超前水平钻孔在水工隧洞工程中的应用

杨学定，姚 宇

(1.贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550000；2.贵州水利投资(集团)有限责任公司，贵阳 550000)

为了对掌子面前方开挖的地质信息详细获取，超前水平钻孔的应用，取得了理想的帮助作用。超前水平钻孔，属于探测方式中非常传统并且可靠的方式，可将掌子前方15-30m的地质特征进行揭示，其精准性非常高。可利用掌子面前方没有开挖的岩体，直接实施钻孔施工，利用岩芯、钻速以及钻进产生的压力等，对前方岩体的地质特征实施判断，此外还可以融合钻孔声波水压力等相应的预测技术，对涌水量以及压力实施预测。

1 工程概况

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程为大(1)型水利工程，坝址位于七星关区与纳雍县界河六冲河中游潘家岩处。由水源工程、毕大供水工程、灌区骨干输水工程等组成。其中，灌区骨干输水工程由总干渠、北干渠、南干渠、金遵干渠、黔西分干渠、金沙分干渠、供水管线、支渠，以及灌区骨干泵站等组成。在众多建筑物中，附廓前的深埋长隧洞因埋深较大，单条隧洞长，沿线多为岩溶地层，隧洞多位于地下水位以下，且横穿跨越大小数十条地下岩溶管道，隧洞存在遇岩溶管道及涌水、涌泥问题，为整个夹岩水利枢纽及黔西北供水工程的控制性关键问题[1]。

2 预报基本原理

在隧道当中，针对掌子面实施的超前水平钻孔，需要利用钻进的速度、岩芯采取率统计、钻孔岩芯检定实验等，进行综合分析之后，可对隧道施工掌子面前方岩体的岩性进行确定，并明确含水的具体情况、地层岩石的实际软硬程度以及完整性等，还可获取断层以及空洞的具体位置。

利用钻进，可对掌子面前方的地质情况进行有效的判定和揭露：钻进花费的时间，可以对围岩的具体坚硬程度进行反映，如果为硬质岩石，那么不会有较快的钻进速度。如果为软质岩石，那么速度会快一些。如果有空洞，那么转速会非常快。在断层破碎带或者有节理裂隙发育的岩石，会产生卡顿的情况，以致于降慢了钻进的速度。岩体的完整性系数和相应的节理裂隙发育情况，可统计岩芯的采取率进行反映，通常情况下，他们的关系为正比。在完成钻孔岩芯的鉴定之后，可对岩性地层在隧道前方围岩中的具体位置进行判断，并明确洞轴线方向上的具体长度。利用岩芯的强度测试，可对掌子面前方岩性地层中存在不同岩石强度给予判定。在判断钻孔是否出水以及水量的实际大小时，可对掌子面前方有没有含水体进行推测[2]。

3 超前水平钻孔在水工隧洞工程中的应用分析

依据北干渠余家寨隧洞岩溶水文地质条件的复杂程度及风险等级进行分析之后，对于该项工程施工，采用了三个预报等级，其一为一般预报；其二为加强预报；其三为重点预报。

1)一般预报的应用，为对岩溶及涌水低风险洞段进行预测，使用的方式为地质分析，并融合了局部加深炮孔实施相应的预测工作。

2)加强预报的应用，为对测岩溶及涌水中等风险洞段进行预测，使用的方式为基于物探探测，与加深炮孔、地质分析进行结合实施相应的预报工作。其中，根据物探探测出来的成果，将其中存在的异常带规模、位置及充水情况，对预报等级进行调整，如果必要，可对超前水平钻孔探测进行应用[3]。

3)重点预报的应用，为对岩溶及涌水高风险洞段进行预测，使用的方式为基于物探探测，与超前水平钻孔、加深炮孔和地质分析进行结合实施预报。

地质分析法。为依照隧道施工掌子面地质条件，如掌子面岩溶发育、渗水、破碎、颜色变化以及结结构面产状等一系列情况，对掌子面前方可能存在的岩溶、涌水(泥)、断层、不同岩性界面以及围岩稳定性等进行预报[4]。

物探探测法：为借助长短结合，综合预报的形式。操作流程，要先对长距离预报(150m以内)进行使用，如TSP203探测等。如果长距离探测的过程中发现了异常带，在施工接近异常带时，可借助比较高探测精度的短距离预报，如地质雷达或红外线探水等。

加深炮孔超前探孔：应用物探探测，发现存在的异常带或可能存在岩溶、岩体破碎地带之后，可利用加深炮孔实施探测。探孔布置图见图1，共布置5孔，加长钻杆按掌子面前方9m控制，洞壁周边探孔向洞外20°倾斜，以保证探测隧洞开挖轮廓线以外3m，保证在钻爆后有3m安全岩盘。如探测隧洞开挖轮廓外3m内、掌子面前方9m存在不良地质，则严禁爆破开挖，报请设计，作相应变更调整。

图1 加深炮孔超前探孔布置示意图

超前水平钻探：因为隧道需要穿越地下暗河，高水头、岩溶强烈发育的高风险洞段，对于发现的岩体坡碎、岩溶发育、富水等异常地段。可在每个断面当中，对三个超前水平钻孔进行设置，其中钻孔的实际深度≥30m，安全岩盘≥6m[5]。

图2 水平钻探布置示意图

由于物理探测判释成果的多解性，需对重点怀疑地段，采用多种方法探测，进行综合判释，就需用一定数量的地质钻孔验证。钻探法是最直观、可靠的超前预报手段。在可能发生涌水或低瓦斯洞段采用超前地质水平钻施作3个探孔，1孔位于上部顶拱，2孔位于边墙部位，其中1孔取芯。高瓦斯洞段预报超前探孔数为5孔，即顶拱1孔，两侧拱腰处2孔，边墙2孔。根据需预报距离的远近可采用不同型号钻机，一般可探测前方30m范围内的地质情况(必要时可钻100m以上)。采用YQ-100B潜孔钻机或地质钻机钻孔，钻孔直径采用Φ89，地段超前探测长度15-30m，搭接长度5m。

4 成果分析以及评价

余家寨隧洞进口控制段超前水平钻孔施工，掌子面里程隧1+790，钻孔深度30m。掌子面施钻3个超前水平钻孔，分别为拱顶往下80cm一个，底板往上约100cm两侧各一个[6]。

1#孔：围岩性质：灰岩，钻进过程中匀速钻进，无卡钻、溶洞空腔等异常情况，钻孔过程中无渗水现象，呈白色、灰白色、灰色，钻进过程中无特殊气体排出。

2#孔：围岩性质：灰岩，钻进过程中匀速钻进，无卡钻、溶洞空腔等异常情况，钻孔过程中无渗水现象，呈白色、灰白色、灰色，钻进过程中无特殊气体排出。

3#孔：围岩性质：灰岩，钻进过程中匀速钻进，无卡钻、溶洞空腔等异常情况，钻孔过程中无渗水现象，呈白色、灰白色、灰色，钻进过程中无特殊气体排出。

超前水平钻孔技术，属于超前地质预报技术当中应用非常普遍的一种形式，使得对隧道地质数据的获取更加直接和精准，并且起到了很强的预警灾害作用。

超前水平钻探技术与物探方式进行比较，其优势特征更加突出，比如客观性以及直观性避免了物探解译当中存在的不确定性问题。但是该项技术在隧道施工的应用，会占用一定的时间，对施工进度产生影响，同时费用也比较高，这也是非常明显的缺点。所以，针对地质条件非常复杂的隧道施工，需要将传统物探方式与先进物探手段进行结合，发挥彼此的优势，并且对缺点进行补充，可以使隧道超前预报的精准性以及便捷性得到提升，实现经济、实用的目标。此外，对于隧道综合施工地质预报方法的选择，需要基于工程具体相适应的综合预报系统基础之上，对其进行详细的探究，可以使预报过程更加高效、经济以及精准。

5 结 语

针对隧道工程的建设，超前地质预报为隧道工程当中，避免风险的重要措施，在隧道施工中有着广泛的应用。针对掌子面实施的超前水平钻孔，需要利用钻进的速度、岩芯采取率统计、钻孔岩芯检定实验等，进行综合分析之后，可对隧道施工掌子面前方岩体的岩性进行确定，并明确含水的具体情况、地层岩石的实际软硬程度以及完整性等，还可获取断层以及空洞的具体位置，以便实施细致的使用掌子面前方地质预报工作。