基于水平钻探技术对隧道围岩级别进行精细划分的方法与流程

本发明提供一种基于水平钻探技术对隧道围岩级别进行精细划分的方法，属于隧道勘察。

背景技术：

1、在隧道勘察中，目前的隧道勘察手段多以沿轴线布置垂直钻孔为主。在地形复杂的高陡山区，由于隧道工程多深埋于地下，其地质条件复杂多变，传统的勘察手段勘察精度较低，主要包括两个方面的原因：一方面传统的勘察手段往往受地形限制，钻探设备搬运困难，可能造成部分勘察钻孔无法实施；另一方面，考虑工期和成本，垂直钻孔的布孔间距一般较大，往往无法满足精细化地质勘察的需求，导致围岩工程地质条件、地下水发育情况以及不良地质发育情况不清，设计与实际地质情况差异较大，引起后期大量的变更，造成投资增加，工期延长，甚至付出生命的代价。

2、在复杂山区的隧道勘察中，特别是在长度较短、要求揭露地质信息全面、工期短且经费有限的隧道勘察中，采用水平钻探技术能实现对隧道沿程围岩的精准勘察，工期和成本合理，应用前景广阔。水平钻探作为代替传统垂直钻探拥有诸多优势，主要包括：1、适应能力更强。采用垂直钻孔勘察方法，需要在山坡、山顶、水上布置钻孔，钻机安装搬迁困难。而采用水平定向钻进，则可以避开这些不宜布孔的位置，选择山脚下或者岸上布设水平钻孔，即可对工程全线按设计轴线进行精准勘察。2、钻孔工作量少，勘察速度快。高山峡谷地区隧道工程，隧道埋深大，如果采用传统的垂直孔勘察方法，需要施工大量大深度钻孔，存在大量无用的钻探工作量、勘察速度慢，而采用水平定向钻孔进行勘察，仅需要1～2个长距离水平钻孔即可了解清楚整个隧道线路的地质情况，提高勘察效率，节省勘察成本和工期。3、勘察精度高。对于水平线状建筑工程，水平定向钻进可以沿着工程建设的轴线进行勘察，通过全孔取心，可以对整个建筑轴线上的地质情况进行不间断勘察，与垂直孔的点状勘察相比，具有更高的勘察精度。

3、根据国标及现行公路、铁路行业工程地质勘察规范，要确定隧道围岩级别需首先确围岩岩体的完整性系数kv值。确定kv主要有两种方法：一是波速测试法，即分别测定孔内岩体波速(vpm)和岩块波速(vpr)，按式kv＝(vpm/vpr)2计算得到；二是岩体体积节理数(jv)测试，即每立方米岩体节理的条数，然后按照jv与kv对照表进行线性插值确定kv值。

4、波速测试法必须要求进行孔内岩体波速测试。而目前传统的孔内岩体波速测试设备是基于垂直钻孔设计的，在水平钻孔中进行岩体波速测试的设备和技术还不够成熟，无法在水平钻孔中测得岩体波速。因此，本发明提供一种基于水平钻探技术进行体积节理数(jv)测试的方法以确定隧道围岩岩体完整性，划分围岩级别。

5、目前国内在公路、铁路、水利等领域的隧道工程勘察中普遍采用的勘探方法还是从地表往下的垂直钻探技术，现行的相关行业规范也是基于垂直钻探技术编制。主要方法是沿着隧道设计轴线按一定间距布置垂直钻孔，点状揭露隧道洞身的地质情况，钻孔之间的地质情况则需依靠垂直钻孔、孔内综合测试、物探和地表调查等方法进行综合分析推测确定。该方法存在以下的缺点：

6、1)勘察准确度差：钻孔离散,偏差较大,孔间地质情况需进行推测，不能准确地反映隧道沿程地质情况；

7、2)适用性差：主要表现在一些高陡山区或交通条件差的地区，由于钻探设备无法搬运至设计孔位，可能造成地表垂直钻孔无法实施。

8、3)工作量大，效率低：垂直钻孔需沿隧道轴线按一定间距布置，孔数多，无效钻进较多,浪费巨大。

9、还有采用基于不取芯水平定向钻探工艺的综合勘察方法。主要方法步骤是：1、在隧道的每一横断面处，布置四个水平定向钻孔，钻孔轨迹均上下、左右均匀对称设置在隧道的四周。2、采用常规水平不取芯定向钻孔按照所述钻孔轨迹进行施工钻孔。3、对s2形成的钻孔路径进行扩孔并敷设护壁管。4、对4个钻孔路径进行孔间弹性波测试并生成若干孔间波速云图。5、对四条钻孔路径分别进行封孔处理。6、数据分析，包括通过波速云图的波速值判定隧道的围岩级别。该方法存在以下的缺点：1、需要在隧道周边布置四个钻孔，工作量大，成本高；2、采用不取心钻探，不能直观反映隧道围岩地质情况；3、水平钻孔内进行岩体波速测试技术不成熟，应用难度大。

10、还有采用水平定向钻的工程地质勘察方法，包括以下步骤，1、将水平定向钻机布置于地下工程的一侧，使水平定向钻机沿着地下工程的轴线进行水平定向钻进。2、判断水平定向钻机钻进过程是否需要连续取芯，若需要连续取芯，则进行连续取芯；若无需连续取芯，则进行间断非连续取芯。水平定向钻的有益效果：无需穿过上部较厚的无用覆盖层，而是直接在地下空间工程所施工的地层进行直接勘探，无效进尺和工作量大大减少，综合效率高，工程成本低；实现了沿轴线进行线性勘察，较传统点状勘察，可以更真实、全面反映周围岩土体的地质特征；实现钻孔轨迹全过程监控，具有很高的钻进精度，确保钻孔轨迹始终沿着设计轨迹钻进。该方法存在以下的缺点：1、仅阐述了水平定向钻在地下工程勘察中应用的优势，未对钻探成果如何分析应用作出解释。2、长大隧道采用水平钻孔全孔取心技术，成本高、工期长，适用性差；而采用间断取芯不能精准的描述隧道的沿程地质情况，勘察的准确程度差。

技术实现思路

1、根据国标及现行公路、铁路行业工程地质勘察规范，要确定隧道围岩级别需首先确围岩岩体的完整性系数kv值。kv主要有两种方法：一是波速测试法，即分别测定孔内岩体波速(vpm)和岩块波速(vpr)，按式kv＝(vpm/vpr)2计算得到；二是岩体体积节理数(jv)测试，即每立方米岩体节理的条数。鉴于目前水平钻孔孔内岩体波速测试技术尚不成熟，本发明提供一种基于水平钻探技术进行体积节理数(jv)测试的方法以确定隧道围岩岩体完整性，划分围岩级别。

2、本发明旨在解决在无法进行孔内岩体波速测试的情况下，通过对水平钻孔岩心节理进行统计，再结合地面节理调查统计成果进行综合分析，通过建立场区标准岩体模型，并建立场区一维钻孔节理线密度到三维体积节理数的转换关系，从而反算得到隧道轴线沿程围岩岩体体积节理数，在满足现行勘察规范的要求的基础上，具有方法简便、可操作性强的特点。

3、本发明中涉及到的参数解释为：kv，岩体完整性系数；vpm，岩体波速；vpr，岩块波速；jv，体积节理数；bq，岩体基本质量指标。

4、具体的技术方案为：

5、基于水平钻探技术对隧道围岩级别进行精细划分的方法，包括以下步骤：

6、s1、首先沿隧道洞轴线布置水平钻孔，进行全孔取芯，按钻探回次对岩心节理进行详细编录，并统计得到每回次的节理线密度；

7、s2、对隧道洞址区进行详细的工程地质测绘，查明隧道的地层岩性、节理产状及发育间距等情况，并对节理进行统计分析，制作节理走向、倾向、倾角玫瑰花图，得到洞址区节理的优势发育方位及平均发育间距；

8、s3、根据s2得到节理发育特征，利用autocad三维建模工具建立场区标准岩体模型。

9、模型建立主要有三个步骤：

10、第一步，首先绘制一个尺寸为2m×2m×2m的立方体岩块；

11、第二步，建立立方体岩块坐标系：将立方体岩块顶面对角线定义为节理测线，测线方向按实际钻孔方位角。本例钻孔方位角为ne45°，即按对角线的方向为ne45°建立坐标系；

12、第三步，将主要节理按产状(倾向、倾角)和间距按第二步中定义的坐标系对立方体岩块进行切割；

13、第四步，将节理切割后的立方体岩块平均分割为8块体积为1m3，尺寸为1m×1m×1m的小岩块；

14、s4、定义系数k＝立方体体积节理数/节理频数。分别统计s3中的8个小立方体模型顶面对角线方向的节理线密度和立方体体积节理数，计算得到每个小立方体模型的k值；

15、s5、取8个小立方体模型的k值的平均值为本场区一维节理线密度到三维体积节理数jv的换算系数；

16、s6、根据s1中统计得到的节理线密度和s5得到的换算系数k即可得到每回次围岩的体积节理数jv；

17、s7、根据国标，采用岩体体积节理数jv值，并确定对应的岩体完整性系数kv值；

18、jv＜3时，kv近似用0.75代替；jv在3～35区间范围内，采用线性插值法求得kv值；当jv＞35用负指数函数进行拟合；具体的计算公式如下：

19、

20、s8、根据s7中得到的每回次的kv值，再按国标或现行公路、铁路行业工程地质勘察规范中岩体基本质量指标bq的计算公式计算每回次围岩的bq值；

21、s9、根据s8中计算得到的bq值，按国标或现行公路、铁路行业工程地质勘察规范要求进行地下水状态、初始应力状态、工程轴线方位与主要结构面产状的组合关系进行修正，得到修正后的bq值[bq]。

22、s10、根据s9中得到的[bq]对照相关规范，实现按回次精细划分隧道的围岩级别。

23、本发明具有的技术效果：

24、1、本发明基于全孔取心的水平钻探技术，能直观且准确的反映隧道轴线围岩的地质条件及岩体完整性，勘察准确度高。

25、2、本发明旨在解决在无法进行孔内岩体波速测试的情况下，通过对水平钻孔岩心节理进行统计，再结合地面节理调查统计成果进行综合分析，通过建立场区标准岩体模型，并建立场区一维钻孔节理线密度到三维体积节理数的转换关系，从而反算得到隧道轴线沿程围岩岩体体积节理数，在满足现行勘察规范的要求的基础上，具有方法简便、可操作性强的特点。