基于施工中勘探钻孔的危害浅析

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　　摘要: 地质勘探钻孔是获取工程地质信息的最直观的形式,也是地下工程勘测阶段最主要的手段之一。特殊地形条件下的勘探钻孔却给地下工程的施工带来了不利影响,结合工作实际,就水中地质勘探钻孔给隧道施工带来的危害和处理方法进行了探讨。
　　关键词:隧道; 勘探; 钻孔
　　1地质勘探的必要性和意义
　　岩土工程勘察是岩土工程中的一个重要组成部分,是工程设计、施工的依据。鉴于地质勘探的重要作用,先勘察、后设计、再施工是工程建设必须遵守的程序,是国家一再强调的十分重要的基本政策。为此,《岩土工程勘察规范》( GB50021 - 2001 ) 1. 0. 3 条规定:“各项工程建设在设计和施工之前,必须按基本建设程序进行岩土工程勘察”[ 1 ] 。
　　工程的设计、施工必须以地质勘探钻探的成果为依据,同时地质勘探钻探成果的准确性也直接影响着工程设计的合理性、经济性和施工的安全性。对于一个工程来说,准确的地质勘探钻探成果是设计、施工成功的保证,如果地质勘探钻探成果不够准确、详实,就有可能造成工程设计与实际情况不符,可能造成施工设计不合理或施工措施不到位,给工程的顺利进行和工程结构安全带来隐患。
　　在城市地下工程施工中,地表环境复杂,隧道埋深较浅,为了确保施工安全和采取针对性措施对地表建筑物、地下构筑物等进行有效保护,必须对施工区域的地质情况有详细的了解和认识,为工程设计施工提供可靠的地质依据及合理、经济的设计参数。因此,在城市地下工程建设中,根据其自身特点,在施工前,对施工区域内进行全面的、详细的地质勘探钻探是非常必要的。
　　2地质勘探存在的主要问题及对隧道施工的潜在危害
　　2. 1地质勘探存在的主要问题
　　随着技术的进步和设备的日益先进,暗挖隧道(盾构或矿山法)穿江过海已成为一种趋势,而我国目前在地质勘探方面存在的主要问题有:
　　①现行的勘察规范已不能适应目前施工需要,如地质勘测钻孔位置布置、封孔质量要求等;
　　②现场勘察人员对位于水中钻孔的封堵问题认识不到位,未能对其进行有效封堵或封堵不到位;
　　③在钻孔实施过程中,可能受地表环境、地下水分布情况、工期筹划、某些施工过程不易控制,如钻孔位置偏差大、钻孔垂直度不高等各种因素影响或在钻孔(工可、初勘、详勘及其它钻探孔)完成后因线路调整等原因,地质钻孔可能临近或侵入隧道断面。
　　2. 2对隧道施工的潜在危害
　　由于目前地质勘测存在问题,从而可能对隧道施工或隧道结构安全造成以下影响:
　　(1)连通地下水形成水力通道
　　钻孔位于隧道施工区域内,在隧道施工时地质钻孔被揭露或地下水可能穿过隔水层沿岩层节理、裂隙涌入工作面,形成地下水力通道,增加施工难度或发生突水、涌泥事故。
　　(2)钻孔偏斜或受线路调线影响钻孔侵入隧道钻孔顶部位于施工区域外,但在钻孔过程中垂直度控制不好,造成钻孔偏斜,底部侵入施工区域,同时影响地层钻探深度的准确性;钻孔后的隧道位置调整也可能使钻孔临近或侵入隧道。
　　(3)隧道施工时的扰动
　　钻孔虽然位于隧道施工区域以外,但由于施工扰动造成钻孔处地层坍塌,从而引发透水、冒顶等事故。
　　(4)水土压力对隧道壁的影响
　　由于勘探钻孔造成水土压力对隧道壁产生挤压,造成隧道壁受力增大,使原设计的无压隧道变为有压隧道,从而对隧道的施工安全或永久结构安全造成隐患。
　　(5)封孔质量不到位的潜在危害: 隧道突水、喷涌、坍塌在水中勘探孔施钻完成后,应及时对钻孔进行有效封堵。如果不进行有效封孔或封孔质量不到位,有可能造成钻孔连通江(或湖、海)水形成水力通道,导致地表水下泄,对隧道可能造成突水、喷涌、坍塌、冒顶等事故,甚至发生灾难性后果。
　　3工程实例
　　某地铁工程采用盾构施工为主、钻爆施工为辅的工法, 其间需穿越宽约510m 的新造海(平均水深15m,最大水深17m) ,其中,盾构隧道分别采用德国海瑞克(右线) 、日本小松(左线)复合式土压平衡式盾构机施工。因海中地质复杂,在勘测设计及施工期间,分别进行了初勘(工可阶段在海中线路区域布孔1个) 、详勘和补勘工作。在勘察过程中,因封孔不到位、线路调整或钻孔偏斜过大等因素影响,造成钻孔侵入或临近隧道,在施工过程中造成了较大的影响:
　　3. 1右线盾构施工
　　在右线掘进过程中有4个地质探测孔对施工造成较大影响,分别为319环(对应钻孔为MDXC3 - XX -044) 、426环(对应钻孔为MDXC3 - XX - 039) 、534环(对应钻孔为MDXC3 - XX - 033) 、620环(对应钻孔为MDXC3 - XX - 030) ,最为典型的属于刚进海时在掘进320环时出现的塌孔事件。
　　320环掘进时的具体情况如下:在2004年9月7日20 时, 当海瑞克盾构机掘进319 环油缸行程为
　　600mm时,土压忽然增大(由起初1. 5Bar增加到3. 4Bar) ,根据江面出现气泡现象(见图1)及碴土内含有淤泥(性状较杂、有臭味、颜色为黑色、黄褐色、灰色)等,而该环隧道范围内地质主要为全风化混合岩〈6Z〉和强风化混合岩〈7Z〉,顶部主要为粘性残积土〈5Z〉和全风化混合岩〈6Z〉。现场技术人员判断刀盘顶部出现坍塌现象。
　　
　　
　　
　　经分析其原因是当盾构机刀盘到达地质钻孔附近时,由于地层软硬不均,隧道埋深较大,土仓压力保持偏高,而岸边海底有效覆土厚度较薄,从而造成穿孔现象,刀盘转动所产生的扰动造成钻孔内沉积物(主要为流质淤泥)部分流失而形成水力通道,上部压力水夹带钻孔内的其余沉积物继续流失而形成较大的股状压力水涌入土仓,进而使钻孔顶部及其周边土体的坍塌,在江底穿孔后出现大量江水、杂物涌进土仓和水面出现气泡等现象。
　　在掘进过程中出现穿孔现象后,该环及其后约三环的出碴量明显增大(比正常掘进一环出碴量60m3多30m3 ) ,掘进速度也由原来35mm /min降到5mm /min。同时盾尾到达此处时,直接影响同步注浆质量。由于上部水土压力大于土仓压力,从地质钻孔下泄的海水夹带同步注浆料沿着盾壳流至土仓内,并形成一条通道,导致同步注浆质量下降,进而造成盾尾内管片背后渗漏水现象。例如在右线盾构掘进第620环时,涌水穿透盾尾刷及密封油脂造成管片在脱出盾尾前出现背后渗漏水现象。
　　3. 2左线盾构施工
　　在左线掘进过程中有6个地质探测孔对施工造成较大影响,分别是368环(对应钻孔为MDXC3 - XX -041) 、413环(对应钻孔为MDXC3 - XX - 038A) 、443环(对应钻孔为MDXC3 - XX - 038) 、452环(对应钻孔为MDXC3 - XX - 038、ZK26) 、461 环(对应钻孔为ZK26、MDXC3 - XX - 036 ) 、479 环(对应钻孔为MDXC3 - XX - 036、ZK25) 。下面以掘进479 环时的情况为例来介绍一下盾构掘进通过勘探孔时的情况。
　　盾构通过勘探孔过程中,管理行程1 000mm 时地下水突然增大,土仓压力从0. 17MPa突然上升到0. 25MPa,渣土很稀,盾尾刷也有两股清水冒出来,推力很快从1 800吨上升到2 000吨,扭距减小,掘进速度减慢,由7mm /min变成了4mm /min,碴土中出现有臭味的淤泥、木头和塑料纸等,同时在江面出现气泡。

　　出渣时发生喷渣、漏渣现象,根本无法出渣土,给施工带来很大困难。为了快速扭转这种局面,在离盾尾后几环的469 环打开吊装盖用冲击钻钻开管片放水。煞时管片里一股清水倾泻而出,水压很大。把左右两边的管片吊装孔都打通放水(是在管片外侧岩层较好的前提下) ,有效的减少了管片后方来水流入土仓,相应地降低了土仓的压力,同时也关闭了泡沫系统,停止了土仓气体的加入。然后马上恢复掘进,渣土中的水量减少了,推力也逐步降了下来,速度相应也快了起来。
　　3. 3暗挖施工
　　由于左线地质较差,加之因受地质钻孔影响,为加快左线施工进度,对左线ZDK22 + 329～ZDK22 + 411. 5段硬岩段采用钻爆接应方案。其中ZDK22 + 353. 64～ZDK22 + 438. 64隧道上方为新造海。地层为中、微风化混合岩带,地下水丰富,地下水补给源主要是新造海。钻爆接应段隧道开挖断面为圆形,开挖直径7. 1m,初期支护形式为超前注浆小导管、钢格栅和网喷混凝土。
　　2005年5月6日0时43分,处在新造海底的29#地质勘探钻孔突然涌出大量泥水,流量达到200m3 /h,短短几分钟时间,整个隧道已经汪洋一片,水深达到1. 6m;江面钻孔出现大面积塌陷。险情发生后,现场迅速启动抢险应急方案,并采取上堵下排等有效措施,防止险情继续向左线蔓延,由于
　　此段江面处于入海口,加之当晚广州遭遇了少见的暴雨,给寻找漏水孔和堵漏工作造成了极大的困难。
　　由于抢险组织得力、措施到位,同时勘探孔离新造海岸边比较近,此孔部位隧道上方及隧道开挖范围内地层相对较好、此孔又位于海边(在江堤施工时此范围的泫底均进行了抛填片石等加固措施) ,整个处理过程正好处于退潮时间,水位逐步降低,经过8个小时的艰苦奋战,最终在早上8时完成了勘探孔的封堵工作,保证了整个隧道施工的安全。
　　事后分析:根据详勘资料的MDXC3 - XX - 029钻孔坐标推算,该探孔里程为: ZDK22 + 375. 447,横向在左线隧道中线左侧5. 5m位置。事故处理完成后,通过海底漏水坍陷中心部位和隧道内钻孔出露点进行了现场测设, 漏水孔在海底的位置为: 里程ZDK22 +374. 82,在左线隧道中线左侧4. 4m;在隧道内的出水口为一直径约100mm 的钻孔,其实际位置为: 里程ZDK22 + 375. 24,在左线隧道中线左侧3. 37m,且此孔下部孔内也全为流质淤泥。经确认,此透水孔即是MDXC3 - XX - 029 详勘钻孔,是造成此事故的直接元凶。
　　4体会和建议
　　(1)分阶段合理布孔
　　在线路未定形之前,即工可和初勘阶段,尽可能利用有关勘察资料的附近钻孔,若要提高勘探的准确性,设计需要增加钻孔,则建议钻孔尽量少布,并将钻孔尽可能地远离线路,待线路基本定形后,再在详勘、补勘时按照规范、设计要求或施工需要进行孔位、孔数的设计,同时在实际钻探过程中及时根据探测出的地质情况不断调整孔位,最终达到准确、详实的了解工程施工
　　区域的地质情况的目的。
　　(2)钻孔垂直度控制
　　垂直度控制是影响钻探成果的重要方面,在勘探孔定位时,要对其垂直度、坐标准确测设,确保套管的准确定位;并在施钻过程中严格控制钻杆的垂直度,保证钻孔垂直度满足规范、设计要求。
　　(3)封堵质量
　　钻孔完成后,为避免钻孔对施工产生负面影响,必须对钻孔进行有效的封堵。目前普遍的做法是采用水泥净浆进行封堵,因其在凝固过程中会发生收缩变形,其封堵效果受环境影响较大。建议建立水中地质钻孔封堵的强制性标准,在封堵钻孔时采用压力注浆工艺,必要时在孔内预埋袖阀管,封孔后再利用袖阀管进行压浆,保证封堵后的钻孔内浆液充填密实。
　　(4)慎重调线
　　由于隧道施工前后,有工可、初勘、详勘甚至补勘过程,还有历史上的其它钻孔的存在,在水下隧道段的线路选择时,除要保证钻孔与隧道断面有足够的安全距离外,并预留够充足的勘察时间,在水下隧道段的线路基本定型后,再对陆地上的线路进行必要的调整,这是暗挖下穿江河线路选择时必须慎重考虑的问题。
　　
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