CN110630325B - 利用水平定向钻进行长距离隧道的泄水方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用水平定向钻进行长距离隧道的泄水方法，第一步，在靠近平导出口段掌子面设置第一挡水墙，第一挡水墙的下部未封底形成出水口，对围岩进行锚杆加固，设置第二挡水墙和第三挡水墙；在第一挡水墙与第二挡水墙之间的隧道段的左右两侧、在横洞的左右两侧设置排水沟，在横洞的出口修建与自然河沟连接的排水渠；第二步，进行现场勘测、场地布置、导向线设计及测量放线；第三步，钻机就位及钻机试钻；第四步，钻机钻孔；第五步，快速进行现场清理及恢复。专用于隧道尚未贯通，待开挖段长度达到800米以上，日涌水量大，出口下方为居民区或厂区等不适合排水的特殊隧道快速泄水。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工方法技术领域，具体涉及一种利用水平定向钻进行长距离隧道的泄水方法。
背景技术
水平定向钻机起始于20世纪70年代末期，随着技术与装备的不断改进和完善，正朝着大型化、微型化、硬岩作业、机械自动化(含自备式锚固系统、钻杆自动堆放与提取、钻杆连接自动润滑、防触电系统等自动化作业功能)、超深度导向监控等趋势发展。目前定向钻主要用于管道工程铺设中，采用定向钻穿越包括高速公路、高速铁路、大型河流、水库、池塘、沼泽地等障碍物，具有施工工期短、对地表的破坏小、对环境的污染小等几个特点。
但是，水平定向钻目前在长距离、大口径的隧道施工中进行穿越尚未有应用，不管从设备吨位选择、施工人员技术水平、施工技术难度控制、施工措施等方面缺乏经验，但随着国内长大隧道数量的越来越多，面临突涌水事故需要钻孔排水，复杂地质情况难以排查的情况也是越来越多，采用定向钻在隧道中钻孔排水同时探明前方地质情况，尤其是在长隧道中穿越的施工工艺的研究迫在眉睫。
如图1所示的某某隧道，在平导2的已开挖段边墙处出现涌水，本次突涌水国内罕见，隧道涌水量最低6965m3/h、最高11631m3/h，平均9298m3/h,日涌水量169641m3/d～279144m3/d，开累涌水总量达1153万m3(含隧道内存水量)。然而隧道尚未开挖完成，斜井与出口段平导间剩余952m尚未贯通。待开挖段贯穿断层破碎带4，正洞1比平导2高，且正洞1和平导2沿着A向带有下降坡度，隧道已开挖段的洞内水已淹至斜井5井口，无法利用斜井5处的固定泵站进行抽排水。另外，该长距离隧道的出口下方为居民区。本次突涌水国内罕见，对工程安全和工期影响大，如何在短时间内进行快速泄水，做好主体工程的抢险工作迫在眉睫。
发明内容
本发明旨在提供一种利用水平定向钻进行长距离隧道泄水的方法，专用于隧道尚未贯通，待开挖段长度达到800米以上，日涌水量大，洞内积水已淹至斜井井口，泵站无法进行抽排水，待开挖段贯穿断层破碎带，且出口下方为居民区或厂区等不适合排水的特殊隧道。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种利用水平定向钻进行长距离隧道的泄水方法，所述长距离隧道内设置有正洞和平导，正洞及平导均包含已开挖段、待开挖段和出口段；所述正洞与平导之间通过若干沿隧道长度方向间隔设置的横通道连通，所述平导的待开挖段长度达到800米以上，且待开挖段贯穿断层破碎带，所述正洞比平导高，正洞和平导沿着A向带有下降坡度，在隧道出口段设置有经正洞贯穿至平导的横洞，隧道已开挖段的洞内水已淹至斜井井口，包括以下步骤：
第一步，在靠近平导出口段掌子面的位置处设置第一挡水墙，且第一挡水墙的下部未封底形成出水口，对平导出口段掌子面及第一挡水墙之间的围岩进行锚杆加固，在平导内的横洞靠近出口的一侧设置第二挡水墙，在正洞内的横洞靠近出口的一侧设置第三挡水墙；在第一挡水墙与第二挡水墙之间的隧道段的左右两侧、在第二挡水墙与第三挡水墙之间的横洞的左右两侧设置排水沟，在横洞的出口修建与自然河沟连接的排水渠；
第二步，进行现场勘测、场地布置、导向线设计及测量放线；
在水平定向钻机进场前进行现场勘测、场地布置、导向线设计及测量放线，为后续水平定向钻机施工做准备；其中，场地布置时，在第一挡水墙与第二挡水墙之间的隧道内划分出钻机作业区、钻杆存放区、泵站、泥浆回收区、射流泵、膨润土堆放区六部分；
第三步，钻机就位及钻机试钻；
水平定向钻机经横洞进入平导出口段，并就位在靠近第一挡水墙位置处，钻机左右居中设置，钻机导轨与水平面的夹角比设计的入土角度大0.1—0.5°，钻机安装牢固、平稳，经检验合格后，进行系统连接；
钻机施工前，检查水平定向钻机的导向系统包括接收器、发射器、远程同步监视器的电源是否完好；检查接收器和远程同步监视器信道是否匹配，并测试施工区域干扰信号，确定合适的发射和接收频率；
开钻前做好钻机的安装和调试准备工作，试钻1～2根钻杆后，确定系统运转正常；
第四步，钻机钻孔；
正式钻孔前，在钻杆前安装无磁钻挺、无磁方向短节、无磁造斜短节、定位调整片，然后接好钻头；
开钻前先清洗泥浆过滤网，用泥浆冲洗钻头及其水嘴，并对钻头进行试运转，时间不少于15min，确定机具各部位运转正常且钻头喷嘴有泥浆流动后开始钻进；
钻孔过程中，通过钻头尾部安设的有线地磁棒传输数据至配有数据盒的专用电脑内，操作人员与电脑内钻孔前输入的设计坐标进行对比，出现偏差时及时进行调整；
第五步，快速进行现场清理及恢复；
在钻孔施工完成后，水平定向钻机经横洞离开隧道，并及时将现场剩余泥浆、添加剂及其他材料进行清理，确保现场排水无污染。
作为上述方案的优选，在第二步中，无论待穿越平导是曲线段还是直线段，均以直线钻孔方式进行导向线设计，均需在水平定向钻机就位前完成钻孔导向线设计；通过平导出口段掌子面坐标和平导大里程掌子面坐标确定钻孔方向，并复核入土点、出土点坐标和两点间的水平距离，根据坐标放出中心轴线，确定水平定向钻机摆放位置，确保钻机中心线与入土点、出土点成一条直线，同时设置地面信标控制桩，测出各地面信标控制桩的相对坐标，并做好记录。
进一步优选为，在第三步中，按操作规程标定控向参数，为保证数据准确，在穿越轴线的不同位置测取，且每个位置至少测四次，进行对比，并做好记录，取其有效值的平均值作为控向值。
进一步优选为，在第四步中，遇泥浆压力异常，及时分析钻进情况，必要时抽回几根钻杆，调整钻进方向；钻进过程中，电工随时检查和摆顺控向线，不得有绞结和破损处，以防止信号传递失灵；在定向钻进过程中严格控制角度变化，缩短测量间隔长度，遇到地层软硬变化时，参数测量间距不得超过2米，在调整方位和倾角时，要留有余量，避免因调整过度而反复调整角度，以防止出现“S”型轨迹。
进一步优选为，沿着隧道的高度方向从上到下至少钻有两个泄水孔，采用先上后下的钻孔方式，积水经先钻孔泄掉部分之后，后钻孔的水压显著降低，更利于后钻孔的施工。
本发明的有益效果：
(1)将主要用于管道工程铺设的水平定向钻用于隧道钻孔泄水，相比普通水平钻机仅钻100多米的深度，水平定向钻机钻孔深度能达到1000米，且钻孔直径大，能快速进行钻孔泄水，及时解决淹洞问题，避免因突发涌水造成工程延期及安全隐患；
(2)在利用水平定向钻钻孔时，结合深埋富水破碎带长隧道的特殊情况，进行现场施工时的改进，利用横洞进入，从平导出口段钻长孔进行快速泄水；
(3)由于已开挖段的洞内水已淹至斜井井口，在靠近平导出口段掌子面的位置处设置第一挡水墙，且第一挡水墙的下部未封底形成出水口，对平导出口段掌子面及第一挡水墙之间的围岩进行锚杆加固的综合措施，确保经钻孔出来的水压不会造成掌子面坍塌，经钻孔出来的大冲击力的水在第一挡水墙的作用下，瞬间释放了动能，沿第一挡水墙下部的出水口流出，不会对工作中的钻机造成影响，不会影响下一钻孔的施工；
(4)增设第二、第三挡水墙，在第一挡水墙与第二挡水墙之间的隧道段的左右两侧、在第二挡水墙与第三挡水墙之间的横洞的左右两侧设置排水沟，在横洞的出口修建与自然河沟连接的排水渠，使水流只能经横洞的排水沟最后再经排水渠排到自然河沟，不会从隧道的出口端流出，摒弃了传统的从出口端泄水的方式，巧妙利用横洞进行排水，不会对出口端的居民生活和工厂运行等造成干扰。；
(5)采用从出口段利用水平定向钻进行反向钻孔，从而对已施工段积水进行快速泄水的方式，相比传统的开挖泄水的方式，工期短、成本低、安全可靠。
附图说明
图1为水平定向钻施工工艺流程图。
图2为深埋富水破碎带长隧道的泄水结构示意图。
图3为水平定向钻机钻孔泄水示意图。
图4为水平定向钻机在隧道内的场地布置示意。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
如图2所示，长距离隧道内设置有正洞1和平导2，正洞1及平导2均包含已开挖段、待开挖段和出口段。正洞1与平导2之间通过若干沿隧道长度方向间隔设置的横通道3连通，平导2的待开挖段长度为952米，待开挖段贯穿断层破碎带4，破碎带长度为250米。正洞1比平导2高，正洞1和平导2沿着A向带有1.1％的下降坡度(如图中箭头所示)。在隧道出口段设置有经正洞1贯穿至平导2的横洞9，隧道已开挖段的洞内水已淹至斜井5井口，洞内积水很深，且日涌水量达到上万立方米，斜井的井口的泵站5a已无法进行正常的抽排水。隧道出口段的下方为居民区，或者厂区等，无法进行排水。
针对上述及类似的特殊长隧道积水情况，本发明采用的一种利用水平定向钻进行长距离隧道的泄水方法，
第一步，在靠近平导2出口段掌子面的位置处设置第一挡水墙6，且第一挡水墙6的下部未封底形成出水口，对平导2出口段掌子面及第一挡水墙6之间的围岩进行锚杆加固。在平导2内的横洞9靠近出口的一侧设置第二挡水墙7，在正洞1内的横洞9靠近出口的一侧设置第三挡水墙8；在第一挡水墙6与第二挡水墙7之间的隧道段的左右两侧、在第二挡水墙7与第三挡水墙8之间的横洞的左右两侧设置排水沟，在横洞9的出口修建与自然河沟连接的排水渠，使经钻孔出来的水，先经第一挡水墙6下方的出水口流出，再经隧道左右两侧的排水沟、横洞左右两侧的排水沟、排水渠流入自然河沟。在钻孔前，先进行排水路线的规划，锚杆加固及挡水墙的布置。
第二步，进行现场勘测、场地布置、导向线设计及测量放线；
水平定向钻施工工艺流程图如图1所示。在水平定向钻机进场前进行现场勘测、场地布置、导向线设计及测量放线，为后续水平定向钻机施工做准备；其中，场地布置时，结合图2、图4所示，在第一挡水墙6与第二挡水墙7之间的隧道内划分出钻机作业区、钻杆存放区、泵站、泥浆回收区、射流泵、膨润土堆放区六部分。
在第二步中，如图3所示，无论待穿越平导是曲线段还是直线段，最好是，均以直线钻孔方式进行导向线设计，均需在水平定向钻机就位前完成钻孔导向线设计。
通过平导出口段掌子面坐标和平导大里程掌子面坐标确定钻孔方向，并复核入土点、出土点坐标和两点间的水平距离，根据坐标放出中心轴线，确定水平定向钻机摆放位置，确保钻机中心线与入土点、出土点成一条直线，同时设置地面信标控制桩，测出各地面信标控制桩的相对坐标，并做好记录。
第三步，钻机就位及钻机试钻；
水平定向钻机经横洞9进入平导2出口段，并就位在靠近第一挡水墙6位置处，钻机左右居中设置。钻机导轨与水平面的夹角比设计的入土角度大0.1—0.5°，钻机安装牢固、平稳，经检验合格后，进行系统连接。
钻机施工前，检查水平定向钻机的导向系统包括接收器、发射器、远程同步监视器的电源是否完好；检查接收器和远程同步监视器信道是否匹配，并测试施工区域干扰信号，确定合适的发射和接收频率。
开钻前做好钻机的安装和调试准备工作，试钻1～2根钻杆后，确定系统运转正常。
在第三步中，按操作规程标定控向参数，为保证数据准确，最好是，在穿越轴线的不同位置测取，且每个位置至少测四次，进行对比，并做好记录，取其有效值的平均值作为控向值。
第四步，钻机钻孔；
正式钻孔前，在钻杆前安装无磁钻挺、无磁方向短节、无磁造斜短节、定位调整片，然后接好钻头。
开钻前先清洗泥浆过滤网，用泥浆冲洗钻头及其水嘴，并对钻头进行试运转，时间不少于15min，确定机具各部位运转正常且钻头喷嘴有泥浆流动后开始钻进。
钻孔过程中，通过钻头尾部安设的有线地磁棒传输数据至配有数据盒的专用电脑内，操作人员与电脑内钻孔前输入的设计坐标进行对比，出现偏差时及时进行调整。
在第四步中，遇泥浆压力异常，及时分析钻进情况，必要时抽回几根钻杆，调整钻进方向；
钻进过程中，电工随时检查和摆顺控向线，不得有绞结和破损处，以防止信号传递失灵；
在定向钻进过程中严格控制角度变化，缩短测量间隔长度，遇到地层软硬变化时，参数测量间距不得超过2米，在调整方位和倾角时，要留有余量，避免因调整过度而反复调整角度，以防止出现“S”型轨迹。
最好是，沿着隧道的高度方向从上到下至少钻有两个泄水孔。
第五步，快速进行现场清理及恢复；
在钻孔施工完成后，水平定向钻机经横洞9离开隧道，并及时将现场剩余泥浆、添加剂及其他材料进行清理，确保现场排水无污染。
Claims (5)
1.一种利用水平定向钻进行长距离隧道的泄水方法，所述长距离隧道内设置有正洞(1)和平导(2)，正洞(1)及平导(2)均包含已开挖段、待开挖段和出口段；所述正洞(1)与平导(2)之间通过若干沿隧道长度方向间隔设置的横通道(3)连通，所述平导(2)的待开挖段长度达到800米以上，且待开挖段贯穿断层破碎带(4)，所述正洞(1)比平导(2)高，正洞(1)和平导(2)沿着开挖方向带有下降坡度，在隧道出口段设置有经正洞(1)贯穿至平导(2)的横洞(9)，隧道已开挖段的洞内水已淹至斜井(5)井口，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在靠近平导(2)出口段掌子面的位置处设置第一挡水墙(6)，且第一挡水墙(6)的下部未封底形成出水口，对平导(2)出口段掌子面及第一挡水墙(6)之间的围岩进行锚杆加固，在平导(2)内的横洞(9)靠近出口的一侧设置第二挡水墙(7)，在正洞(1)内的横洞(9)靠近出口的一侧设置第三挡水墙(8)；在第一挡水墙(6)与第二挡水墙(7)之间的隧道段的左右两侧、在第二挡水墙(7)与第三挡水墙(8)之间的横洞的左右两侧设置排水沟，在横洞(9)的出口修建与自然河沟连接的排水渠；
第二步，进行现场勘测、场地布置、导向线设计及测量放线；
在水平定向钻机进场前进行现场勘测、场地布置、导向线设计及测量放线，为后续水平定向钻机施工做准备；其中，场地布置时，在第一挡水墙(6)与第二挡水墙(7)之间的隧道内划分出钻机作业区、钻杆存放区、泵站、泥浆回收区、射流泵、膨润土堆放区六部分；
第三步，钻机就位及钻机试钻；
水平定向钻机经横洞(9)进入平导(2)出口段，并就位在靠近第一挡水墙(6)位置处，钻机左右居中设置，钻机导轨与水平面的夹角比设计的入土角度大0.1—0.5°，钻机安装牢固、平稳，经检验合格后，进行系统连接；
钻机施工前，检查水平定向钻机的导向系统包括接收器、发射器、远程同步监视器的电源是否完好；检查接收器和远程同步监视器信道是否匹配，并测试施工区域干扰信号，确定合适的发射和接收频率；
开钻前做好钻机的安装和调试准备工作，试钻1～2根钻杆后，确定系统运转正常；
第四步，钻机钻孔；
正式钻孔前，在钻杆前安装无磁钻挺、无磁方向短节、无磁造斜短节、定位调整片，然后接好钻头；
开钻前先清洗泥浆过滤网，用泥浆冲洗钻头及其水嘴，并对钻头进行试运转，时间不少于15min，确定机具各部位运转正常且钻头喷嘴有泥浆流动后开始钻进；
钻孔过程中，通过钻头尾部安设的有线地磁棒传输数据至配有数据盒的专用电脑内，操作人员与电脑内钻孔前输入的设计坐标进行对比，出现偏差时及时进行调整；
第五步，快速进行现场清理及恢复；
在钻孔施工完成后，水平定向钻机经横洞(9)离开隧道，并及时将现场剩余泥浆、添加剂及其他材料进行清理，确保现场排水无污染。
2.按照权利要求1所述的利用水平定向钻进行长距离隧道的泄水方法，其特征在于：在第二步中，无论待穿越平导是曲线段还是直线段，均以直线钻孔方式进行导向线设计，均需在水平定向钻机就位前完成钻孔导向线设计；
通过平导出口段掌子面坐标和平导大里程掌子面坐标确定钻孔方向，并复核入土点、出土点坐标和两点间的水平距离，根据坐标放出中心轴线，确定水平定向钻机摆放位置，确保钻机中心线与入土点、出土点成一条直线，同时设置地面信标控制桩，测出各地面信标控制桩的相对坐标，并做好记录。
3.按照权利要求1所述的利用水平定向钻进行长距离隧道的泄水方法，其特征在于：在第三步中，按操作规程标定控向参数，为保证数据准确，在穿越轴线的不同位置测取，且每个位置至少测四次，进行对比，并做好记录，取其有效值的平均值作为控向值。
4.按照权利要求1所述的利用水平定向钻进行长距离隧道的泄水方法，其特征在于：在第四步中，遇泥浆压力异常，及时分析钻进情况，抽回几根钻杆，调整钻进方向；
钻进过程中，电工随时检查和摆顺控向线，不得有绞结和破损处，以防止信号传递失灵；
在定向钻进过程中严格控制角度变化，缩短测量间隔长度，遇到地层软硬变化时，参数测量间距不得超过2米，在调整方位和倾角时，要留有余量，避免因调整过度而反复调整角度，以防止出现“S”型轨迹。
5.按照权利要求1所述的利用水平定向钻进行长距离隧道的泄水方法，其特征在于：沿着隧道的高度方向从上到下至少钻有两个泄水孔。
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