CN114352299B - 一种深埋长隧洞tbm施工条件下并行超前超深地质预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深埋长隧洞TBM施工条件下并行超前超深地质预报方法，包括以下步骤：1)对待施工深埋长隧洞进行地质勘察，获取隧洞及其附近围岩的地层岩性、断层、岩体溶蚀风化在内的地质信息；2)根据地质勘察获取信息，初步判断需进行超前预报地质缺陷位置，并结合TBM掘进机长度、掘进机正常掘进速度、定向钻机钻进速度，确定超前钻孔布置位置；3)在距需进行超前预报地质缺陷位置后方水平距离L位置处边墙处开挖小型定向钻机作业耳洞；4)按照岩渣采集研判、钻探观测、孔内录像、孔内测试顺序进行分析，预报地质缺陷及危害程度。本发明方法在基本不影响TBM施工效率条件下，对地质灾害类型、危害程度进行较准确预报。

Description

一种深埋长隧洞TBM施工条件下并行超前超深地质预报方法

技术领域

本发明涉及隧洞施工技术，尤其涉及一种深埋长隧洞TBM施工条件下并行超前超深地质预报方法。

背景技术

由于地质条件客观上的复杂多变性，目前在施工前完全查明工程岩体的状态、特性，准确判断隧洞施工中可能发生地质灾害的位置、性质和规模十分困难。对于深埋长隧洞，其通常面临涌水突泥问题、高外水压力问题、硬岩岩爆、软岩变形问题等问题，施工人员和设备安全风险巨大，在隧洞施工过程中，进行超前地质预报，不断深化对掌子面前方地质条件的认知，是确保施工快速、安全的关键性因素之一。

常规超前地质预报，主要是基于地质条件的地质分析，结合地震法、电磁法等物探方法及结合常规超前钻探进行。对于深埋长隧洞，深部地质条件变化较大，地质分析具有局限性；物探测试具有多解性及不确定性，在TBM施工条件下，受TBM空间及自身电磁***影响，物探测试实用性受到多种限制；超过超前钻探其探测深度较小，一般在30-50m，且需TBM停机进行作业。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种深埋长隧洞TBM施工条件下并行超前超深地质预报方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种深埋长隧洞TBM施工条件下并行超前超深地质预报方法，包括以下步骤：

1)对待施工深埋长隧洞进行地质勘察，获取隧洞及其附近围岩的地层岩性、断层、岩体溶蚀风化在内的地质信息；

2)根据地质勘察获取信息，初步判断需进行超前预报地质缺陷位置，并结合TBM掘进机长度L₁、掘进机正常掘进速度V_机、定向钻机钻进速度V_钻，确定超前钻孔布置位置，根据超前钻孔布置位置在隧洞洞壁开挖形成作业耳洞，在耳洞内布置定向钻机；；

前钻孔布置位置确定方式如下：

2.1)若设定定向钻钻进方向平行于TBM掘进方向；

设定TBM机长为L₁；超前平行钻孔施工期，TBM同期掘进长度L₂＝V_机*t；

由于施工安全需要及前期初步判断地质缺陷的位置误差，地质缺陷超前预报安全距离为L₃；

超前平行导孔同时间内钻进距离L₁+L₂+L₃＝V_钻*t；则：

超前钻孔作业时间：t＝(L₁+L₃)/(V_钻-V_机)

超前钻机布置位置：L＝(L₁+L₃)*V_钻/(V_钻-V_机)

2.2)若设定定向钻钻进方向与TBM掘进方向呈夹角α：

设定TBM机长为L₁；超前平行钻孔施工期，TBM同期掘进长度L₂＝V_机*t；由于施工安全需要及前期初步判断地质缺陷的位置误差，设地质缺陷超前预报安全距离为L₃；超前平行导孔同时间内钻进深度在TBM方向上投影距离L₁+L₂+L₃＝V_钻*t*cosα；则：

超前钻孔作业时间：t＝(L₁+L₃)/(V_钻*cosα-V_机)

超前钻机位置：L＝(L₁+L₃)*V_钻*cosα/(V_钻*cosα-V_机)

3)在距需进行超前预报地质缺陷位置后方水平距离L位置处边墙处开挖小型定向钻机作业耳洞，作业耳洞尽量贴近TBM机尾部布置；作业耳洞安装定向钻作业规定尺寸开挖；

4)按照岩渣采集研判、钻探观测、孔内录像、孔内测试顺序进行分析，预报地质缺陷及危害程度；

4.1)岩渣研判利用定向钻机自带出渣装置所带出岩渣进行，包括岩渣的岩性特征、溶蚀风化特征、岩渣级配特征；

4.2)钻探观测为对钻孔出水特征进行观测，包括涌水深度位置、涌水水量、涌水水压；

4.3)基于岩渣判断、钻探观测的结果，对需进行孔内录像洞段，利用钻杆搭载孔内摄像仪器，进行孔内录像；

4.4)对需要进行岩体力学性质测试段，将孔内所有钻具完全起出，更换为取芯钻具,下钻进行取芯钻进，取芯完成后，再次取出孔内所有钻具至地表，更换为全面导向钻头,继续导向钻进，实现间隔取芯，对取出岩芯进行室内力学性质试验；

4.5)对需要进行地应力、透水性，提钻安装压水设备，进行水力压裂试验，测量孔段地应力及岩体透水性特征。对需进行放射性或地温孔段，提钻安装无电缆存储式测井仪器，钻孔围岩的放射性、孔温等参数进行检测。

本发明产生的有益效果是：

本发明使用小型定向钻机实现超前地质预报，突破常规地质分析→物探测试→超前钻探方法导致预报过程中不确定性大、影响TBM施工效率、超前预报距离较小等局限性，实现TBM并行条件下超前超深预报，在基本不影响TBM施工效率条件下，对地质灾害类型、危害程度进行较准确预报，为TBM施工条件下对地质灾害的预处理过程预留时间。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的深埋长隧洞TBM施工条件下并行超前超深地质预报装置布置示意图；

图2是本发明实施例的定向钻机钻机方向与TBM掘进方向呈夹角α时布置预测示意图；

图3是本发明实施例的施工耳洞布置横断面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本方法包括一种深埋长隧洞TBM施工条件下并行超前超深地质预报装置，包括作业耳洞3，小型定向钻机4，小型定向钻机布置于作业耳洞内，作业耳洞位于TBM掘进机后主洞边墙内。

一种深埋长隧洞TBM施工条件下并行超前超深地质预报方法，包括以下步骤：

1)对待施工深埋长隧洞进行地质勘察，获取隧洞及其附近围岩的地层岩性、断层、岩体溶蚀风化在内的地质信息；

2)根据地质勘察获取信息，初步判断需进行超前预报地质缺陷位置，并结合TBM掘进机长度L₁、掘进机正常掘进速度V_机、定向钻机钻进速度V_钻，确定超前钻孔布置位置；

前钻孔布置位置确定方式如下：

2.1)若设定定向钻钻进方向平行于TBM掘进方向；

设定TBM机长为L₁；超前平行钻孔施工期，TBM同期掘进长度L₂＝V_机*t；

由于施工安全需要及前期初步判断地质缺陷的位置误差，地质缺陷超前预报安全距离为L₃；

超前平行导孔同时间内钻进距离L₁+L₂+L₃＝V_钻*t；则：

超前钻孔作业时间：t＝(L₁+L₃)/(V_钻-V_机)

超前钻机布置位置：L＝(L₁+L₃)*V_钻/(V_钻-V_机)

2.2)若定向钻钻进方向与TBM掘进方向呈夹角α(图2)：

设定TBM机长为L₁；超前平行钻孔施工期，TBM同期掘进长度L₂＝V_机*t；由于施工安全需要及前期初步判断地质缺陷的位置误差，地质缺陷超前预报安全距离为L₃；超前平行导孔同时间内钻进深度在TBM方向上投影距离L₁+L₂+L₃＝V_钻*t*cos(α)；则：

超前钻孔作业时间：t＝(L₁+L₃)/(V_钻*cos(α)-V_机)

超前钻机位置：L＝(L₁+L₃)*V_钻*cos(α)/(V_钻*cos(α)-V_机)

3)为最大程度减小超前钻孔孔深，节省作业时间，作业耳洞尽量贴近TBM机尾部布置，在距拟预测地质缺陷后方水平距离L位置处边墙处开挖小型定向钻机作业耳洞；作业耳洞安装定向钻作业规定尺寸开挖，一般为6.0m×4.0m×3.0m(长×宽×高)，图3。

本实施中，小型定向钻机可利用TBM出渣皮带机布置，进一步减小作业耳洞开挖范围，提高工作效率，如图3。

基于地质条件及地质缺陷特殊性需要，钻机钻机方向可以调整，以满足实际需求。

a.若前方需探测地质缺陷为与隧洞大角度相交的特殊岩层或断层，则定向钻钻进方向保持与主洞平行钻进，图1；

b.若前方需探测地质缺陷为不规则团块状分布溶洞或特殊岩体，则以前期地质勘察初步确定的地质缺陷为导向，调整钻进方向，图2。

4)按照岩渣采集研判、钻探观测、孔内录像、孔内测试顺序进行分析，在前置步骤可以实现地质缺陷预测条件下，动态优化后续工作流程，在提高工作效率的同时，更直接、准确预报地质缺陷及危害程度。

a.岩渣研判直接利用定向钻机自带出渣装置所带出岩渣进行，包括岩渣的岩性特征、溶蚀风化特征、岩渣级配特征；

b.钻探观测指直接对钻孔出水特征进行观测，包括涌水深度位置、涌水水量、涌水水压；

c.基于岩渣判断、钻探观测，对需进行孔内录像洞段，利用钻杆搭载孔内摄像仪器，进行孔内录像；

d.对需要进行岩体力学性质测试段，将孔内所有钻具完全起出，更换为取芯钻具,下钻进行取芯钻进，取芯完成后，再次取出孔内所有钻具至地表，更换为全面导向钻头,继续导向钻进，实现间隔取芯，对取出岩芯进行室内力学性质试验；

f.对需要进行地应力、透水性，提钻安装压水设备，进行水力压裂试验，测量孔段地应力及岩体透水性特征。对需进行放射性或地温孔段，提钻安装无电缆存储式测井仪器，钻孔围岩的放射性、孔温等参数进行检测。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种深埋长隧洞TBM施工条件下并行超前超深地质预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对待施工深埋长隧洞进行地质勘察，获取隧洞及其附近围岩的地层岩性、断层、岩体溶蚀风化在内的地质信息；

2)根据地质勘察获取信息，初步判断需进行超前预报地质缺陷位置，并结合TBM掘进机长度L₁、掘进机正常掘进速度V_机、定向钻机钻进速度V_钻，确定超前钻孔布置位置，根据超前钻孔布置位置在隧洞洞壁开挖形成作业耳洞，在耳洞内布置定向钻机；

前钻孔布置位置确定方式如下：

2.1)若设定定向钻钻进方向平行于TBM掘进方向；

设定TBM机长为L₁；超前平行钻孔施工期，TBM同期掘进长度L₂＝V_机*t；

由于施工安全需要及前期初步判断地质缺陷的位置误差，地质缺陷超前预报安全距离为L₃；

超前平行导孔同时间内钻进距离L₁+L₂+L₃＝V_钻*t；则：

超前钻孔作业时间：t＝(L₁+L₃)/(V_钻-V_机)

超前钻机布置位置：L＝(L₁+L₃)*V_钻/(V_钻-V_机)

2.2)若设定定向钻钻进方向与TBM掘进方向呈夹角α：

设定TBM机长为L₁；超前平行钻孔施工期，TBM同期掘进长度L₂＝V_机*t；由于施工安全需要及前期初步判断地质缺陷的位置误差，设地质缺陷超前预报安全距离为L₃；超前平行导孔同时间内钻进深度在TBM方向上投影距离L₁+L₂+L₃＝V_钻*t*cosα；则：

超前钻孔作业时间：t＝(L₁+L₃)/(V_钻*cosα-V_机)

超前钻机位置：L＝(L₁+L₃)*V_钻*cosα/(V_钻*cosα-V_机)

3)在距需进行超前预报地质缺陷位置后方水平距离L位置处边墙处开挖小型定向钻机作业耳洞，作业耳洞尽量贴近TBM机尾部布置；作业耳洞安装定向钻作业规定尺寸开挖；

4)按照岩渣采集研判、钻探观测、孔内录像、孔内测试顺序进行分析，预报地质缺陷及危害程度。

2.根据权利要求1所述的，其特征在于，其特征在于，所述步骤4)中按照岩渣采集研判、钻探观测、孔内录像、孔内测试顺序进行分析，预报地质缺陷及危害程度，具体如下：

4.1)岩渣研判利用定向钻机自带出渣装置所带出岩渣进行，包括岩渣的岩性特征、溶蚀风化特征、岩渣级配特征；

4.2)钻探观测为对钻孔出水特征进行观测，包括涌水深度位置、涌水水量、涌水水压；

4.3)基于岩渣判断、钻探观测的结果，对需进行孔内录像洞段，利用钻杆搭载孔内摄像仪器，进行孔内录像；

4.4)对需要进行岩体力学性质测试段，将孔内所有钻具完全起出，更换为取芯钻具,下钻进行取芯钻进，取芯完成后，再次取出孔内所有钻具至地表，更换为全面导向钻头,继续导向钻进，实现间隔取芯，对取出岩芯进行室内力学性质试验；

4.5)对需要进行地应力、透水性，提钻安装压水设备，进行水力压裂试验，测量孔段地应力及岩体透水性特征；对需进行放射性或地温孔段，提钻安装无电缆存储式测井仪器，钻孔围岩的放射性、孔温等参数进行检测。