CN108868788A - 一种超长隧道的挖掘方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超长隧道的挖掘方法，属于隧道工程技术领域，发明方案为：在采用盾构机挖掘超长隧道前，先引入石油开采所用成熟“贪吃蛇”钻探技术、并对其进行改进完善，沿线多台分段、从地面向下定向、定位，再折转、并沿超长隧道方向钻探、获取超长隧道线路上的地质构造信息；再按该隧道地质构造信息对线路上的泥土质、碎石、水道溶洞空穴、局部炽热岩层等诸多“问题隧道段”，或注入水泥浆、进行局部“改性”密封固化、或侧向改道回避、或引水导热等预先技术施工处理，以提前将盾构机施工中可能引发透水、坍塌、高热等诸多不利盾构施工的“恶劣”因素排除掉；最大限度地保障盾构机能始终工作在稳定有利施工的工况条件之下、保障盾构施工效率。

Description

一种超长隧道的挖掘方法

技术领域

本发明涉及一种超长隧道的挖掘方法，属于隧道工程技术领域。

技术背景

新闻上看到国家工程院的多个院士谈西线调水的红旗河工程方案情况，这预示着国家可能准备考虑西线“红旗河”调水工程启动问题，我们很震奋，红旗河工程若能立项实施，将是我国又一项世界独一无二的最大水利工程项目，利国利民，惠及中华子孙万代，红旗河设计引水量很大，比黄河还要大很多、沿途流过的长度比黄河还要长，其总长接近我国长江的长度，中游能大面积灌溉当地、解决西北干旱地区的农业灌溉问题，下游折向塔里木盆地，河流沿盆地东南边缘向西南边缘自然流淌、可实现塔里木盆地全地域覆盖式灌溉，界时，中国这一最大的死亡沙海将逐步演变成我国最大的盆地型水乡绿洲，红旗河工程更是世界首创、独一无二的沙漠治理奇迹，“红旗河”调水工程的方案论证非常科学、全部使用现有中国成熟使用过的工程技术，最大限度地取利避弊，在工程造价、地质危害的规避等诸多方面，考虑的非常细致、周到，充分展现出我们中国人所独有的高超聪明智慧、民族胆略和勇气及巨大的工程技术能力，红旗河工程的确是一项令华夏子民非常震奋和信赖的好工程，方案将方方面面的因素都考虑地很到位，几乎是完美无缺，除了红旗河之后、如何永久保持塔里木盆地东北淡水湖水质的环保技术问题未考虑到而外，然而，要考虑并解决好红旗河后永久保持塔里木盆地东北淡水湖水质的环保技术问题，修建超长隧道暗河渠的挖掘施工是避免不了的，长度近1500千米左右的隧道暗河渠的挖掘，科学的挖掘方法非常重要，现代隧道盾构机虽然非常科学先进，但当它面对偶然遇到炽热岩石、或空穴暗河溶洞、或碎石屑水质地段、或泥土水质地段等特殊地质区段，就显得相当无奈和无能为力了，可能遇到发生的严重透水、坍塌、沉降、高温等能使隧道盾构机效率大幅降低，甚至危及到隧道盾构机及工作人员的安全。

同理，与以上超长隧道相类似的高铁、高速公路及城市地铁等稍长距离的隧道修建施工，也多少同样会遇到上述泥土水质地段、空穴暗河溶洞、碎石屑水质地段、炽热岩石等特殊地质区段，进而可能遇到的发生严重透水、坍塌、沉降、高温等能使隧道盾构机效率大幅降低，甚至危及到隧道盾构机及工作人员的安全施工问题。

发明内容

俗话说的好，磨刀不误砍柴工，为解决好上述问题，本发明提出了一种超长隧道的挖掘方法，包括一两位自然千米数及以下短距离的隧道挖掘，设计出一条被认为是较好、距离较短的隧道线路，直接交由隧道盾构机进行隧道挖掘施工，其特征在于：对两三位自然及以上超长千米数的隧道挖掘，设计上尽可能考虑已有的地下详尽的地质探测信息，选择出一条较好的隧道挖掘线路，在采用“坎儿井”式一字排开多台盾构机、挖掘隧道之前，先考虑引入石油开采所用成熟的“贪吃蛇”钻探技术、对线路进行实地地质钻探和改性预先处理；即在沿线多台分段、从地面向下定向、定位，再折转、获取隧道线路上的详实地质构造信息，必要时，还需对某些局部地段进行第二、三次增强性的常规钻探，全面摸清并掌握线路上直径数米甚至数十米平面、长立体空间内的岩层、裂隙、空穴溶洞、泥土、碎石等信息；并对其提出最新详尽的隧道地质构造信息的处理方案，特别是对线路上的泥土质、碎石、空穴溶洞、局部炽热岩层等“重点隧道问题路段”，进行先钻孔、退回时向泥沙碎石中注入水泥浆、进行局部“改性”的密封固化、或侧向改道回避、或引水导热阻断等预先技术施工处理，提前将盾构机施工中可能引发透水、坍塌、高热等诸多不利盾构施工的“恶质危险”因素排除掉；最大限度地保障盾构机能始终工作在类似密质岩石类“包围保护”、或“常温”密质岩石的有利工况条件之下、重新进行二次隧道线路设计，再转交盾构机进行施工，这样可确保盾构施工的高效率、高安全性。

先需对石油开采所用成熟“贪吃蛇”钻探技术设备进行改进和完善，一是将成熟的声波探测技术加载于“贪吃蛇”钻探技术中，进而使“贪吃蛇”在钻探钻孔过程中，能探测到沿途线路四周数米甚至数十米半径范围内较大空间断面的地质构造情况，即获取挖掘隧道线路上所有数米数十米半径立体空间内的岩石路段、泥质或碎石路段、暗河水道或空穴溶洞路段、热岩地热区路段等各种地质构造的详细信息情况；二就是“贪吃蛇”钻头部位还具有可控能喷水泥浆的功能，以备在钻头回缩时能胜任一边喷水泥浆一边由外头绞伴混合均匀的“地质改性的密封承力支撑”工作，具体地：

泥质或碎石路段：沿隧道泥沙质或碎石质路段线路外圈四周，由“贪吃蛇”在隧道固化圆环外侧钻柱状母线孔、从一个岩石端小角度偏转改向钻孔、再钝角沿母线方向钻孔、直至穿透泥质或碎石地段进入另一个岩石端，然后在回缩改性固化，即在回缩过程中，一边喷注水泥浆一边由钻头将其与泥质或碎石拌匀，形成圆柱状母线改性混凝柱体，如此做圆环上四周的一条圆柱状母线改性混凝柱体、两条......多条圆柱状母线改性混凝柱体相互靠紧密封、迭加形成的“改性”密封固化圆柱构成的圆环状“混凝土式”泥质或碎石改性体，使原有泥质或碎石结构中，“添加”了一条泥沙或碎石混凝土相靠紧的“保护套管”，日后盾构机施工时，可沿“保护套管”中心进入改性固化承力管进行盾构施工，因该改性固化承力管能阻断其外周泥石流、或碎石流的流动性对盾构机工作区施工的危害，起到“护卫”盾构机的作用。

暗河水道或空穴溶洞路段：对地下溶洞暗河水道空穴域的空间较大的有限地段，通过声波探测及二次强化地质钻探，进一步摸清其更为详尽的地质信息，并根据这些隧道线路四周的详实地质构造信息，判明盾构施工线路左、右水平侧面的岩石结构情况，重新修改设计局部规避线路、钻孔线路采取向左偏移修改、或向右偏移修改，使盾构机施工回避绕过“暗河水道或空穴溶洞”的超难度工况条件。

热岩地热区路段：地热的热岩对盾构机施工影响也很大，特别是对施人员的影响，但人们可以根据“贪吃蛇”钻探获得隧道线路上的地热信息，人们可以进行二次强化钻探，摸清其更为详尽的地质信息，进而对穿越局部热岩区的盾构施工线路外周、在施工线路岩石周边与下部热岩间适当增设热岩水循环散热装置10，引导水流、用水带热、散热，对施工线路岩石进行“降温去势”处理，改善施工工况条件，保障盾构施工的正常进行，等待隧道施工完成、或隧道暗河渠通水后，再断除局部热岩水循环散热装置10，这是“去势”处理的法一。

对热岩地热区路段还有法二：即可以参照处理暗河水道或空穴洞路段的类似方法，向左或向右规避，使盾构机施工回避绕过热岩地热区路段，从侧旁找出另一能规避热岩的线路11。

附图说明

图1是隧道线路的实际钻探、获取实地地质信息过程示意图。

图2是隧道泥质或碎石路段处理示意图。

图3是隧道暗河容洞或空穴洞路段规避处理示意图。

图4是隧道热岩地热区路段处理示意图。

图5是隧道热岩地热区路段规避处理示意图。

上述图中包括了：改进式“贪吃蛇”钻机1，隧道原始设计线路2，泥沙地质结构3，暗河或空穴溶洞地质结构4，碎石地质结构5，热岩柱岩石结构6，常规岩石地质结构7，改性地质结构8，规避线路9，热岩水循环散热装置10，规避热岩的线路(11)，计划隧道固化外圈12，泥沙碎石混凝土改性柱13，实际盾构施工线路14。

实施例一：对“贪吃蛇”钻探技术进行改进完善的方法；见图1，图2，见图3，图4。

先在石油开采所用成熟“贪吃蛇”钻探技术设备上，将成熟的声波探测技术加载于“贪吃蛇”钻探技术中，进而借助相关仪器将“贪吃蛇”钻探既能探测沿途地下钻孔线路四周数米甚至数十米半径范围内较大空间断面的地质构造情况雇工记录下来，供技术人员分析使用；再给“贪吃蛇”钻探技术设备的钻头上加载上或输送水泥浆的功能，以便当钻头感应到所钻控的地质结构不是整体岩石层，而是泥质或碎石构造时，就能使钻头沿线路折向周边钻探中，边输送水泥浆，边伴匀混合，使泥土、泥沙或碎石与所输送的水泥浆混伴均匀，置换出部分泥水排出地面，一个360度圆周内的输送水泥浆混伴均匀，逐根圆柱体向前改性推进，一根、两根、三根......，圆环形态地紧密相互靠接，形成一个大于计划隧道固化外圈12直径适当的改性水泥浆与泥沙或碎石均匀混伴的超大改性圆柱体，该圆柱体两端与整体岩石层相对接，因该圆柱体大于盾构机工作面径，待日后盾构施工时，柱体中部被盾构机取走，大于计划隧道固化外圈12的部分改性柱体便密封地保护盾构施工不发生透水或塌陷现象的发生，见图2。

实施例二：一种超长隧道的挖掘方法；见图1，图2，见图3，图4，图5。

某项大工程需要在地下开挖一条超长隧道，设计人员根据已有的地质等有关资料信息，周密设计了一套盾构隧道原始设计线路2，并将其发给相关的物探部门，该部经认真研读后，组织多个勘探组，采用改进型“贪吃蛇”钻探技术设备，在原始设计线路2上一字排开，进行加强性钻探施工，以摸清原始设计线路2上全线的实际地质探测，重点定位原始设计线路2上的泥土、泥沙、断层、暗河、空穴溶洞、热岩等详尽地信息，为之后的预处理提供详实资料信息，如原始设计线路2上周边数米乃至数十米断面及长度方向的地质信息；必要时进行局部再加强式的确认探测，将需要进行地质预处理的地段一一确认，再转交设计部门，由其规划预处理方案，再转发给钻探部门进行预处理施工。

Claims (5)

1.一种超长隧道的挖掘方法，包括一两位自然千米数及以下短距离的隧道挖掘，设计出一条被认为是较好、距离较短的隧道线路，直接交由隧道盾构机进行隧道挖掘施工，其特征在于：对两三位自然及以上超长千米数的隧道挖掘，设计上尽可能考虑已有的地下详尽的地质探测信息，选择出一条较好的隧道挖掘线路，在采用“坎儿井”式一字排开多台盾构机、挖掘隧道之前，先考虑引入石油开采所用成熟的“贪吃蛇”钻探技术、对线路进行实地地质钻探和改性预先处理；即在沿线多台分段、从地面向下定向、定位，再折转、获取隧道线路上的详实地质构造信息，必要时，还需对某些局部地段进行第二、三次增强性的常规钻探，全面摸清并掌握线路上直径数米甚至数十米平面、长立体空间内的岩层、裂隙、空穴溶洞、泥土、碎石等信息；并对其提出最新详尽的隧道地质构造信息的处理方案，特别是对线路上的泥土质、碎石、空穴溶洞、局部炽热岩层等“重点隧道问题路段”，进行先钻孔、退回时向泥沙碎石中注入水泥浆、进行局部“改性”的密封固化、或侧向改道回避、或引水导热阻断等预先技术施工处理，提前将盾构机施工中可能引发透水、坍塌、高热等诸多不利盾构施工的“恶质危险”因素排除掉；最大限度地保障盾构机能始终工作在类似密质岩石类“包围保护”、或“常温”密质岩石的有利工况条件之下、重新进行二次隧道线路设计，再转交盾构机进行施工，这样可确保盾构施工的高效率、高安全性。

2.根据权利要求1所述一种超长隧道的挖掘方法，其特征在于：先需对石油开采所用成熟“贪吃蛇”钻探技术设备进行改进和完善，一是将成熟的声波探测技术加载于“贪吃蛇”钻探技术中，进而使“贪吃蛇”在钻探钻孔过程中，能探测到沿途线路四周数米甚至数十米半径范围内较大空间断面的地质构造情况，即获取挖掘隧道线路上所有数米数十米半径立体空间内的岩石路段、泥质或碎石路段、暗河水道或空穴溶洞路段、热岩地热区路段等各种地质构造的详细信息情况；二就是“贪吃蛇”钻头部位还具有可控能喷水泥浆的功能，以备在钻头回缩时能胜任一边喷水泥浆一边由外头绞伴混合均匀的“地质改性的密封承力支撑”工作。

3.根据权利要求1所述一种超长隧道的挖掘方法，其特征在于对泥质或碎石路段进行的预先改性处理：沿隧道泥沙质或碎石质路段线路外圈四周，由“贪吃蛇”在隧道固化圆环外侧钻柱状母线孔、从一个岩石端小角度偏转改向钻孔、再钝角沿母线方向钻孔、直至穿透泥质或碎石地段进入另一个岩石端，然后在回缩改性固化，即在回缩过程中，一边喷注水泥浆一边由钻头将其与泥质或碎石拌匀，形成圆柱状母线改性混凝柱体，如此做圆环上四周的一条圆柱状母线改性混凝柱体、两条......多条圆柱状母线改性混凝柱体相互靠紧密封、迭加形成的“改性”密封固化圆柱构成的圆环状“混凝土式”泥质或碎石改性体，使原有泥质或碎石结构中，“添加”了一条泥沙或碎石混凝土相靠紧的“保护套管”，日后盾构机施工时，可沿“保护套管”中心进入改性固化承力管进行盾构施工，因该改性固化承力管能阻断其外周泥石流、或碎石流的流动性对盾构机工作区施工的危害，起到“护卫”盾构机的作用。

4.根据权利要求1所述一种超长隧道的挖掘方法，其特征在于暗河水道或空穴溶洞路段的规避：对地下溶洞暗河水道空穴域的空间较大的有限地段，通过声波探测及二次强化地质钻探，进一步摸清其更为详尽的地质信息，并根据这些隧道线路四周的详实地质构造信息，判明盾构施工线路左、右水平侧面的岩石结构情况，重新修改设计局部规避线路、钻孔线路采取向左偏移修改、或向右偏移修改，使盾构机施工回避绕过“暗河水道或空穴溶洞”的超难度工况条件。

5.根据权利要求1所述一种超长隧道的挖掘方法，其特征在于对热岩地热区路段：地热的热岩对盾构机施工影响也很大，特别是对施人员的影响，但人们可以根据“贪吃蛇”钻探获得隧道线路上的地热信息，人们可以进行二次强化钻探，摸清其更为详尽的地质信息，进而对穿越局部热岩区的盾构施工线路外周、在施工线路岩石周边与下部热岩间适当增设热岩水循环散热装置(10)，引导水流、用水带热、散热，对施工线路岩石进行“降温去势”处理，改善施工工况条件，保障盾构施工的正常进行，等待隧道施工完成、或隧道暗河渠通水后，再断除局部热岩水循环散热装置(10)，这是“去势”处理的法一；

对热岩地热区路段还有法二：即可以参照处理暗河水道或空穴洞路段的类似方法，向左或向右规避，使盾构机施工回避绕过热岩地热区路段，从侧旁找出另一能规避热岩的线路(11)。