CFC+超前钻孔探水技术在铁路隧道超深竖井中的研究及应用.docx

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1、CFC+超前钻孔探水技术在铁路隧道超深竖井中的研究及应用摘要随着各类工程建设和矿山开采向深部发展,采用深竖井方式在长大隧道中会越来越普遍。而现有的预报手段主要针对水平方向平洞设计的超前预报预测，竖向的地质探测相对较少，实施运用就更少，应研究适合于深大竖井特殊空间位置的地质探测手段。大瑞铁路高黎贡山隧道涵盖2座竖井，地层富水增加了建井的难度，严重制约了施工进度，大量的钻孔又难以在高角度裂隙发育，地质千变万化的地层中探明前方水的情况.采用CFC+超前探孔的探水体系能有效预报预测地下水,实现了物探指导钻探,宏观指导微观的科学性，同时减少了对施工进度的影响，提供了更准确的预报结果。关键词超深竖井地下水

2、复频电导技术超前钻孔技术。引言经过半个多世纪的发展，特别是近一、二十年以来，隧道施工超前地质预报已经有了一套较成熟的技术方法。针对钻爆法隧道施工，目前国内外已基本形成一个共识，即采用以地质法为基础的综合物探技术”进行隧道施工地质超前预报，总体来说预报体系已相对成熟竖井是一种很好的辅助施工措施，在长大隧道施工中得到了广泛使用。但隧道竖井施工有别于平洞,垂直向下施工,易受重力影响，由于地质复杂,地下水丰富且补充快,不可预见且不可控制因索较多等，很容易造成淹井事故超前地质预报预测地下水十分必要。而现有的预报手段常用于水平方向平洞设计的超前预报预测,针对竖向的地质探测相对较少，实施运用就更少网，竖井采

3、用的预测地下水手段还是以传统的多方位加密长距离探孔为主，不光耗时耗力，对于高角度裂隙发育、地质千变万化且富水的地层来说，“一孔之见存在较大的安全隐患（高黎贡山隧道1号竖井副井淹井为例）。为了研究竖井预测地下水方式方法，高效率高精度探明竖井地下水发育情况.依托于大瑞铁路高黎贡山隧道1#竖井，结合现场施工条件以及施工特点，对竖井的超前地质预报系统进行了研究,以期为深大竖井的超前地质预报工作提供借鉴。1竖井施工概况1.1 工程概况高黎贡山隧道1#竖井采用主副井设置方式.|1#竖井I主井位于隧道DIK205+080线路中批注。J1:补充!S井直径,便于后面物探方法的线右侧30m,井口标高+1868.2

4、5mm,井底标高+1105.66mm,深度762.59m,其中马头门坑底距井口深度为743.59m,井底水窝深度19m。主井功能为回风，出研；1#竖井副井位于隧道DIK205+053处线路中线右侧52m,井口标高+1870.25m,井底标高+110551m,深度764.74m,其中马头门坑底距井口深度为745.74m,井底水窝深度19m。副井功能为进料、进新风、排水、人员进出并兼做安全出口。1.2 地质概况高黎贡山隧道1#竖井位于霸王河右岸，属低中山河谷地貌区，海拔介于18452010之间。洞口位于踊王河阶地之上，地势较为平坦，隶属龙川江水系.朝王河为常年性流水，主要受大气降水补给,部分为基岩

5、裂隙水补给,受降雨控制明显,雨季流量大,枯水季节水景小，最终向瑞丽江汇流。地下水主要为第四系松散岩类孔隙水及基岩裂隙水，主要含水层为砾砂、卵石土、漂石土、碎裂状混合花岗岩及辉绿岩，隔水层主要为粉质黏土和完整性较好的混合花岗岩。1.3 施工条件及局限性竖井施工工艺一般为采用6臂伞钻向下垂直钻孔,一般炮眼深度为4.8m,装药、爆破后两台中心回转抓岩机装砂到吊桶，吊桶运箍至井外。出疆后.滑模下放、定位、浇筑混凝土.一股段高36m,一掘一砌。砂由拌合站搅拌，用3m3底卸式吊桶运至吊盘.由安置在吊盘上的溜灰管放碇入模。相对于斜井进入隧道施工，竖井施工距离短、节约工期；废弃工程少，节约成本；弃髓少,对环境

6、影响小。但同时也有自身的局限性：（1）竖井是施工组织唯一的通道，提升系统是深大竖井施工中重要的组成部分。竖井施工过程中，各种设备、材料以及作业人员的运送都不开提升系统，对设备安全的控制要求极为严格；（2）竖井井身狭小,抽排水能力有限，地下水向最低点（即工作面）汇集.抽排水多采用吊桶下放到吊盘位置，从井底用水泵抽到吊桶内，提升至井口排水，工作面长时间积水；（3）淹井是最大风险。建井期间，施工中要遵循“有疑必探、先探后掘，导、戡、堵、排相结合的地下水处理原则，加强对地下水的监测,当存在涌水量超过IOm3/h的含水层时,应采用注浆堵水措施.尽量减小地下水涌出。2竖井超前地质预报特殊要求及难度竖井淹井

7、风险和竖井井壁坍方风险是建井期间最主要的风险。竖井穿越软弱、破碎围岩地段时.围岩自稳能力差，若局部地段地下水发育.就会加大竖井围岩坍塌的风险。而地下水发育时,因为抽排水能力有限,若抽排水不及时可能会发生淹井事故,一旦出现此类事故，将对人员安全和工程造成极大的损失。因此,翌井的超前地质预报工作主要是探明工作面前方围岩完整程度和地下水发育情况。由于竖井空间位置的特殊性以竖井所处的地质背景,针对水平方向平洞设计的超前预报预测在竖弁内实施非常困难。通过对竖井超前地质预报物探方法开展的调研评价.即主要对目前常用预测地下水物探方法的适用条件进行分析评价，同时对相关科研院校进行调研，超前地质预报预测地下水新

8、方法对竖井超前地质预报适应性进行了评价。表1竖井超前地质预报物探法适用性调研评价表物探方法观测系统布置适用性评价TSP法井底向井口方向按15m间距布置24个炮孔用以激发震源.每个炮孔深度1.5m.并在距商最后一个炮孔15-2Om井壁对称两侧各布置一个接收孔用以接收地震波，接收孔深2m竖井断面小.TSP系统可布置性小.装药及放炮激发可操作性极低.预估在竖井中实施TSP法的时间为8小时（甚至更多）,严重影响施工进度。地质雷达法井底布置2-4条测线，井底处理平整。铁磁性物质对电微波衰减极大.现场须对施工机械进行迁移，同时抽干井底积水，保证地质雷达法数据的可靠性。需要弁底无积水，并且要迁移菸工机械.现

9、场难以实现.同时受场地限制，100M天线在井内可操作空间极小，瞬变电磁法与地质雷达法一样，必须保证井底积水抽排干净，同时迁移施工机械.以消除信号干扰。需要井底无积水，并且要迁移施工机械受场地限制.瞬变电磁的发射线圈和接收线圈在竖向摆放困难.不易操作.有安全除患，高分辨直流电法高分辨直流电法是通过供电电极在围岩中建立全空间稳定电场，所以必须保证井底积水抽排干净，同时迁移施工机械.以消除信号干扰。需要保证井底无积水.并且要迁移施工机械.同时受场地限制，高分辨直流电法的电极布置在井内可操作空间极小，无法按要求布置测线。红外探测法需沿隧道轴向在拱顶、拱腰、边墙、隧底布置测线.测线上测点间距探水时一般为

10、5m.发现异常时，可根据需要进行加密实际指导施工的作用不大。激发极化法井底向井口方向按一定间距布苣5至10环环向供电电极，井底面布置若干测量电极，并在弁口处布置两根接地电极（接地电极与供电电极距离应超过200米）.需要井底无积水,同时受场地限制.供电电极的布置极其困难，接收电极布置在井内可操作空间极小，同时预估在竖井中实菸时间为10小时以上。由此可知，适用于竖井的超前地质预报方法应满足以下几方面要求：（1）不受工作面积水问题的干扰；（2）不受竖井井身狭小的影响，能按要求布置观测系统，并且有一定的操作空间；（3）能有效预测出地下水发育程度；（4）施做时间不宜严重影响施工进度，施做过程中不宜存在人

11、为附加的安全隐患。3预测预报地下水技术研究为了能够进一步做好预报预测地下水工作，为竖井施工提供更准确的预报结果，以物探指导钻探，宏观指导微观，建立一套适合于竖井施工掘砌的超前地质预报预测地下水体系。依托于大瑞铁路高黎贡山隧道1#竖井，对此系统进行了研究。3.1 CFC复频电导物探技术为了有效地解决隧道超前探水问题，有必要合理选择用于探测的频带。电磁波频带的选择遵从如下原则：1有效区分干岩体和含水岩体,2电磁波传播的距离可以覆盖预测距离。CFC是一种新的电磁波探水技术,是复频电导率法的简称。CFC技术便是以含水岩体电导与电容率增大、波阻抗降低特性为基础.使用IOoKHZ-IOMHz频段电磁波进行

12、探测。在含水岩体与干燥岩体接触带电磁波发生反射,依据接收点电磁波的相干特性来实现学子面前方围岩含水性的预测。3.1.1 CFC方法原理岩体是具有电导率与电容率的复频电导介质。含水后复频电导率增大，本征阻抗降低。电磁波遇到本征阻抗变化的界面就会发生反射。使用IOOKHZIOMHz中频段的电磁波,根据反射与相干原理，实现学子面前方固岩含水位置与含水量的预报。CFC探水采用偶极子天线发射与阵列接收。电极长度1.5-20m,埋设于两侧围岩中，可有效地避免隧道内金属机具等电磁干扰。电极间距5-10m,45对电极阵列接收，具有方向性.使学子面前方的信号得到加强，侧向的信号被削弱。所有接收点的反射数据联合成

13、像，获得围岩含水性的分布与电磁波速和介电常数，作为含水性预报的依据。3.1.2 CFC探测硬件系统CFC探测系统发射机频带IOOKHZ20MHz,最高发射峰值电压6KV,发射电流可达120A。电磁波数字采集仪为双通道，采样率为400MHZ/Ch,动态16位，同步记录发射电流及接收极电压。仪器如图1所示。发射机接收机3.1.3 图ICFC复频电导技术设备图3.1.4 测线布置在井壁对称方向两侧原则上尽可能靠近井底工作面布置第1组接收电极.每隔8m的间距布置1组电极，共布置35组接收电极，激发电极布置1组，距最近接收电极8m的问距，接收电极和发射电极埋深均为15m.井底学子面图2复频电导技术测线布

14、置图3.1.5 数据采集分析利用竖井的提升系统进行自上而下的移动，人员和设备固定处于吊盘上。首先连接激发电极，在施做过程中激发电极始终处于连接状态，每移动一次吊盘测量1组电极，直至全部完毕。外业工作结束后随即转入室内资料整理及解释工作，对采集的数据进行分析、整理并检查和复核,并在此基础上对所采集的数据进行综合分析、评价。室内资料整理及解群主要经过记录选取、数据预处理、观测系统几何位置编辑、频谱归一化、CFC电磁波速扫描、CFC合成孔径偏移成像计算等过程。3.2 超前钻孔技术超前地质钻孔是对CFC物探手段探测到的不良地质体的确认。在物探手段单一的情况下超前地质钻孔应连续搭接进行。3.2.1 设备

15、钻孔施工采用潜孔钻机型号:KQJ-92钻机，配60mm钻杆，90mm冲击钻头，地面通过供水管直接供水打钻作循环水。3.2.2 平台搭设打钻平台距工作面2.3m,工作平台采用工字钢、槽钢及钢板搭设，工字钢作为主梁用螺栓固定在托架上，并卡好保险绳,槽钢制作成圆弧状敷设在工字钢梁上并焊接牢固，槽钢上铺=12钢板.木板与槽钢上下采用螺栓固定。主梁下中间部位加4个立柱支撑点。钻机固定在加工好的钻架上，钻架与槽钢之间使用专用的U型卡进行固定,固定前，由技术人员根据钻孔布置图要求放线,钻机安装完毕后，检查钻机位置、角度、标高是否合乎设计要求。图3钻机平台加工图3.2.3 孔口管埋设埋设孔管在止浆垫养护完成后

16、进行。钻机按设计的方位、孔径、倾角、切向角调整好角度固定进行造孔，造孔深度大于孔口管长度05m,用压风吹净孔内岩粉，灌入提前准备好的水泥砂浆.紧接着下入孔口管，孔口管需露出止浆垫O3m调整孔口管的角度，并在孔口管周围用木楔将孔口管找正固定牢靠。孔口管由1086mm无缝钢管加工而成，长度9m,孔口管下部车成倒竹节状。安装完成后，及时装上闷盖，以防异物掉入管内。3.2.4 钻孔施工一般钻4孔，遇到特大异常，钻孔增至57孔，深度4080m,以探明前方地层地下水发育情况（水量、水压、水温、悬浮物等）。循环预报搭接长度以5m以上岩盘为宜.以此做安全储备及止浆岩盘。钻进过程中必须有技术人员全程跟班，根据钻进速度和钻孔岩粉情况及时记录、判定岩