一种隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法

摘要

本发明涉及隧道超前支护措施施工技术领域，具体涉及一种隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法，包括如下步骤：(1)在隧道内开设管棚孔，所述管棚孔包括探测孔和加固孔，所述探测孔和加固孔按照既定的排列方式布置于隧道拱部；(2)所述探测孔及加固孔均在隧道拱部沿隧道开挖方向钻孔，在探测孔钻探过程中，记录钻孔的钻速及绘制钻孔信息展布图，与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方法针对隧道前方有大型无水充填溶洞的地质特征与技术现状，明确了超前大管棚首先需定位溶洞、然后再加固溶洞的功能定位，将管棚孔分为两种类型，即探测孔与加固孔。

权利要求

1.一种隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在隧道内开设管棚孔，所述管棚孔包括探测孔和加固孔，所述探测孔和加固孔按照既定的排列方式布置于隧道拱部；

(2)所述探测孔及加固孔均在隧道拱部沿隧道开挖方向钻孔，在探测孔钻探过程中，记录钻孔的钻速及绘制钻孔信息展布图；

(3)由探测孔钻孔的钻速及钻孔信息展布图确定应加固区的范围及位置；

(4)由加固区的位置及范围确定加固孔的长度、孔径、环向间距及外插角的设计参数；

(5)加固区内的加固孔或探测孔安装管棚并注浆；

(6)掌子面开挖；

所述步骤(1)中的排列方式为：

1)将隧道的拱部θ°范围区域按照θ/Nj°间隔布置Nj+1个探测孔，Nj为偶数；

2)确定探测孔位置后，以每个探测孔两侧0.5倍的探测孔环向间距d进行分区，将拱部范围分为G1、G2……GNj+1共Nj+1个分区；

3)在需要加固的分区，加固孔设置于探测孔的一侧或两侧；

所述步骤(3)中，连续纵向长度L≥Lr钻速异常或N≥Ny相邻探测孔钻速异常并且异常范围相交时，达到加固标准，进行特定加固孔的设计和施工，其中，Lr的取值范围为3～5m，Ny的取值范围为2～4个。

2.根据权利要求1所述的一种隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法，其特征在于：所述步骤(2)中探测孔尾部与隧道开挖轮廓之间的垂直距离小于Hr米，Hr取值范围为4～5m。

3.根据权利要求1所述的一种隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法，其特征在于：所述步骤(4)中，加固孔长度L2应穿过钻速异常区并保证入岩深度至少Lq米，Lq取值范围为

2.5～4m。

4.根据权利要求2所述的一种隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法，其特征在于：所述探测孔外插角a1应结合探测孔长度L1设计，以保证探测孔能发现隧道开挖轮廓外高度大于Hr米的溶洞。

5.根据权利要求1所述的一种隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法，其特征在于：所述探测孔的设计孔径小于加固孔的设计孔径。

说明书

一种隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道超前支护措施施工技术领域，具体涉及一种隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法。

背景技术

[0002] 岩溶发育地层隧道揭露大型无水充填溶洞极易发生洞内坍塌、充填物突涌、地表塌陷等地质灾害，给生命财产造成极大的损失。目前，针对此种地质灾害，隧道施工的常用
手段是利用长距离与短距离综合物探方法的超前地质预报结果作为处治依据，采用超前大
管棚措施进行超前处治。但实际工程应用时，超前地质预报结果不能准确提供溶洞类型、规
模及空间位置等重要信息，超前大管棚难以确定施作里程和区域，只能尽早的在隧道拱部
范围大面积施作大管棚，大幅减慢了施工速度并增加了工程成本。

[0003] 由于没有更为可靠的办法，目前施工单位在施工时仅当掌子面揭露溶洞且结合超前地质预报结果判断溶洞规模较大、充填物稳定性差，才进行超前大管棚施作，该种做法不
能保证足够的防突岩盘厚度，常导致隧道施工过程中掌子面揭露或未揭露的大型无水溶洞
发生大规模塌方或充填物突涌灾害，处治大型无水充填溶洞效果甚微。

[0004] 现有的钻探法探测超前地质是利用钻机在隧道掌子面向四个方向放射状的钻4～6个孔，适用于富水岩溶隧道，主要用于探测前方地层的水体赋存情况，获取的信息主要是
地下水的水压与水量，不能获得前方溶洞的规模及具体位置等参数，例如专利号为
201710046172.6，专利名称为“隧道岩溶水探测处治方法”的专利所公开的钻探法，是一种
解决现有隧道岩溶水容易阻碍施工和造成人员伤亡的施工方法，并不适用于探测处治大型
的无水充填溶洞或填充物质为淤泥等粘稠物溶洞。

[0005] 因此，开发一种新隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法，不但具有迫切的研究价值，也具有良好的经济效益和工业应用潜力，这正是本发明得以完成的动力所在和基
础。

发明内容

[0006] 为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。

[0007] 具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法，利用超前大管棚措施准确确定隧道前方需要加固的区域，合理控制超前加
固的工程量与施工速度，提高超前大管棚措施的经济性，并且利用超前大管棚的棚护作用
增强前方大型无水充填溶洞的稳定性，预防大型无水充填溶洞充填物失稳引发洞内掩埋、
洞外塌陷灾害。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0009] 一种隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法，包括如下步骤：

[0010] (1)在隧道内开设管棚孔，所述管棚孔包括探测孔和加固孔，所述探测孔和加固孔按照既定的排列方式布置于隧道拱部；

[0011] (2)所述探测孔及加固孔均在隧道拱部沿隧道开挖方向钻孔，在探测孔钻探过程中，记录钻孔的钻速及绘制钻孔信息展布图；

[0012] (3)由探测孔钻孔的钻速及钻孔信息展布图确定应加固区的范围及位置；

[0013] (4)由加固区的位置及范围确定加固孔的深度、孔径、环向间距及外插角的设计参数；

[0014] (5)加固区内的加固孔或探测孔安装管棚并注浆；

[0015] (6)掌子面开挖。

[0016] 在本发明中，作为一种改进，所述步骤(1)中的排列方式为：

[0017] 1)将隧道的拱部θ°范围区域按照θ/Nj°间隔布置Nj+1(Nj为偶数)个探测孔；

[0018] 2)确定探测孔位置后，以每个探测孔两侧0.5倍的探测孔环向间距d进行分区，将拱部范围分为G1、G2……GNj+1共Nj+1个分区。

[0019] 3)在需要加固的分区，加固孔设置于探测孔的一侧或两侧。

[0020] 在本发明中，作为一种改进，所述步骤(3)中，连续纵向长度L≥Lr钻速异常或N≥Ny相邻探测孔钻速异常并且异常范围相交时，达到加固标准，进行特定加固孔的设计和施工。

[0021] 在本发明中，作为一种改进，所述步骤(2)中探测孔尾部与隧道开挖轮廓之间的垂直距离小于Hr米。

[0022] 在本发明中，作为一种改进，所述步骤(4)中，加固孔长度L2应穿过钻速异常区并保证入岩深度至少Lq米。

[0023] 在本发明中，作为一种改进，所述探测孔外插角a1应结合探测孔长度L1设计，以保证探测孔能发现隧道开挖轮廓外高度大于Hr米的溶洞。

[0024] 在本发明中，作为一种改进，所述探测孔的设计孔径小于加固孔的设计孔径。

[0025] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0026] (1)以往的隧道超前大管棚支护施工方法通过在拱部范围(如120°范围)内均匀布置一定间距的钢管对隧道前方岩体起到预支护作用，管棚孔施工流程为沿拱部一侧至另一
侧逐个成孔并安装管棚后注浆，不需依据钻孔过程中获得的前方地质信息进行方案设计与
施工。本方法针对隧道前方有大型无水充填溶洞的地质特征与技术现状，改进了超前大管
棚的设计方法，明确了超前大管棚首先需探测溶洞、然后再加固溶洞的功能定位，将管棚孔
分为两种类型，即探测孔与加固孔。本方法中的探测孔及加固孔均设置于特定的钻孔位置，
形成探测结构，能具体探测溶洞的位置及大小，施工时首先开凿探测孔定位溶洞位置与规
模，然后根据全部的探测孔钻孔情况再确定加固孔的设计方案并施工，较以往的超前大管
棚施工方法针对性更强。

[0027] (2)本发明可提高溶洞的探测准确度，保证足够的防突岩盘厚度，降低加固工程量，解决了当前采用超前大管棚处治大型溶洞存在的加固时机不当(揭露时施作)及加固工
程量过大(拱部全部施作)的问题，可极大降低大型溶洞坍塌、突涌等地质灾害的发生率。

[0028] (3)本申请中探测孔与现有岩溶发育地层隧道采用的超前地质钻孔的主要区别是：该探测孔本质是超前大管棚孔，针对的地质是隧道前方有大型无水充填溶洞地质，目的
是防止前方溶洞内充填物突出，并且该种灾害主要由拱部的溶洞引起，因此才采用超前大
管棚措施处理，在探测孔钻孔成孔后如判别需加固，该探测孔将布设钢管并注浆，起到棚护
加固作用；现有钻探法主要在富水岩溶地层使用，是独立的施工工序，在掌子面布设，探测
前方是否有大的含水体，然后通过超前全断面注浆等措施封堵水体的涌出通道，两者适用
的地质条件和用于预防的地质灾害均不同。

附图说明

[0029] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件
或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

[0030] 图1为隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法流程图；

[0031] 图2为隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法实施示例图；

[0032] 图3探测钻孔钻速记录表；

[0033] 图4为探测钻孔信息展布图绘制实例；

具体实施方式

[0034] 下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范
围。

[0035] 实施例一，如图1所示，一种隧道超前大管棚探测及处治溶洞施工方法，包括如下步骤：

[0036] (1)结合地质探测结果，在隧道掌子面上钻设管棚孔，所钻设的管棚孔包括前期钻设的探测孔及后期钻设的加固孔，所述探测孔钻设后用于探测，所述加固孔设置于探测孔
两侧，用于加固，所述探测孔和加固孔按照既定的排列方式布置于隧道拱部。

[0037] (2)所述探测孔及加固孔均沿隧道的开挖方向向前方钻设，在探测孔的钻探过程中，记录钻孔的钻速及绘制钻孔信息展布图；

[0038] (3)由探测孔钻孔的钻速及钻孔信息展布图确定应加固区的范围及位置。

[0039] (4)由加固区的位置及范围确定加固孔的深度、孔径、环向间距及外插角a2的设计参数；

[0040] (5)加固区内的加固孔或探测孔安装管棚并注浆；

[0041] (6)掌子面开挖。

[0042] 其中，在探测孔及加固孔钻探过程中，需要设计探测孔及加固孔的孔位、孔径、深度及外插角等参数，所述孔径的尺寸为既定的管棚孔孔径尺寸，外插角则是管棚孔与隧道
轴线之间的夹角。

[0043] 所述步骤(1)中的既定排列方式为：

[0044] 1)将隧道的拱部θ°范围区域按照θ/Nj°间隔布置Nj+1(Nj为偶数)个探测孔，探测孔设置范围为5‑9个；

[0045] 2)确定探测孔位置后，以每个探测孔两侧0.5倍的探测孔环向间距d进行分区，将拱部范围分为G1、G2……GNj+1共Nj+1个分区。

[0046] 3)步骤(3)中所记录的钻速仅为区分溶洞和岩体，钻头在溶洞和岩体中钻进钻速明显不同，溶洞中有充填物和没有充填物钻速也明显不同，可以较为容易的区别开，并认为
出现钻速异常，其中，根据钻速的异常区域确定加固区的具体范围及大小；

[0047] 分区达到加固标准的测定方法为：探测孔连续纵向长度L≥Lr钻速异常或N≥Ny相邻探测孔钻速异常并且异常范围相交，并进行加固孔的设计和施工，其中，Lr的取值范围为
3～5m，Ny的取值范围为2～4个。

[0048] 如图2所示，为对应溶洞范围内的探测孔，加固孔设置于探测孔的一侧或两侧，所述探测孔的设计孔径小于加固孔的设计孔径，以加快探测孔的成孔速度。

[0049] 探测孔外插角a1设计值应结合探测孔长度L1，并保证探测孔尾部与隧道开挖轮廓之间的垂直距离不超过Hr(m)高度，以保证探测孔能发现隧道开挖轮廓外高度大于Hr(m)的
溶洞，Hr取值范围为4～5m。

[0050] 加固孔外插角a2的设计方式与探测孔的外插角a1设计方式相同，且加固孔外插角a2取3～7°，以尽量减少管棚下方的围岩高度。

[0051] 加固孔长度L2应穿过钻速异常区并保证入岩深度至少Lq(m)，Lq取值范围为2.5～4m；加固孔的环向间距b2根据钻速异常区的规模取值范围为30～60cm，加固孔的孔径根据
插装钢管的外径设计，钢管外径参照现有管棚设计参数。

[0052] 实施例二，为三车道三心圆隧道，隧道外轮廓跨度约17.0m，技术方案实施步骤包括：

[0053] 1、将拱部120°范围按照20°间隔布置7个探测孔，探测孔孔径80mm，探测孔环向间距约3.2m，相邻探测孔可发现环向宽度大于3.2m的溶洞。以每个探测孔两侧1.6m进行分区，
将拱部θ°范围分为G1、G2……G7共7个分区。

[0054] 2、探测孔长度30m，外插角a1为10～12°，保证尾端可探测到高度大于5m的溶洞。

[0055] 3、采用附图3中的表格，记录每个探测孔钻孔过程中的钻速，并根据记录结果采用附图4中的探测钻孔信息展布图绘制钻速异常区的范围。

[0056] 4、将探测钻孔信息展布图绘出的钻速异常区与加固标准(钻速异常区连续纵向长度≥3m或≥3个探测孔的钻速异常并且异常范围相交)进行比较，确定需要加固的分区。

[0057] 5、对需要加固的分区进行加固孔设计：加固孔孔径100mm，加固孔外插角a2为3～7°，加固孔长度L2取穿过钻速异常区并入岩深度3m，加固孔环向间距b2取40cm。

[0058] 6、按照加固孔设计值进行施工，完成管棚成孔、安装与注浆工作。

[0059] 图4为探测钻孔信息展布图实例，该图展示G1、G2、G3、G6分区的探测孔出现了钻速异常，其中G1分区探测孔在14～16m、G3分区探测孔在15～17m、G2分区探测孔在20～22m、G6
分区探测孔在9～14m范围钻速出现异常；G1、G3和G6分区满足加固标准，G2分区不满足加固
标准；加固孔管棚长度取穿过钻速异常区并入岩深度3m，G1、G3、G6加固区管棚长分别为
19m、20m和17m。

[0060] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进
行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。