日本RPD快速超前地质预报钻机简介.doc

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1、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，

2、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

3、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

4、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 510倍。在lOOMPa硬岩的地质条件下， 采用65mm刀头平均最大每小时可钻

5、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RPDS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。RPDS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

6、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MW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

7、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，女口：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MW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

8、质超前预报。图1即时显示屏和后期分析用计算机啓w!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

9、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

10、4 ）挺进膨润地层而使TBMK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空掘同等重要的。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空掘同等重要的。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、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

11、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

12、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RPDS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

13、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

14、 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 MW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80-200MP3，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MW超前地质预报2.中国第一条海底隧道一一厦门翔安海底隧道厦门

15、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 MW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，

16、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。使用矿研RPD系列钻机完成前两个循环几百个孔的注浆，每孔长25-34米。 钻孔需2小时/孔，注浆平均在4小时/孔左右，是传统注浆法的3倍，而且效 果较好。中铁十八局厦门海底隧道掌子面分为ABCE个区注浆作业，RPD-150C和RPD-75SL根据自身的特点分别负责不同区域的钻孔注浆，大大提高了施工效 率。图13两台RPD多功能钻机进行全断面帷幕注浆图14取芯实样中铁隧道集团A1 （厦门端主左隧道）标段也使用 RPD-15

17、0C钻机在厦门海底 隧道另一标段中进行了冲击式的钢丝绳取芯，图 15为取出岩芯实样一一花岗岩 破碎带及风化囊。15厦门海底岩芯实样图范: -小。境，噪成大中铁二十二局集团承建的A3标段（翔安端主右 全风化层，采购了矿研RPD-180CBffi双动力多功 功能快速钻机，并使用JRpD-+80cBi行了冲击式钢 用电动机和柴油机的双动力系统 机身一次定位，在狭窄的隧道空 施工特别适合隧道作业。RPD-75SL-H2型多 业。RPD-180CB使P采用旋臂结构，/、探测和注浆图16矿研最新产品RPD-180CB及在洞内取芯作业3. 著名的大跨浅埋工程一一厦门机场路梧村山隧道中铁隧道集团承建的厦门机场

18、路成功大道总长 14.3公里，其中一期工程全 长10.532公里。中铁隧道集团承建的梧村山隧道全长 3.7公里，是国内最长的 城市公路隧道，更是全国绝无仅有的大跨度超浅埋暗挖隧道、地下水位高、距离地面最薄只有10多米，而且梧村山隧道要通过95幢居民楼房，地质情况比较松 软，工程难度非常大。掌子面分为左右两洞，洞宽33m洞高12m中间有中导洞横跨两洞。中铁隧道集团使用矿研RPD-150C多功能钻机实现了 PS冲击式钢丝绳快速取芯 及快速钻孔注浆作业。一个月大约完成2500米钻孔注浆，平均每小时钻进20米, 大大提高了施工安全和地盘改良作业效率。图19 RPD-150C在梧村山隧道钻孔注浆图18全

19、风化花岗岩岩芯实样4. 沪蓉西高速公路乌池坝隧道中铁十七局承建的X7标段乌池坝隧道是沪蓉高速公路第二特 长隧道，全长6693米，最大埋深445米。由于乌池坝隧道地处岩溶 地区，地质条件复杂，存在岩溶、高地应力、断层破碎带和煤层、瓦 斯等诸多不良地质现象，隧道施工存在较大的安全风险。为此，中铁十七局采用RPD-150C多功能快速钻机进行 MW超前预报，钻进速度 快，钻进1.5米只需6分钟。经分析结果，初步划分了特殊地质地段， 后续施工将充分利用该钻机进行分析应对，以确保顺利通过岩溶区。此外，承建X8标段乌池坝隧道出口段的中交四航局也使用了 RPD-150C进行了 MW超前预报成功通过了一块较大含

20、水体。图20乌池坝隧道洞口图图21钻机在乌池坝隧道现场施工图5.著名的日本青函海底隧道木州方向匕海道方向13.Z3. 300kft17. oka卫 三rL 工兰空 LP工更 兰 厂兰覺 缰星 F耳 F更 工“至豊5孑兰三 F-jg重=器 兰旷鼻 】.1厂I !1 yg*1T ：!?亍 nriniimn血坊in门9kt图22青函海底隧道青函隧道为位于津轻海峡的海底，延伸长度53公里850米的世界最长的隧道。此洞位于新干线复线断面，距海底覆土面100米，最深部距离海面240米海峡中央部的地质为新第三纪中新世的堆积岩、在海峡中央部形成了具有 向斜轴的褶曲构造。因此，从两海岸向海底进行挖掘过程中将逐步

21、出现新的底 层，在贯通点附近的海峡中央部遇到了固结度非常低的沙质岩层，使工程陷入 了极度困境之中。涌水的起源为海水，因此涌水的供给是无限的。如果置涌水于不顾，通过 涌水的高水压使流路扩大将会引起大出水。地质情况如前所述岩质整体上为软质岩，并且存在很多破碎带，因此挖掘 前进行充分的止水和为了增强岩磐承受强大的土水压力而进行的地磐注浆工事 都是不可欠缺的。研钻机采用套管密封方式的单钻杆工法进行前进式的循环注浆。 注浆范围为 隧道半径R的3R4R。使用浆液为LW-普通硅酸盐水泥和CLW-高炉胶质水泥， 注浆孔数55,122个，每个孔平均长度62米。注浆总量为731,587m3。型一聲F訂加图23青函

22、海底注浆示意图图24矿研钻机施工现场6.日本158国道安房山隧道本工区的地质以燧石为主，由粘板岩与辉绿凝灰岩构成，裂隙非常发达。 特别是TD1.5701.655之间属于稳定性差、伴有大量涌水的破碎带。为保证隧 道安全开挖，作为辅助工法采用了药液注浆工法。在注浆施工之前，由导洞进行超前钻探（L=60m 65mm不取芯钻孔），确认 破碎带部的性状、涌水位置、涌水量（最大1.0tl/min ）、涌水压力（最大2.4Mpa）图25安房山隧道地层情况由于本工区涌水多，埋深大，需要高压注浆，所以矿研钻机采用了套管与 孔口密封组合方式的套管密封注浆工法。注浆范围根据山岳隧道的施工业绩采纳破碎带部3R的注浆（

23、R:隧道半径）；注浆孔数276个，每个孔平均长度为43米。注浆材料：A1号水玻璃+水泥浆（高炉B种）；总注浆量为1,513.6m3“ _5uQQQ. J图26安房山隧道注浆示意图五.总结综上所述，日本矿研RPD系列钻机在隧道工程施工中动力强劲，噪声低， 污染小，钻孔速度快，操作简单；配有性能优越的旋转冲击动力头，可靠性极 高，配件坚固耐用，寿命长；钻杆自动拆卸，作业范围大。RPD系列钻机广泛应用于长大隧道中的超前地质预报、止水注浆、管棚和锚杆施工，是长大复杂隧 道完成“安全施工、高效施工、环保施工”必不可少的设备。日本矿研多功能管棚钻机 RPD-180CBR各亮相Baoma China 200

24、8 日期2008-11-01 中国工程机械信息网自选背景色：匚匚匚I日本矿研多功能管棚钻机RPD-180CBR将亮相Bauma China 2008在今年11月份将要开幕的 Bauma China 2008中国国际工程机械、建材机械、工程车辆及设备博览会上，日本矿研将展示独家开发的多功能管棚钻机RPD-180CBR，该钻机可高效完成目前铁路、公路建设中长大复杂隧道的管棚支护、MWD与PS-WL超前地质预报及全断面帷幕注浆、止排水等施工作业。【厂家简介】日本矿研工业株式会社成立于1947年，是日本钻机行业的顶级企业。该公司不断开发研制出具有引领时代的探测地球资源以及地下工程的各种新锐机械，如地下

25、资源（地下水、地下矿物资源、温泉）钻探机械、独特的反方向提升式大口径竖井钻机、各种基础工程的锚 固和地基改良设备、地质超前钻探预报及岩心取样地质调查钻机、土壤污染和水污染调查及处理机械、地下注浆加固设备以及全自动水泥搅拌设备等。它广泛应用于铁路建设、公路交 通建设、市政基础及城市地铁建设、水利水电工程、地质勘察工程、煤矿安全施工等众多领 域。流。矿研除了生产机械之外， 还进行地下工程的施工,有着丰富的施工经验与客户分享和交【产品简介】RPD-180CBR配备了大臂后部转盘和各类动作液压油缸，实现了在隧道内的全角度管棚、长距离超前预报和全断面帷幕注浆等作业。同时，钻机配备了电动、柴油双动力单元，

26、钻孔作业采用电力驱动，杜绝了尾气排放污染，实现了以人为本、环保作业”的文明施工。【特点和工艺】后顶锤式旋转冲击作业，克服潜孔锤污染大、遇高压水很难钻进等缺点； 钻进速度快，是传统旋转钻机的5倍以上，10-20米/小时以上；旋臂式作业，通过大臂后部转盘可使钻机定位一次即可完成大范围的钻孔施工；可高效完成单管、套管和跟管管棚作业 ；独有的MWD地质超前预报系统（钻孔数据自动采集装置）（100-150米） 独有的PS-WL冲击式钢丝绳取芯系统（速度快，取芯完整）（100-150米）改良各种复杂地层，实现多种注浆工艺（缓凝型、瞬凝型）（前进式、后退式）各种低高压孔口止水装置，兼具止水、止浆功能【国内案

27、例】中国第一条海底隧道 一一厦门翔安海底隧道中铁二十二局采用 RPD-180CBR进行管棚、超前地质预报、注浆、止水等作业日本矿研多功能管棚钻机将 Bauma展上闪亮登场2008-10-29 9:27:20来源：互联网 网友评论1条 浏览次数：69次在今年11月份将要开幕的 Bauma China 2008中国国际工程机械、建材机械、工程车辆及设备博览会上，日本矿研将展示独家开发的多功能管棚钻机RPD-180CBR，该钻机可高效完成目前铁路、公路建设中长大负责隧道的管棚支护、超前地质预报及注浆、止水等施工作 业。【厂家简介】日本矿研工业株式会社成立于1947年，注册资金约16亿日元，是日本钻机

28、行业的顶级企业。该公司不断开发研制出具有引领时代的探测地球资源以及地下工程的各种新锐机械， 如地下资源（地下水、地下矿物资源、温泉）钻探机械、土壤污染和水污染调查及处理机械、 地下水净化设备、各种基础工程的锚固和地基改良设备、地质超前钻探预报及岩心取样地质调查钻机、地下注浆加固设备以及全自动水泥搅拌设备等。它广泛应用于铁路建设、公路交 通建设、市政基础及城市地铁建设、水利水电工程、地质勘察工程、煤矿安全施工等众多领 域。矿研除了生产机械之外还进行了大量工程施工， 有着丰富的施工经验可以和客户分项和 交流。【产品简介】RPD-180CBR 配备了大臂后部转盘和各类动作液压油缸，实现了在隧道内的全

29、角度管 棚、长距离超前预报和全断面帷幕注浆等作业。同时，钻机配备了电动、柴油双动力单元， 钻孔作业采用电力驱动，杜绝了尾气排放污染，实现了 “以人为本、环保作业 ”的文明施工。【特点和工艺】后顶锤式旋转冲击作业，克服潜孔锤污染大、遇高压水很难钻进等缺点；钻进速度快，是传统旋转钻机的 5 倍以上， 10-20 米 /小时； 旋臂式作业，通过大臂后部转盘可使钻机定位一次即可完成大范围的钻孔施工； 可高效完成单管、套管和跟管管棚作业；独有的 MWD 地质超前预报系统（钻孔数据自动采集装置） （ 100-150 米）独有的 PS-WL 冲击式钢丝绳取芯系统（速度快，取芯完整） （ 100-150 米）前进式、后退式）改良各种复杂地层，实现多种注浆工艺（缓凝型、瞬凝型）各种低高压孔口止水装置，兼具止水、止浆功能独有的套管钻进工艺，克服跟管钻进操作难、速度慢、消耗刀头等缺点国内案例】中国第一条海底隧道 厦门翔安海底隧道