孔内成像技术在四面山隧道超前地质钻孔中的应用

孔内成像技术在四面山隧道超前地质钻孔中的应用

陈小锐1杨金平2

中国水利水电第五工程局有限公司四川成都610066

摘要：随着高速公路隧道施工技术的发展，隧道开挖过程中常常因地质问题，导致安全事故发生。隧道基本采用超前地质预报监测进行隧道施工安全控制，结合现场实际情况，针对施工难点，我们研究了隧道超前地质钻孔孔内成像施工技术。该项技术不但解决了四面山特长隧道超前地质钻勘的问题，同时也通过此类技术形象的看到了隧道掌子面前方的围岩情况，为隧道的安全施工提供了保障，同时也缩短了整体隧道的施工时间，加快了工序。

关键词：隧道；超前预报；地质钻孔；孔内成像；施工技术

1前言

高速公路隧道在我国已经较为普遍，由于山区地形的特殊性，高速公路大长隧道的数量在不断的增加，施工工艺也日新月异。重庆江习高速公路四面山特长隧道为分离式和一般小净距组合式隧道，双向四车道，全长4880m，隧道穿越地层为砂岩、泥岩护层，围岩差，主要为Ⅳ级和Ⅴ级围岩，Ⅴ级为43%，Ⅳ级为57%。隧道起止桩号：左线LZK0+200～LZK5+080，长4880m，右线LYK0+202～LYK5+077.35，长4875.35m，四面山特长隧道采取人工手风钻钻爆法进行施工，并辅以超前钻孔和地质雷达进行超前地质预报。

2工程特点及难点

特点：四面山特长隧道长4880m，采取单头双向掘进，单向进深大；隧道地质围岩主要为Ⅳ级和Ⅴ级围岩并成水平状小倾角状分布，围岩裂隙发育；

难点：隧道地质情况复杂且进深大，隧道施工人员较多，施工安全隐患突出，施工难度极大；采取传统的超前钻孔取芯的办法进行地质围岩预判成本高、效率低、工序交叉影响大。

3技术设计路线

隧道超前地质钻孔孔内成像施工技术，是基于传统超前地质钻孔取芯检测掌子面前方地质情况的工艺的基础上进行了进一步的创新，通过采用非取芯+孔内成像的方式与超前地质雷达结合补充应用，可极为准确的判定掌子面围岩的情况，更为准确预判围岩的情况，达到指导施工的效果。

4超前地质钻孔孔内成像技术原理及技术特点

4.1超前地质钻孔孔内成像技术原理

超前地质钻孔孔内成像施工技术是通过自制孔内监测成像装置，此装置主要由三部分构成，分别为电脑、红外防水摄像头、顶推杆构成。钻机完成掌子面超前钻孔后，将此成像装置组装完成，并采用顶杆将摄像头顶入孔内，在顶入过程中，电脑显示屏上将整个围岩壁的裂隙及完整情况进行显示和记录，地质工程师按此图像进行现场地质情况分析并给出指导意见，指导现场施工。

4.2超前地质钻孔孔内成像技术特点

4.2.1采用了“一种地质孔内成像装置”进行超前地质孔内成像检测，对隧道前方围岩的地质情况，以孔内成像的方式进行直观的观察，以便现场及时做出分析，提供可靠的技术方法进行指导施工。

4.2.2采用孔内成像装置进行抵制监测，在监测过程中，利用电脑的录像功能，对围岩资料进行影像留存，可进行进一步的共享分析。

4.2.3采用一台电脑、一个防水红外摄像头及顶推杆三大部分构成，结构简单、成本低廉、容易操作、用时较短。

本技术施工工艺简单，安全风险低，施工效率高，成本低，使用范围广，效果良好。适用于地下工程中隧道超前探测的施工。

5隧道超前地质钻孔孔内成像监测施工方案

5.1工序流程

工艺流程：钻机超前地质钻孔→孔内成像设备组装→数据收集及分析→图像数据存档→数据存档及共享分析→指导现场施工。

超前地质钻孔孔内成像施工技术工序步骤较为简单，在隧道开挖期间，利用超前孔内成像装置进行超前围岩情况观测，并及时了解掌子前方的围岩情况，占用施工时间少。

5.2工艺要点

5.2.1装置主要由三部分构成：电脑、顶推杆、红外防水摄像头。电脑与红外摄像头良好连接后，采用顶推杆将其沿超前地质孔推入或退出。

5.2.2采用了“地质孔内成像装置”进行超前地质孔内成像检测，对隧道前方围岩的地质情况，以孔内成像的方式进行直观的观察，以便现场及时做出分析，提供可靠的技术方法进行指导施工。

5.2.3采用孔内成像装置进行抵制监测，在监测过程中，利用电脑的录像功能，对围岩资料进行影像留存，可进行进一步的共享分析。

5.2.4采用一台电脑、一个防水红外摄像头及顶推杆三大部分构成，结构简单、成本低廉、容易操作、用时较短。

5.3操作步骤

5.3.1超前地质钻孔

现场配置一台履带式潜孔钻，在掌子面设置不少于2个点，按对撑位置进行超前地质钻孔，钻孔深度25～30m，孔径100mm。

5.3.2孔内成像设备组装

将相应设备运输至相应洞室内，并提供相应的电源确保电脑能正常工作，现场进行电脑与摄像头进行光缆有效连接，并采用胶布将摄像与顶推杆进行有效连接，缓慢的顶推入超前地质孔。

5.3.3数据收集及分析

摄像头顶推入孔内后，在缓慢推进过程中，电脑将相应的围岩情况通过显示器显示出来，提供现场地质工程师进行图像分析，判定围岩情况，以便给出施工指导意见，现场数据收集和数据分析见图4。

5.3.4数据存档及共享分析

现场收集的相关影像资料分类、分时间存储于电脑主机内，同时通过互联网传输给相关设计人员、监理人员、地质工程师进行脱机分析数据，并给出专业指导意见，为下一步隧道开挖施工提供指导。

5.3.5指导现场施工

专业地质工程师根据分析数据后，编写相应的地质报告，给出不同围岩的不同开挖方式、支护方式以及预防措施，结合现场指导施工。

6实施应用效果对比

传统钻孔取芯监测与钻孔孔内成像监测方案实施应用效果对比。传统钻孔取芯监测：单循环成孔时间8h，评估结果时间8h，单循环施工成本4800元，将大量占用直线工期，且存在交叉影响；钻孔孔内成像监测：单循环成孔时间4.5h，评估结果时间1～2h，单循环施工成本1500元，少量直线工期且不存在交叉影响。

钻孔孔内成像作业较传统地质钻孔取芯作业，不论从工期成本、钻孔成本、额外的管理成本及施工交叉影响上，均存在较大的优势，根据统计数据及现场检查情况，基本达到了目标效果。

7结论

隧道超前地质钻孔孔内成像技术，通过研制“一种孔内电视成像装置”，应用于隧道开挖地质超前预报施工中，以钻孔孔内成像方式取代钻孔取芯方式进行地质情况判别，同时结合地质雷达系统相互辅助，极大的提高了隧道开挖施工效率、监测的准确性、施工的安全性，该技术易于掌握，装置成本低廉，占用工序时间更少，具有“三提高和一改善”的效果，即提高了施工效率、提高了经济效益、提高监测准确性，改善了隧道施工交叉影响。该技术已经在重庆江习高速四面山隧道、张家岩隧道应用实践，值得在同类工程中推广应用。

作者简介

陈小锐（1988-)，男，四川遂宁射洪县人，中国水电五局江习高速三分部，项目总工，工程师，学士，现从事技术管理工作。

杨金平（1982-)，男，四川成都市人，中国水电五局一分局，经营部主任，高级工程师，学士，现从事经营技术管理工作。