竖井反井法先导孔超前地质预测施工技术

方凯

摘要： 随着长大隧道的不断建设，现代竖井施工的难度也越来越大，工期却越来越紧。竖井施工前的地质预报就成为保证施工安全，确保按期完工的最重要的环节之一。通省隧道2#竖井采用反井施工法，可以运用系统工程的思想，分三次进行地质预测：第一次，开工前的地质调查及钻孔测量；第二次，导孔施工时，分析钻孔渣料及钻孔数据；第三次，扩孔施工时，进行渣量和出水量的统计，综合分析围岩状况。利用系统的关联性，在不占用正常施工时间的情况下，完成对竖井的地质分析预测预报工作。

Abstract： With the continuous construction of long tunnels， the construction of modern shafts has become more and more difficult， and the construction period has become tighter and tighter. Geological forecasting before shaft construction becomes one of the most important steps to ensure construction safety and ensure completion on schedule. The 2# vertical shaft of Tongsheng Tunnel adopts the anti-well construction method and can use the thought of system engineering to carry out geological prediction in three phases： the first geological survey before drilling and borehole measurement； the second time， the drilling slag and drilling data were analyzed during the construction of the guide hole； for the third time， during the hole expansion， the statistics of slag amount and water output were carried out to comprehensively analyze the surrounding rock condition. Using the relevance of the system， the geological analysis and prediction of the shaft is completed without taking up normal construction time.

關键词： 反井法；先导孔；地质；预测预报

Key words： anti-well method；pilot hole；geology；forecast

中图分类号：U453.8 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）19-0139-03

1 工程概况

通省隧道为湖北省十堰至房县高速公路上的特长隧道，是十房高速公路的控制性工程。隧道为分离式双洞隧道，两洞轴线相距48.6m。隧址区域地形复杂，山岭险峻，峰峦叠嶂，最大埋深约500m。左线设计长度6900m，右线设计长度6873m。设计采用竖井方式进行运营通风，该隧道共设2处竖井，竖井地质为武当群片岩，地下水为孔隙水和裂隙水，水量受季节性影响。1号竖井中心位置位于左线ZK111+440，竖井深度约218m，直径为8.5m。2号竖井中心位置位于YK114+820，竖井深度约为308m，直径为9.2m。其中我合同段负责通省隧道2号竖井的施工任务。通省隧道竖井在导孔钻进的过程中出现了卡钻，并最终导致初始钻孔废弃，因此，我们对前期的地质勘探重新评估，并着手进行基于竖井反井施工过程的系统地质分析预测工作。

2 地质调查与钻孔测量

地质调查是对不良地质的一种宏观预报，以深入的地面地质调查为基础，通过区域不良地质分析方法，宏观预报施工地质灾害的类型和发生的可能性，并对竖井筒体施工可能遇到的不良地质类型、规模、大约位置和方向做初步的预测。钻孔测量是在竖井位置附近钻设勘探孔，较为准确的预报竖井所在位置地质及水文状况。

2.1 地质调查和钻孔测量结果

通省隧道2#竖井地质调查结果：竖井处于扬子通北缘和秦岭-大别造山带的交接部位，属扬子板块及北缘构造带的一部分。在长期的地质发展演化进程中，经历了多期次、多阶段的变质作用和岩浆活动，地质构造复杂。该区地表水主要受大气降水控制，水量随季节变化很大，总体上水量一般。地下水主要有浅表层孔隙水和基岩裂隙水。孔隙水主要为大气降水补给，而基岩富水性相对较弱，地下水水位随地势起伏而变化。

钻孔测量后进一步确定：井口段1-15m主要为碎石夹粘土和强风化片岩，结构松散破碎；井身55-110m为武当群强风化云母片岩，结构较破碎；井身其他围岩段为中元古界武当山群第二组的中风化～微风化片岩，主要矿物成分为钠长石、云母、石英等。

2.2 导孔钻进时钻机参数的确定

围岩状况及相应导孔钻进的参数见表1。

实际的钻孔参数还要在导孔钻进的过程中不断的调整，以达到理想的钻孔速度并最大限度的避免钻孔事故的发生。正常钻进时要保持匀速，避免忽快忽慢，平稳钻进，如出现漏液或返液减小，返渣量异常等情况，要及时停钻，调整钻井液的成份和比例，必要时采取灌浆等特殊处理措施。

3 导孔施工期地质分析预测

导孔施工期地质分析预测是反井施工地质预测最重要的一环。主要是分析导孔渣料和钻进时的钻压、钻速及斜率等数据判断相应位置的地质情况；通过钻井液的循环情况，判断导井附近的节理裂隙情况；进行气体监测，判断有无有害气体溢出。在导孔钻进过程中，根据钻进参数和渣量等的分析，可以形成可靠的地质资料，对扩孔过程也具有指导意义，可以根据此资料调整扩孔参数，从而使设备安全平稳运行。

3.1 导孔施工期信息收集

通省隧道2#豎井导孔钻进过程中，未检测到不良气体，渣料分析统计、导孔钻压参数、钻井斜率、钻井液循环情况结果见表2。

对于钻孔过程中出现的钻井液返回量减少的情况，我们及时的对钻井液的成份进行了调整，确保在围岩破碎带，保持泥浆的护壁作用、防止卡钻和减少钻井液对井筒范围内的围岩的破坏污染。

3.2 分析围岩状况

对返回的渣料进行成份分析，做强度推断，结合钻井液异常情况可初步推断相应深度的围岩状况。综合分析围岩状况和导孔钻进的各项参数，为下一步的扩孔作业提出指导意见和措施。

3.3 扩孔钻机参数及措施确定

根据导孔钻进时的反馈，综合分析围岩状况和导孔钻进的各项参数，可初步确定合适的反扩钻机控制参数。

按照围岩状况及扩孔施工需要可将2#竖井分为五段：第一段1-15m，井口段围岩风化严重，扩孔结束地表段；第二段16-45m，中风化段；第三段45-120m，围岩破碎，云母含量高遇水易软化，塌孔段；第四段121-290m，中风化段；第五段，295-300m，扩孔开孔段。并对每段扩孔施工时钻机的控制参数及拟采取的措施做了可行性指导。

扩孔不同于导孔作业，扩孔断面面积大，且没有护壁泥浆的作用，在围岩软弱破碎段有塌孔的风险，所以在45-120m段要及时的调整钻机参数，降低扩孔速率，防止扩孔时继续塌孔，导致反井溜渣孔堵塞废弃。

表4数据仅为控制参考，在实施过程中，应根据岩性变化和扭矩变化情况，不断调整钻进参数，以取得最佳推力和钻进速度。经过破碎带时，及时将压力和转速降低，避免产生较大的震动而造成塌孔。

4 扩孔施工期地质分析预测

施工进行到扩孔工序时，对竖井处围岩地质情况已经有了较为清楚的认识，基本可断定相应位置的围岩类型。但对围岩的具体构造尚不清楚，亦不能判断相应围岩类型的自承能力等参数，因此在扩孔施工时，还要对扩孔渣量进行统计分析以确定是否有塌孔可能及其规模，还要对孔内出水量进行测量，以确定竖井的出水量及大概的出水位置，做好防范措施。

4.1 渣量统计分析

通省隧道2#竖井反井扩孔过程中，经全面的渣量统计，渣量异常段如表5。

由表5可知在80-95m 及55-70m处，渣量增大显著，可推断，在此深度存在较严重的塌孔现象。

在46-120m范围内，围岩破碎，渗水严重，且出现导孔钻进塌孔现象，为了进一步确定此处围岩状况，在扩孔施工时，再次取出此范围内的渣量做岩样，进行试验和成份分析。深度46-70m夹泥，围岩间发育泥质薄膜，有泥化倾向，围岩破碎，云母含量高，以云母片岩为主；深度71-120m为强风化青灰色Pt2wd武当群云母石英片岩，围岩软硬不均，岩体破碎，云母含量高，遇水易软化。此范围内有裂隙水补给，含水较丰富，加重了围岩的恶劣程度。如果开挖不支护不及时，在裂隙水的作用下极易产生流变。

4.2 渗水观测

由表6分析可知，在30m往后，井筒开始出水，且60到120m范围内出水量较大，尤其在90m附近水量最大。

5 围岩级别、支护类型的确定及特殊围岩段所采取措施

通过开工前、导孔施工时、扩孔施工时的地质预测活动，可知通省隧道2#竖井的围岩状况较差，在46～120m间存在2-3条挤压破碎带，除挤压破碎带外，一般围岩地段透水性较弱。参考地址勘探期钻孔取芯所做的围岩强度及RQD值，加之施工期对节理间距、破碎状况、渗水及地下水条件等的分析，对围岩进行RMR分级，结果如表7。

根据竖井井筒的围岩状况，参考历史时期竖井施工经验，初步确定了扩挖阶段的支护类型和采取的特殊支护措施。

6 结语

竖井超前地质分析预测预报包括施工进场前的地质调查和钻孔测量，导孔钻进时的渣量、钻孔数据、泥浆循环、气体状况的分析，扩孔时渣量和水量统计等地质预测活动，这一系列的围岩地质预测活动，环环相扣，相互对应，在丝毫不占用正常施工时间的前提下利用各个环节在反井作业系统内的相互关系便可清楚的了解竖井区的围岩状况，以最终确定围岩支护类型和特殊地段的围岩处理措施。

通过及时缜密的地质分析预测工作，通省隧道2#竖井导孔施工速度14m/天，扩孔19m/天。在扩挖阶段，更是以每月60-80m的速度推进，未发生因围岩预测不准确而发生的塌方等事故，在充分保证工期的前提下，取得了极佳的经济效益。

参考文献：

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[2]张振虎，刘建功.矿井采区煤仓设计及施工[J].煤炭工程，2017（08）.

[3]杨利强.浅谈井底直立煤仓布置形式及支护[J].内蒙古煤炭经济，2017（16）.