上，用于監(jiān)測鉆孔物理參數(shù)。運動傳感器分別為鉆機動力頭位置和鉆桿旋轉(zhuǎn)傳感器。前者用來監(jiān)測鉆機動力轉(zhuǎn)滑機身在鏈條上的位置，從而掌握所用鉆桿數(shù)量和每根鉆桿長度，以及潛孔錘鉆孔深度。后者用來監(jiān)測潛孔錘鉆頭及鉆桿的旋轉(zhuǎn)速度。高壓空氣流驅(qū)動力傳感器由5個空氣壓強計組成，見圖3。用來監(jiān)測潛孔錘和鉆桿的沖擊、前進(jìn)、后退、正向與反向旋轉(zhuǎn)五個操作時的工作空氣流壓強。

圖2 高壓空氣流驅(qū)動的潛孔錘Fig.2 Compressed air-flow driven down-the-hole hammer

圖3 潛孔錘旋轉(zhuǎn)沖擊鉆孔的數(shù)字自動監(jiān)測Fig.3 Set up for automatic digital monitoring of percussion-rotary drilling process driven

數(shù)據(jù)處理單元的組成部分安全可靠，以適用于現(xiàn)場的各種不利條件。由傳感器直接輸出的電壓或電子脈沖信號，以選定的采樣頻率先傳至便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，然后儲存并繪制于便攜式計算機內(nèi)或采集盒內(nèi)。數(shù)據(jù)采樣頻率為每秒1～10次/s。

目前，自動數(shù)字鉆孔監(jiān)測儀已經(jīng)在多項勘探巖土研究和工程中應(yīng)用。

2 實測結(jié)果與分析

2.1 實測結(jié)果

在風(fēng)化火山巖中，壓縮空氣流驅(qū)動的沖擊旋轉(zhuǎn)潛孔錘鉆成深近26 m的鉆孔過程自動記錄結(jié)果見圖4。該記錄為測到的原始數(shù)據(jù)。這些原始數(shù)據(jù)可用于描述鉆孔過程隨時間的變化和地下巖土體抗鉆強度隨深度的變化。

圖4由六條時間過程曲線構(gòu)成［3］。第一條見圖4a，為動力頭相對于某固定點位置，在鋼滑板上前后平行移動的時程曲線。其他五條時程曲線是五種壓縮空氣流壓強隨時間變化的全過程。所謂全過程是從鉆孔潛孔錘進(jìn)入巖土體開始，直至所有鉆桿鉆進(jìn)孔內(nèi)再到潛孔錘拔出完成鉆孔為止。當(dāng)鉆孔深度達(dá)到或略微超過設(shè)計深度時，即開始從鉆孔中一節(jié)節(jié)取出鉆桿。

每節(jié)鉆桿長度均為3 m。共用了8根鉆桿和一根長度3 m的潛孔錘，見圖4f中1～9數(shù)字。反轉(zhuǎn)氣壓突然增大需要將鉆桿反轉(zhuǎn)將螺紋接頭松開。在增加一根鉆桿后，再用正轉(zhuǎn)氣壓對鉆桿正轉(zhuǎn)，以將新加鉆桿在兩端分別同原來鉆桿和動力頭接口公母螺旋頭接緊。

圖4 動力頭平移和五種控制氣壓隨時間變化的全部鉆孔過程Fig.4 Complete drilling process of chuck position and five control pressures of a compressed air-flow driven rotary percussive machine with down-the-hole hammer

從圖4f中B時開始，鉆孔過程為從孔中將8個鉆桿和潛孔錘拉回到地面的過程。從圖4a可見，每根鉆桿鉆進(jìn)3 m的過程和用時不完全一樣，鉆進(jìn)速度(單位時間的進(jìn)深)也不一樣。有的用時少，鉆得快;有的用時長，鉆得慢。同時，它們鉆進(jìn)所用的沖擊、推進(jìn)和正轉(zhuǎn)高壓縮空氣流的壓強在各個時間段相差不大。因此，這些時程曲線反映了地下巖土體的抗撞和抗轉(zhuǎn)的強度。也就是說，鉆得慢的強度高，鉆得快的強度低。鉆得時程曲線單一的巖土體相對均勻和完整。鉆得時程復(fù)雜的巖土體相對細(xì)觀不均勻和不完整。有塌孔時，鉆得時程曲線一定復(fù)雜。

鉆孔從早上9:49開始，到11:44結(jié)束。共用了2 h，完成26 m鉆孔全過程。

2.2 抗鉆強度沿鉆孔分布

根據(jù)圖4的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析，可得到鉆頭在土體中的深度隨時間的變化過程［5］。結(jié)果如圖5所示。

圖5 鉆孔過程中潛孔鉆頭在巖土體中深度隨純鉆進(jìn)時間的變化過程Fig.5 Depth advancement of down-the-hole hammer bit in weathered soils and rocks with net drilling time

在風(fēng)化火山巖土體中，潛孔錘鉆頭鉆深隨純鉆時間的變化曲線見圖5。圖5中時程曲線的坡度即為壓縮空氣流鉆頭在該孔巖土中的鉆進(jìn)速度。顯然，鉆頭隨時間的變化曲線可分5個大致線性區(qū)間來考慮:區(qū)間1(Zone 1)為表面風(fēng)化土區(qū)CDV，平均鉆進(jìn)速度為1.611 m/min;區(qū)間2(Zone 2)為深部的完全風(fēng)化土區(qū)CDV，平均鉆進(jìn)速度為1.162 m/min;區(qū)間3(Zone 3)為深部的弱風(fēng)化火山巖區(qū)MDV，平均鉆進(jìn)速度為0.475 m/min;區(qū)間4(Zone 4)為深部的強風(fēng)化火山巖區(qū) HDV，平均鉆進(jìn)速度為0.786 m/min;區(qū)間5(Zone 5)為深部的微風(fēng)化火山巖區(qū)SDV，平均鉆進(jìn)速度為0.291 m/min。其中，區(qū)間1又可分為4個子區(qū)間，有不同的鉆進(jìn)速度，表明這段土體含孤石。區(qū)間3也可分為3個子區(qū)間，有不同的鉆進(jìn)速度，表明這段弱風(fēng)化巖體強度也是隨深度變化的。區(qū)間4的3個子區(qū)間，有不同的鉆進(jìn)速度，表明這段強風(fēng)化巖體中部夾一層完全風(fēng)化土體CDV。這段夾層的平均鉆進(jìn)速度為1.297 m/min。

圖5給出了增加8根鉆桿的每根鉆桿時間和深度，見圖5中1～9數(shù)字點。從圖5中可見，鉆進(jìn)速度不受增加鉆桿的影響。換句話說，換每根3 m長鉆桿位置前后的鉆進(jìn)速度(即時深曲線線性段的坡度)是不變化的，或者說變化很小。這也從另一個側(cè)面反映了鉆進(jìn)速度的變化不受鉆桿長度的影響，或影響很小。鉆進(jìn)速度的明顯變化是巖土體強度、剛度或完整性變化造成的?？偟募冦@時間為2 150 s約36 min。

圖6為DPM鉆頭深度與其純鉆進(jìn)時間的時深曲線和對應(yīng)的巖土取芯照片及描述解釋。這個結(jié)果由液壓旋轉(zhuǎn)加水降溫取巖芯鉆機測得。被鉆進(jìn)巖體為花崗巖，含全風(fēng)化 CDG、強風(fēng)化 HDG、弱風(fēng)化MDG和微風(fēng)化SDG花崗巖。其中，全風(fēng)化CDG已成土體，遇到隨鉆水體而被水帶走，沒有能取到樣。因此，它們在巖芯照片中為空缺，它們的鉆進(jìn)速度同其他巖石相比很快。根據(jù)DPM時深曲線變化可將這段風(fēng)化花崗巖體化分為圖6中的A到F 6個線性段。它們對應(yīng)了這段花崗巖體的不同風(fēng)化程度。其鉆進(jìn)速度可用圖6中的Δh和Δt按照Δh/Δt計算得到。特別地，B和D段是沒有巖芯的完全風(fēng)化土體。

圖6 液壓旋轉(zhuǎn)取巖芯結(jié)果和其鉆頭在巖土體中深度隨純鉆進(jìn)時間變化過程Fig.6 Rock core samples and their corresponding drill bit depth with net drilling time

筆者的合作者和研究生們，已將上述方法廣泛應(yīng)用于巖石土體的實際工程測量勘探中。這些巖土體包括花崗巖體、火山巖體、大理巖體、石灰?guī)r、溶洞、砂巖體和各種土體。得到的結(jié)果都是一致的和定量的。因此，這種鉆孔過程的自動連續(xù)數(shù)字監(jiān)測是原位連續(xù)測量巖土材料抗鉆強度與它們的地下空間分布。

值得一提的是，不同鉆機和新老鉆頭的性能和功效可能有較大差異。這些差異可能造成同一巖石或土體的鉆進(jìn)速度的絕對值有不小的差別。這一困難可用多種方法克服和解決。第一，同一鉆機的鉆進(jìn)速度是由巖體抗鉆強度和完整度決定的。因此，同一鉆機的時深曲線分層是可以的，不同鉆機的時深曲線分層是一致的。因此，可以確定地下巖土體的相對強度分布。第二，可以用不同鉆機來鉆進(jìn)同一種已知巖石或土體，可以找到它們鉆進(jìn)速度的相互對應(yīng)關(guān)系。第三，也可用標(biāo)準(zhǔn)鉆機來進(jìn)行鉆孔，得到的結(jié)果應(yīng)該相互對應(yīng)和一致。由于篇幅有限，不再逐一贅述，可參閱文獻(xiàn)［2－5］。

3 地下工程事故緊急搜救

上述壓縮空氣流驅(qū)動的潛孔錘鉆孔和鉆孔過程自動數(shù)字監(jiān)測，能夠用于地下工程事故中的快速定量搜救。具體方法和思路如下:

第一，如果已開挖的洞室和巷道沒有被垮塌巖土體填滿，它們就是空洞。鉆進(jìn)速度將極其快，且所需驅(qū)動力極其小。因此，鉆孔和監(jiān)測可以發(fā)現(xiàn)它們所處的深度和長度。

第二，作為驅(qū)動力的高壓縮空氣流將從潛孔錘頭的兩個出氣孔進(jìn)入被封閉的地下空間，可以為被困人員帶來新鮮空氣流，給被困于封閉空間的人員提供氧氣。

第三，高壓縮空氣流和潛孔錘沖擊巖石有很大的響聲，能較為容易地通知被困人員，他們也可敲擊鐵質(zhì)潛孔錘和鉆桿來回應(yīng)外部鉆孔搜救人員。鉆成的孔洞也可將食物和水傳遞給地下被困人員。

第四，如果已開挖地下空間被垮塌巖土體填滿，它們同圍巖土體相比不一樣，其鉆空過程和速度有相當(dāng)大的差別。因此，搜救人員可以確定垮塌空間范圍，以利于再鉆孔尋找被困人員。

第五，目前，高壓縮空氣流驅(qū)動的潛孔錘沖擊鉆孔的設(shè)備數(shù)量多型號齊全，價格不貴。在各種巖土體中的鉆成孔速度非?？臁恿Υ蟮你@機一天可以鉆進(jìn)300 m。這對緊急搜救十分重要。時間就是生命。搜救人員可在目標(biāo)場地多做幾個鉆孔，快速確定和找到地下被困人員。

第六，搜救人員可以在平時對相關(guān)鉆孔設(shè)備和數(shù)字自動監(jiān)測設(shè)備操作熟練，對各種巖土體和空洞的鉆孔響應(yīng)有較好的了解和認(rèn)識。這樣，在緊急搜救時，可以做得更好，最大程度地減少人為失誤。

4 結(jié)束語

筆者扼要地介紹了鉆孔過程數(shù)字自動監(jiān)測研究，以及基于此技術(shù)而建立的原位連續(xù)測定巖土體力學(xué)強度與空間分布的DPM方法。實例分析表明，該方法獲得的鉆孔過程動力和運動參數(shù)能精確實時地確定地下地質(zhì)巖土體的力學(xué)強度和分布，以及空洞、溶洞分布。筆者認(rèn)為，該方法可以有效地和具體地應(yīng)用到地下工程事故中，用以緊急搜救被困人員。其六種具體搜救方法切合實際，希望這個設(shè)想能在將來地下被困人員緊急搜救實踐中起到作用。

致謝

此文是基于2010年6月9～12日在北京舉行的“第17屆國際應(yīng)急管理大會——暨應(yīng)急救援成果與技術(shù)裝備展”上，筆者應(yīng)邀用英文作的題目為Automatic Monitoring of Down-the-Hole Hammer Drilling for Emergent Searching of Buried Underground Space學(xué)術(shù)報告。感謝香港特別行政區(qū)政府研究基金委員會項目No.HKU 7137/03E和國家973基礎(chǔ)研究項目No.2011CB710600的部分資助。感謝多位研究生測試協(xié)助。感謝黑龍江科技學(xué)院在2011年8月給筆者提供的野外考察協(xié)助。

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Monitoring and air-driven fast-track drilling designed for emergent searching and rescuing operation in buried underground space

YUE Zhongqi
(Department of Civil Engineering，University of Hong Kong，Hong Kong，China)

This paper presents a brief idea for an effective searching and rescuing people trapped in sealed underground spaces such as caverns and tunnels due to collapse of surrounding rock and soil masses.The idea is based on the fast construction hole drilling and its automatic digital monitoring.The drilling device is the compressed air-flow driven percussive-rotary drilling associated with a down-the-hole hammer.The drilling process monitoring allows an accurate and effective delinearing of the soil and rock strength and quality along the drill hole in real time，thus making it possible to quickly determine the location of the buried underground space and reach the people in the underground space，with the result that the compressed air-flow can flow into the buried underground space through the holes in the bit of the hammer.It follows that the method can come into effective and practical use for emergent searching and rescuing people trapped in buried underground space.

drilling process monitoring;compressed air-flow;underground space;rescuing;downthe-hole hammer

TD771

A

1671－0118(2012)04－0403－06

2012－06－09

香港特別行政區(qū)政府研究基金委員會項目(HKU 7137/03E)，國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2011CB710600)

岳中琦(1962－)，男，安徽省宣城人，博士，研究方向:地質(zhì)災(zāi)害防治，E-mail:yueqz ATqhku.hk。

(編輯 徐 巖)