日本RPD快速超前地质预报钻机简介

日本RPD-150C快速地质钻齐岳山特长隧道为宜万铁路的控制性工程,在溶岩地段施工中,最大的危险就是岩溶高压突水、突泥,为了保证施工安全必须严格地进行超前地质预报.超前地质钻探作为一种简便、直观的物探方法有着其它物探手段无法比拟的优越性.由中铁十二局首家引进的RPD-150C多功能钻机是目前世界上比较先进的钻孔设备,在齐岳山隧道工程中的应用实践表明,这种钻机能有效地克服目前国内超前地质钻探中数据记录自动化程度低、钻探深度浅和钻孔速度慢等不利因素.RPD多功能快速钻机在长大复杂隧道中的工法应用一．引言随着我国铁路的第六次提速，铁路建设也进入了新的发展阶段，但是铁路建设施工安全的形势依然不容乐观，安全基础工作薄弱的局面没有根本改变，特别是隧道施工安全问题更为突出。

目前，全路在建隧道多达1785座，总延长2164公里，这些隧道遍布全国各地，地质情况复杂多样，施工水平参差不齐，施工安全风险极大，稍有疏忽就可能酿成严重事故。

去年的宜万铁路野三关隧道透水事件就给我们带来沉重的教训。

如果能在开挖前期采取充分的地质预报、排水、注浆、支护等预防措施，就可能避免这一事故的发生。

今后一个时期，列入规划的铁路隧道还有2000多公里。

如何持续、有效地确保隧道施工安全，将一直是大规模铁路建设的重大课题。

而选用一台合适的安全施工设备就显得尤为重要。

我公司引进的日本矿研公司生产的RPD多功能快速钻机具有长距离快速超前地质预报、防突、注浆和管棚、锚索、锚杆等施工功能，配备有独特的高效能旋转冲击式动力头、电动机和全液压化的驱动，钻机在狭窄空间内也可以高效率完成多种工矿作业；且不污染环境，为隧道等工程的安全、环保和高效施工提供了坚实的保障。

矿研是1947年成立的上市公司，在日本钻机制造业处于领先地位。

总部设在东京，旗下有三个工厂，其中日本本土两家，马来西亚一家。

其生产的各种钻探和注浆机械，以及温泉、地下水开发和环境调查用的各种设备，活跃在地质调查、地基改良、防灾工程、隧道工程及深海探测等各种施工领域。

RPD系列多功能快速钻机是矿研公司的主要产品之一。

其优良的产品质量、卓越的产品性能、坚固耐用的可靠性以及完善的售后服务得到了用户的一致好评。

二．RPD系列钻机的特点1.高效快速矿研于1975年独自开发出液压旋转冲击式钻机RPD系列，它所配备的动力头在以往旋转、推进钻孔方向上增加了液压后顶锤式冲击功能，并且实现了冲击和旋转结构一体化。

这样在保证配件数量大幅减少、质量可靠、易保养的同时，不仅能使钻机快速钻进一般岩层，而且也实现了沙砾层以及鹅卵石层的快速钻进。

与传统旋转钻机相比，效率提高了5~10倍。

在100MPa硬岩的地质条件下，采用65mm刀头平均最大每小时可钻进10米以上。

2.可以选择套管和单管作业RPD系列钻机独特的水转换结构，使钻机可以选择套管和单管作业模式，以满足多种施工目的。

内杆和外杆同时钻进，又可分开拆卸，在取芯地质调查和管棚等施工中外杆可起到护壁作用。

3.大范围钻孔方向，可以完成多种工况作业RPD系列中的旋臂钻机（RPD-180CBR）机身定位一次，即可完成某些隧道全断面的管棚、注浆、钻探等施工作业。

RPD系列中的分体式小型钻机（RPD-75SL-H2）为电动机作业，机身小巧适用于小断面隧道和煤矿巷道中的钻探、止水、排水和注浆等作业。

通过钻机底部转盘可实现水平面内的360°旋转，并可进行垂直、水平、倾斜各种角度的作业，操作简单。

4.操作性良好RPD钻机以操作杆操作。

旋转，冲击和推进等都可以独立控制，能够轻松对应不同软硬地层的快速钻进。

简单易学，操作性良好，不需专业人员。

5.自动拆卸钻杆RPD系列钻机均配有钻杆自动拆卸装置，通过夹具、自动拆卸扳手和动力头的旋转可实现钻杆的快速安全拆卸，不仅提高了施工效率，而且大大降低了工人的劳动强度。

6.可靠性极高所有配件均为耐冲击设计，坚固耐用，寿命长。

三．RPD多功能快速钻机施工工法1. MWD超前地质预报工法MWD工法通过钻机上安装的各种传感器、流量计和数据处理中心测定、分析钻机钻孔时采集到的数据（钻孔深度、钻孔速度、转速、扭矩、旋转压力、打击能、打击数、打击压力、推进力、送水量、排水量、送水压力、排水压力等），即时掌握掌子面前方的地质状况，如：岩盘软硬、有无涌水、有无空洞（溶洞），最长预报距离为150米，使用65mm刀头，在100Mpa的硬岩条件下平均最大钻进速度可达10米/小时。

如图1所示本装置可以现场实时显示并打印出钻孔数据及曲线，操作手可及时对地质的变化做出相对应的操作，同时这些数据可以保存在数据卡中，使用专用数据读取装置保存在电脑中以进行后期数据分析。

图2是MWD工法的示意图，钻孔过程中系统会生产各种数据曲线，经后期分析岩层发生变化时，相对应的各种曲线也会明显变化。

根据这些曲线的分析就可完成长距离的地质超前预报。

图1 即时显示屏和后期分析用计算机图2 MWD工法示意图2. PS冲击式钢丝绳取芯工法PS冲击式钢丝绳取芯工法是矿研独家开发的取芯工法。

使用一个取芯器，无需拔出钻杆就可以水平、垂直进行任何岩层的快速、连续钻孔取芯，取芯完整，取芯率高，比普通旋转钻机取芯速度提高3-5倍以上。

本工法最大的特点是不需撤出钻杆就可取芯，不仅提高了工作效率而且在软弱地质时可以起到防止孔壁坍塌的作用。

而且加入的液压冲击功能可以使钻机在软硬交错地带、沙砾层、鹅卵石层等不易取芯的地层实现快速连续取芯。

取芯过程：首先在钻杆最前端安装取芯器组件，进行1个冲程的钻孔取芯；然后连接打捞器组件使用钢丝绳回收取芯器，最后换上新的取芯器进行下一个冲程的钻孔。

图3 PS钢丝绳取芯工法图4 冲击式钢丝绳取芯的芯样3. TBM施工中的应用矿研RPD系列小型钻机也可应用在TBM隧道施工中的超前地质预报和地质改良。

在用TBM进行隧道挖掘时，地质的软硬度、破碎带的位置、大小、有无地下水、地盘的膨胀程度等地质条件都对施工进程有影响。

这些调查是在设计隧道，计划施工前就应该充分掌握的计划路线状况。

但纵观以往的TBM的挖掘业绩，确实遇到了不少严重的问题。

具体来说，以下状况会导致挖掘工程的延迟：1）突发的涌水导致TBM的淹没2）软弱地盘导致TBM沉没3）因遭遇破碎带掌子面和顶部塌落而使TBM破损，埋没4）挺进膨润地层而使TBM受阻5）在软弱地层中TBM由于把力不足而无法推进一般来说，TBM挖掘的前方探查虽作为辅助工法，但是从正确掌握隧道挖掘前方地质，防患未然这一角度来看，可以说它是与TBM挖掘同等重要的。

一般来说，TBM挖掘的前方探查虽作为辅助工法，但是从正确掌握隧道挖掘前方地质，防患未然这一角度来看，可以说它是与TBM挖掘同等重要的。

矿研RPD系列小型钻机应用于TBM隧道施工中的超前地质预报、取芯和改良作业，可快速对应各种岩层，提高施工效率，在TBM安全施工方面起着非常重要的作用。

图5 搭载TBM内部的RPD小型钻机4. 防突止水和“钻注一体化”注浆工法隧道施工中，特别是高压涌水带施工中，若进行探测钻孔（或进行正常钻进中），有可能造成掌子面的突然涌水或坍塌事故。

这样就要求在钻孔中使用防突装置。

RPD钻机的钻具内部都设有单向阀，钻孔过程中可阻止地下突发水通过钻具涌出；此外根据不同地质条件，还配有各种型号的高压孔口止水装置。

遇有高压地下水时，可防止高压地下水通过系统空间进入并可采取注浆止水或排水的方法处理。

图6 钻具内的单向阀装置图7 孔口止水装置RPD系列多功能钻机钻杆可实现“钻注一体化”作业，由注浆泵与钻机的水转换器连接，通过钻杆完成长距离注浆作业，提高施工效率，降低施工成本。

根据不同地质情况可采用不同注浆工法，例如：a.孔口注浆；b.单杆后退式阶段性注浆；c.单杆前进式阶段性注浆d.双层管后退式阶段性注浆；e.双层管前进式阶段性注浆等图8 独特的水转换器装置和钻杆注浆路径图5. 管棚、锚杆、锚索、锚固、抢险救助等施工工法矿研RPD系列钻机在管棚施工中可采用套管作业如图8、图10所示。

套管作业时，首先使用套管钻进一定深度。

（和跟管技术不同的是，这个过程中外杆和内杆为同时、同步钻进）然后先撤出内杆和内刀头，留在孔内部的外杆起到防止孔壁坍塌的作用；然后插入管棚管，最后撤出外杆和外刀头。

使用RPD系列钻机亦可快速完成基础锚固、山体的斜面锚固、锚索、抢险救助等施工作业，大幅提高工作效率。

图9 套管钻具组件图10 套管管棚施工工艺四．RPD系列钻机在国内外长大复杂隧道施工的应用目前，RPD系列多功能快速钻机已应用于国内一系列重大隧道建设项目，并得到了施工单位的高度评价。

使用单位有中铁隧道局、中铁十二局、中铁十七局、中铁十八局和中铁二十二局。

此外在日本本土RPD钻机的施工案例也非常丰富，这里以著名的青函海底隧道和安房山隧道为例，他们都是复杂长大复杂隧道的代表。

1．铁道部重点工程——宜万铁路齐岳山隧道中铁十二局承建的宜万铁路齐岳山特长隧道全长10528米，地质条件异常复杂，为全线重点和控制性工程。

隧道最大埋深670米，全隧道单面返坡排水，隧道穿越地层均为可溶岩地层，发育有三条暗河，9条断层对隧道影响较大。

主要工程地质问题有：溶岩及岩溶高压、突水、突泥；煤层瓦斯、天然气等。

设计正常涌水量为17.6万m3/d，最大涌水量为74.3万m3/d。

为有效规避安全风险，提前正确探明隧道前方的地质情况，中铁十二局使用矿研RPD-150C多功能钻机用于隧道MWD超前地质预报和止水作业，每次钻探100-150米，每小时钻进速度约15米（一轴压缩强度80-200MPa），累计钻探8000多米，正确、快速地探明前方的地层情况，避免了可能出现的涌水、突泥等事故，为安全施工起到了重要作用。

图11 隧道岩层地质情况图12 RPD-150C进行MWD超前地质预报2．中国第一条海底隧道——厦门翔安海底隧道厦门翔安海底隧道全长8695米，其中隧道长度6050米，海底部分4300米。

双向6车道。

主洞宽13.5米，高5米。

隧道施工面临穿越浅滩全风化层段、砂砾层段和海底风化槽三大难点。

多米的浅滩海域段以沉积污泥、沙层为主为全强风化地段，岩体强度低，围岩自稳能力差，而且上有海水下有地下水，隧道开挖过程中极易发生涌泥涌水，技术含量高，施工难度极大。

中铁十八局承建的A2标段（厦门端主右隧道），采用RPD-150C和RPD-75SL 完成了MWD长距离地质预报、快速PS冲击式钢丝绳取芯和前两个循环的全断面帷幕注浆（钻杆后退式分段注浆工法），这为快速安全通过风化槽起到了关键作用。

其中在风化槽取芯3个孔，分别为91米、78米和75米。

采用矿研RPD系列钻机独特的冲击式PS-WL钢丝绳取芯工法，不取出钻杆即可取芯，大大加快了取芯速度，为一般方法的5倍左右，并且芯样十分的完整。