侯 錦，杜宇本，蔣良文，劉澤軍

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都610031；2.西南交通大學(xué)，四川 成都611756）

0 引言

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道施工中必不可少的環(huán)節(jié)，掌握和反饋隧道地質(zhì)條件信息，為調(diào)整和優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、防護(hù)措施，優(yōu)化隧道施工組織、制定施工安全應(yīng)急預(yù)案、控制工程變更設(shè)計(jì)提供依據(jù)。做好隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，可以預(yù)防各類突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率，有效規(guī)避工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)工程安全、質(zhì)量、工期、環(huán)境和投資控制目標(biāo)，將直接和間接地創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。目前在高風(fēng)險(xiǎn)隧道開(kāi)挖施工中，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作已作為隧道施工的重要環(huán)節(jié)，已被納入工序管理。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的內(nèi)容有：（1）地質(zhì)情況及水文地質(zhì)預(yù)報(bào)：地層巖性，如軟弱夾層、破碎地層、煤層及特殊巖土等；（2）地質(zhì)構(gòu)造，特別是斷層、節(jié)理密集帶、褶皺構(gòu)造等；（3）不良地質(zhì)，特別是溶洞、暗河、人為坑洞、放射性、有害氣體。

隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法分為地質(zhì)方法和地球物理方法，地質(zhì)方法包括地質(zhì)素描、超前地質(zhì)鉆探等；地球物理方法包括地震法、電磁法等，目前以地震法為主。在所有的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段中，由于鉆探取心具有直觀、明了、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確等特點(diǎn)，因此越來(lái)越受到重視。

1 問(wèn)題的提出

隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)資源的需求加大，帶動(dòng)著鉆探工程的增加和技術(shù)的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)的鉆探事業(yè)獲得了極大進(jìn)展，體現(xiàn)在鉆探技術(shù)多樣化和高水平方面，也通過(guò)總結(jié)提出一些有效的技術(shù)方案和方法［1-2］。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要是探測(cè)隧道開(kāi)挖面前方的地質(zhì)情況，水平鉆探取心是重要手段之一。作為高風(fēng)險(xiǎn)隧道的一道工序，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和隧道開(kāi)挖是相互交替進(jìn)行的，如何協(xié)調(diào)隧道開(kāi)挖施工正常進(jìn)行、減少施工干擾和準(zhǔn)確、及時(shí)地完成隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的矛盾，是擺在施工技術(shù)人員面前的難題。通過(guò)水平鉆探取心，獲取開(kāi)挖面前方地層的巖心，直觀觀察地層巖性情況，同時(shí)對(duì)前方有害氣體、不良地質(zhì)、特殊性地層進(jìn)行探測(cè)，確保隧道開(kāi)挖在可控狀態(tài)下進(jìn)行，從而保證隧道施工人員和隧道本身安全。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和隧道開(kāi)挖是高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工的2道重要工序，在這2道工序中，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)施工占用的時(shí)間越短，那么用于隧道開(kāi)挖的時(shí)間就越多，隧道開(kāi)挖進(jìn)尺就越快。因此，如何提高隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效率、減少工序占用時(shí)間，是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平鉆探工作的重要任務(wù)。

鉆進(jìn)取心技術(shù)是一項(xiàng)較為綜合的技術(shù)，它涉及到地層因素、設(shè)備因素、工藝技術(shù)、操作人員水平等［3］。目前，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平鉆探取心工藝主要采用金剛石回轉(zhuǎn)取心技術(shù)和沖擊回轉(zhuǎn)取心技術(shù)，金剛石回轉(zhuǎn)取心技術(shù)是國(guó)內(nèi)外比較成熟的工藝技術(shù)，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)鉆探取心領(lǐng)域。在鉆探取心工藝選擇方面，有采用繩索取心鉆進(jìn)工藝+泥漿護(hù)壁技術(shù)及跟管鉆進(jìn)技術(shù)來(lái)達(dá)到鉆進(jìn)目的［4-5］。鉆機(jī)方面，有立軸式鉆機(jī)金剛石繩索取心鉆進(jìn)、新型的液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)金剛石繩索取心鉆進(jìn)。不論哪種設(shè)備工藝，在施工過(guò)程中都離不開(kāi)鉆探?jīng)_洗液，用來(lái)潤(rùn)滑、冷卻、排粉渣。在所采取的設(shè)備及工藝條件下最終目的都是提高巖心采取率。為切實(shí)保護(hù)巖心管內(nèi)的巖心不被擾動(dòng)，同時(shí)提高鉆進(jìn)巨厚砂層時(shí)的巖心采取率，研究設(shè)計(jì)了巖心保護(hù)罩［6］。而沖擊回轉(zhuǎn)取心技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新的鉆探取心工藝技術(shù)，與金剛石回轉(zhuǎn)取心技術(shù)相比，具有適應(yīng)面廣、取心效率高等特點(diǎn)，也逐漸被人們所接受。

隨著川藏鐵路總體方案的公布和大量隧道工程項(xiàng)目的開(kāi)工，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)需求加大，尤其是川藏鐵路沿線的特殊地質(zhì)條件，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)就顯得更加重要。因此對(duì)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的研究非常必要。本文主要論述隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊鉆探取心技術(shù)、水平?jīng)_擊取心鉆具及工程實(shí)踐應(yīng)用等。

2 水平?jīng)_擊鉆探取心原理

空氣潛孔錘鉆進(jìn)是一種成熟的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)。常規(guī)潛孔錘鉆進(jìn)采用全斷面鉆進(jìn)，具有鉆進(jìn)速度快、成孔效率高的優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛用于不要求采取巖樣的巖土基礎(chǔ)處理工程中。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊鉆探取心技術(shù)，是在潛孔錘鉆鑿原理的基礎(chǔ)上發(fā)展了潛孔錘取樣鉆進(jìn)技術(shù)，它主要是在潛孔錘的下部加取心鉆具，實(shí)現(xiàn)取樣鉆進(jìn)的目的。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊鉆探取心技術(shù)主要由空壓機(jī)、隧道取心鉆機(jī)、鉆桿、取心鉆具、鉆頭等組成［7-9］，為保證施工效率還配備了一些輔助工器具。

3 水平?jīng)_擊取心鉆具

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊取心鉆具主要包括雙重管沖擊取心鉆具、三重管沖擊取心鉆具。

3.1 雙重管沖擊取心鉆具

雙重管沖擊取心鉆具由沖擊器、雙層鉆具管及取心鉆頭3部分組成。

雙層鉆具管由鉆具外管和鉆具內(nèi)管構(gòu)成，鉆具外管為一根整體的特制材料鋼管，鉆具內(nèi)管由2個(gè)半合管構(gòu)成。將鉆具內(nèi)管（2個(gè)半合管）合成一個(gè)整體管后，裝入鉆具外管中，組成了雙重管沖擊取心鉆具，下部連接取心鉆頭，上部連接沖擊器，沖擊器上部再連接鉆桿，這樣便構(gòu)成了雙重管沖擊取心鉆具。在鉆進(jìn)施工過(guò)程中，取心鉆頭破取巖石后，巖心進(jìn)入鉆具內(nèi)管（2個(gè)半合管），起到保護(hù)巖心的作用，鉆具外管則起到傳遞扭矩和承受鉆進(jìn)沖擊力的作用，滿足了隧道水平超前沖擊鉆進(jìn)取心要求，加快了鉆進(jìn)速度，提高了巖心采取率。

3.2 三重管沖擊取心鉆具

三重管取心鉆具由中鐵二院研制，并獲得專利（專利號(hào)：ZL2018 2 2181810.8），其組成為沖擊器、三重管鉆具及取心鉆頭3部分，如圖1所示。三重管取心鉆具設(shè)計(jì)思路上利用雙管取心原理，制作上采用3層管結(jié)構(gòu)。三重管鉆具從內(nèi)層到外層結(jié)構(gòu)分別為：鉆具內(nèi)管、鉆具中管、鉆具外管。它能滿足隧道水平超前沖擊取心鉆進(jìn)的要求，加快鉆進(jìn)速度，提高巖心采取率，延長(zhǎng)鉆具使用壽命。三重管取心鉆具實(shí)物如圖2所示。

圖1 三重管沖擊取心鉆具結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of the triple tube percussion coring tool

圖2 三重管沖擊取心鉆具實(shí)物Fig.2 Triple tube percussion coring tool

鉆具內(nèi)管：由2個(gè)特制半合管鋼管組成，鉆進(jìn)采取到的巖心裝入在巖心內(nèi)管中。避免受到鉆進(jìn)過(guò)程的干擾。能顯著地提高巖心采取率，大大提高了鉆進(jìn)速度和巖心質(zhì)量。

鉆具中管：由一個(gè)完整的鋼管組成，它與鉆具內(nèi)管緊密地套在一起，防止巖心裝入鉆具內(nèi)管的過(guò)程中，鉆具內(nèi)管被裝入的巖心脹開(kāi)。

鉆具外管：鉆具內(nèi)管與鉆具中管組合后，一起裝入鉆具外管中。鉆具外管既保護(hù)著鉆具中管和鉆具內(nèi)管，也起著傳遞沖擊力和扭矩的作用。

4 水平?jīng)_擊取心鉆機(jī)及輔助技術(shù)

根據(jù)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊鉆進(jìn)取心要求，中鐵二院在常規(guī)履帶鉆機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)、完善，形成了適應(yīng)于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊鉆進(jìn)取心要求的鉆機(jī)（型號(hào)為CJQX-100A），該鉆機(jī)除滿足沖擊鉆探取心所需要的轉(zhuǎn)速、扭矩、給進(jìn)力等外，還具有下列隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊取心輔助技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

4.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)

鉆機(jī)的鉆進(jìn)性能及易操作性是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平鉆探技術(shù)的關(guān)鍵。在鉆機(jī)改進(jìn)方面，采用裝備輕量化設(shè)計(jì)原理，開(kāi)展模塊化、輕量化、快裝性改進(jìn)［10-12］，隧道取心鉆機(jī)設(shè)計(jì)為柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)雙動(dòng)力系統(tǒng)，在鉆機(jī)進(jìn)出隧道施工現(xiàn)場(chǎng)和施工現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有系統(tǒng)電力的條件下，直接采用柴油機(jī)，方便快速進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)沖擊鉆探取心，節(jié)省施工時(shí)間。

4.2 輔助平臺(tái)

CJQX-100A型鉆機(jī)主要用于隧道洞內(nèi)施工，需要滿足快速、方便進(jìn)入和撤離施工現(xiàn)場(chǎng)的要求，因此在鉆機(jī)底板上設(shè)置了鉆桿、鉆具安放平臺(tái)，在操作臺(tái)底部設(shè)置了工器具箱，可以保證所有的施工鉆桿、鉆具、工具等隨著鉆機(jī)一起進(jìn)出現(xiàn)場(chǎng)，確保快速撤離施工工作面。

4.3 風(fēng)水除塵裝置

在隧道內(nèi)采用高壓風(fēng)進(jìn)行沖擊鉆進(jìn)時(shí)，會(huì)排出較多的粉塵，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的污染，危害施工操作人員的身心健康。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在鉆機(jī)上設(shè)計(jì)了風(fēng)水除塵裝置（專利號(hào)：ZL 2019 2 1626251.5），來(lái)消除沖擊鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵飛揚(yáng)，見(jiàn)圖3、圖4。其工作原理為：將水裝入水箱中，在水箱上部通入高壓風(fēng)，在施工過(guò)程中水箱中的水隨著高壓風(fēng)一起進(jìn)入沖擊器，通過(guò)鉆頭底部進(jìn)入孔底，在孔底潤(rùn)濕粉塵，從而防止了粉塵的飛揚(yáng)。

4.4 巖心快速退取裝置

沖擊取心巖心裝入巖心管后，由于鉆具內(nèi)管（半合管）被巖心向外擠壓，使得鉆具內(nèi)管與鉆具中管之間的摩擦力增大，若采用人工退心難度太大，因此采用液壓設(shè)計(jì)原理［13］，利用鉆機(jī)自身液壓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)巖心快速退取裝置，安裝在鉆機(jī)尾部位置（圖5），其工作原理見(jiàn)圖6。

圖3 風(fēng)水除塵裝置實(shí)物Fig.3 Wind water dust removal device

圖4 風(fēng)水除塵裝置原理Fig.4 Schematic diagram of the wind water dust removal device

圖5 巖心快速退取裝置Fig.5 Quick core removal device

圖6 巖心快速退取原理Fig.6 Schematic diagram of quick core removal

將鉆具中管外部插入巖心快速退取裝置內(nèi)部并固定，油缸頂住鉆具內(nèi)管，通過(guò)液壓便可將鉆具內(nèi)管從鉆具中管中推出，實(shí)現(xiàn)巖心快速退取。

5 工程應(yīng)用

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊鉆探取心技術(shù)已在玉磨鐵路、貴南高鐵、成蘭鐵路、鄭渝高鐵、成昆鐵路復(fù)線、渝昆高鐵、濟(jì)萊高鐵、中老鐵路等多條線路推廣使用，采用改進(jìn)完善的GJQX-100A型水平?jīng)_擊取心鉆機(jī)和三重管取心鉆具，累計(jì)鉆孔數(shù)量達(dá)100個(gè)，累計(jì)鉆探進(jìn)尺近3000 m，最大沖擊取心鉆孔深度達(dá)50 m（渝昆高鐵），巖心采取率均在85%以上，30 m深鉆孔沖擊取心鉆進(jìn)最快4 h施工完成［14-15］，完全滿足隧道開(kāi)挖和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)2個(gè)工序的工序時(shí)間安排，巖心采取率高，能滿足隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的要求。施工情況及采取的巖心見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊取心鉆進(jìn)施工Fig.7 Horizontal percussion core drilling for advance geological prediction in tunneling

圖8 沖擊取心鉆進(jìn)采取的巖心Fig.8 Cores taken with percussive core drilling

6 結(jié)語(yǔ)

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)水平?jīng)_擊鉆探取心施工速度快，巖心采取率高，能滿足隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的要求。隨著川藏鐵路建設(shè)的啟動(dòng)，希望該技術(shù)能在川藏鐵路隧道施工中發(fā)揮重要的作用。