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長距離水平凍結(jié)孔施工技術(shù)在廣州地鐵的應(yīng)用論文
摘 要:廣州市軌道交通三號線天河客運站折返線及風(fēng)道位于廣州市天河區(qū)廣汕公路。折返線斜穿廣汕公路和沙河立交橋。折返線隧道為五心圓拱雙線隧道，長為147.8m，凍結(jié)管單管長度達72m。而目前國內(nèi)外水平凍結(jié)孔施工長度僅為62m。水平超長距(>100m)、大斷面(直徑>10m)，在國內(nèi)、外均無此工程先例。文章結(jié)合廣州地區(qū)氣候特點和工程地質(zhì)特點，詳盡分析了水平凍結(jié)孔施工技術(shù)在廣州地鐵折返線斜穿廣汕公路和沙河立交橋的應(yīng)用可行性。
關(guān)鍵詞:廣州地鐵;區(qū)間隧道;水平凍結(jié)孔
1 折返線設(shè)計
起始里程為SK0+102.60，終點里程支SK0+250.40，長為147.8m，雙線隧道凈斷面為馬蹄形，隧道凈高9146mm，凈寬11400mm。凍結(jié)孔預(yù)計工程量為南端3495m、北端3490m。
2 工程地質(zhì)概況
2.1 地質(zhì)條件
區(qū)內(nèi)上覆土層為第四系:基巖為酸性巖漿巖體，據(jù)鉆孔碎屑分析應(yīng)為斑狀花崗巖。
凍結(jié)孔所穿土層，上部以沖~洪積砂層為主，砂層(3-2)主要為粗砂，其次為中砂、細(xì)砂、礫砂。沖積粉質(zhì)黏土(4-1)次之。
隧道中、下部凍結(jié)孔所穿土層為:由花崗巖風(fēng)化殘積土(5H-1)(5H-2)和全風(fēng)化巖(6H)、強風(fēng)化巖(7H)。殘積層與風(fēng)化帶、不均勻風(fēng)化現(xiàn)象明顯，鉆進中所能見到的最大碎屑粒徑為3.7mm。碎屑成分以長石為主，石英次之。
殘積土層與風(fēng)化帶具有較強的透水性，遇水易軟化崩解的特征。是凍結(jié)孔鉆進中出砂量多(控制困難)、抱鉆(埋鉆)現(xiàn)象頻繁發(fā)生的主導(dǎo)因素。
2.2 水文地質(zhì)
廣州市區(qū)地處南亞熱帶，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候。降水量大于蒸發(fā)量，大氣降水是地下水的主要補給來源，區(qū)內(nèi)穩(wěn)定水位為1.25~3.10m，平均埋深為1.76m。
凍結(jié)管打設(shè)范圍內(nèi)的地下水為第四系空隙水。儲存條件屬于貧水~中等富水地層。其中沙層(3-2)為主要含水層，強透水、富水性好，滲透系數(shù)K為15m/d;(5H-2)(6H)具有一定的透水性，富水性一般。
2.3 不良地質(zhì)與特殊地質(zhì)
(1)砂層。屬于富含水層，涌水量大，主要含粗紗，局部含礫石，穩(wěn)定性差，護壁困難，易坍塌;孔偏斜難控制。
(2)花崗巖殘積土。全風(fēng)化帶，遇水易軟化崩解，并且含沙量較多，對泥漿護壁形成不利影響;由于風(fēng)化程度不均勻性，或者有球狀風(fēng)化，鉆進中難免碰上風(fēng)化程度較低的硬塊，對孔斜造成較大影響。
(3)凍結(jié)孔終孔端距地面僅5.00±(最淺處)，距淤泥質(zhì)土(4-2)非常近。
(4)凍結(jié)管打設(shè)施工工期正處于廣州地區(qū)雨季，降水量大，是地下水補給期，不利于施工。
3 工程水平凍結(jié)孔施工設(shè)計
3.1 工程概況
凍結(jié)工程全長隧道147.8m，單斷面凍結(jié)管數(shù)為46個(見圖1)，單根凍結(jié)管長度為72m(中間相互搭接5m)。本區(qū)段凍結(jié)孔分為南、北兩段，由南、北兩工作井內(nèi)錯位對打。
3.2 凍結(jié)鉆孔施工設(shè)備
根據(jù)該工程隧道段地層復(fù)雜、巖石破碎嚴(yán)重、具有一定硬度等特點，采用HW-4型可移動升降式平臺，根據(jù)國內(nèi)水平孔鉆機的情況，采用專門為打設(shè)水平孔設(shè)計的HW-4型水平液壓鉆機。
該鉆機是一種低轉(zhuǎn)速、大扭矩、能夠鉆進大直徑的全液壓鉆機，可用牙輪鉆頭、潛孔鉆進、人造金剛石復(fù)合片等鉆進工藝，完全可滿足本工程水平孔鉆進的工期及質(zhì)量需要。
本工程選擇了HW-4型鉆機4臺，保證了折返線隧道能在同一工作面左右交叉同時施工。
4 水平凍結(jié)孔施工及技術(shù)方案和措施[2，3]
4.1 水平凍結(jié)孔施工的技術(shù)要求和特點
水平凍結(jié)孔施工過程中:一要控制凍結(jié)鉆孔的偏斜;二要確保密封絲堵安裝的密封性能達到質(zhì)量要求。
在常規(guī)豎井凍結(jié)施工規(guī)范中，偏率控制取決于深度和巖性，一般要求在表土層內(nèi)的垂直鉆孔偏斜率小于3‰，到達基巖段的鉆孔偏斜率為5‰。本項目根據(jù)工期、質(zhì)量和安全要求，結(jié)合國內(nèi)目前水平鉆孔的技術(shù)水平，確定凍結(jié)孔偏斜率控制在10‰以內(nèi)(并盡量避免向內(nèi)偏斜);最大相鄰孔間距2m，必要時進行補孔;凍結(jié)管試壓管內(nèi)壓力不小于1MPa，前30min壓降小于0.05MPa，后15min壓力無變化為合格。
鉆孔偏斜控制需從鉆機選型、鉆具組合工藝、凍結(jié)管打設(shè)方法等方面綜合考慮。水平凍結(jié)孔施工有以下特點:
(1)水平凍結(jié)孔密集，偏率精度要求高。
(2)鉆孔定位空間小。鉆孔均在隧道的邊緣，上下左右操作空間受限。
(3)導(dǎo)向孔拉管法難以實現(xiàn)，采用一次性導(dǎo)向跟管鉆進法。
(4)應(yīng)使用抗電磁干擾的水平測斜儀和導(dǎo)向儀。本工程使用的水平鉆孔軌跡儀，精確度較高。
4.2 技術(shù)方案和措施
總體方案是選用HW-4型鉆機，采用一次性導(dǎo)向跟管鉆進法的技術(shù)方案，鉆桿采用108×8mm無縫鋼管，兼作凍結(jié)管，螺紋加焊接連接，配用110mm的削板鉆頭，泥漿循環(huán)鉆進。
水平凍結(jié)孔偏斜的原因取決于:鉆進中受鉆具自重影響，鉆具前端會產(chǎn)生下垂;水平鉆具順時針旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生右旋力;安裝和開孔的誤差。為確保鉆孔精度，采取了以下技術(shù)措施:
(1)準(zhǔn)確確定水平孔開孔孔位(偏差≤±50mm)，控制水平孔開孔角度是保證水平孔偏斜的保證。
(2)給出水平方位角與仰俯角以合理的糾偏值:鉆孔開孔方位角=凍結(jié)管設(shè)計方位角±鉆進糾偏水平角;鉆孔開孔仰角=設(shè)計仰(俯)角±鉆進糾偏垂直角。
(3)采用凍結(jié)管兼作鉆桿，非但增加了鉆桿的鋼度，而且直徑的抗彎鋼度也有所增加。
(4)采用螺紋連接確保鉆桿連接的同心度，同時接口加焊，既確保密封性能又增加接口鋼度。
(5)控制泵壓與泵量、泥漿稠度，以保證巖粉碎渣在強懸浮力的作用下沖出孔外。
(6)控制鉆壓、鉆速;以保持快速鉆進為宜。
(7)采用低泵壓、小水量、慢轉(zhuǎn)速，并加強孔口密封裝置，盡量減少地下水和砂流出。
(8)通過試驗凍結(jié)孔，回歸分析鉆進中技術(shù)參數(shù)和凍結(jié)孔偏斜規(guī)律，為加快打鉆速度，保證鉆孔質(zhì)量提供準(zhǔn)確可靠的工藝參數(shù)，并依此計算出精確的凍結(jié)孔開孔角度。
(9)在基坑砼壁上開孔、埋設(shè)孔口管、導(dǎo)向管、密封管等措施，預(yù)防水平孔偏斜。
(10)鉆進過程中采用“有線儀器導(dǎo)向，一次性跟管鉆進”這種新工法打設(shè)超長水平凍結(jié)孔。
(11)采用削板式鉆頭。
5 凍結(jié)孔施工中的風(fēng)險及處理
凍結(jié)孔施工中存在的風(fēng)險主要有:
(1)長距離水平施工;
(2)鉆進過程中涌水和涌沙;
(3)開孔時，地下水或地層泥砂大量涌出;
(4)鉆進中，地下水和地層泥沙大量涌出。針對以上4個方面的風(fēng)險，所采取的解決辦法及工程技術(shù)措施如下:
(1)水平凍結(jié)孔施工是凍結(jié)施工中的技術(shù)關(guān)鍵，也關(guān)系到凍結(jié)工程的成敗。72m長的水平凍結(jié)孔國內(nèi)外沒有先例，但是在工程結(jié)束時，所有凍結(jié)孔均具備所要求的技術(shù)水平，且最大偏斜率均小于設(shè)計規(guī)范10‰。
(2)通過孔口管側(cè)面的卸壓閥觀察孔口處地層壓力的具體情況，判斷涌沙、涌泥的可能性。決定是否進行孔口加固注漿，注漿時用泥漿泵給地層中注入水泥漿或化學(xué)漿液，待地層凝固后二次重新開孔，下管。
(3)立即停止開孔，迅速拔出開孔鉆具;將孔口管立即打入孔內(nèi)，發(fā)現(xiàn)地下水、砂壓力較大時，可將回水閥打開卸壓，然后快速將孔口管打設(shè)到位，將孔口管與砼壁相連接，并按好閘閥，然后關(guān)閉閘閥。
(4)在鉆頭處安裝單向閥，可以正向從鉆桿內(nèi)通入泥漿進行，在不供泥漿時，單向閥自動關(guān)閉，避免地層中的水土逆向涌出，從而防止正常鉆進涌水、涌泥;根據(jù)地層穩(wěn)定情況，在孔口管和密封裝置之間安裝6分閘閥，必要時關(guān)閉;在軟土層中可實現(xiàn)不循環(huán)鉆進，控制水土流失;在鉆桿打設(shè)完成后，及時利用孔口管上的旁通閥注漿，漿液選用單液水泥漿或水泥-水玻璃漿液。其作用可固定凍結(jié)管，堵住孔口的涌泥通道;注漿漿液注入鉆孔環(huán)狀斷面內(nèi)，補充流失的水土，并對地層有壓密作用，起到壓密注漿的作用，減少地面沉降。
6 水平凍結(jié)孔施工的結(jié)果
水平凍結(jié)孔自20XX年5月18日~5月25日進行了水平鉆孔實驗，5月26日正式水平凍結(jié)孔的開鉆，到20XX年5月13日工程結(jié)束，工期歷時12個月。中途除去工作井未移交南北銜接不上占用3個月及協(xié)調(diào)所用工期外，純施工速度一般1.5d完成1個孔，包括鉆機的定位、一開、二開、鉆進、30m前燈光測斜、終孔注漿、孔口注漿、沖孔、密封、打壓試漏、終孔陀螺儀測斜等11道工序。實際完成了92個正孔計6624m，補孔1個計72m，8個水文孔計60m，8個測溫孔420m，合計7176m。
本工程首次采用了孔底注漿和孔口注漿方案，通過兩個方案的實施，很好的控制了路面沉降，截止20XX年5月15日地面最大累計沉降10mm。采取有效的控制路面沉降的方法，使施工順利的進行并取得了良好的經(jīng)濟和社會效益，達到了預(yù)期的效果。
7 結(jié)束語
對于廣州地鐵三號線水平凍結(jié)孔的打設(shè)，經(jīng)過長時間的理論論證，最后決定采用凍結(jié)管代替鉆桿一次性成孔的方案，長距離水平凍結(jié)孔的打設(shè)在折返線斜穿廣汕公路和沙河立交橋的成功應(yīng)用，在國內(nèi)外都尚屬首次。
長距離水平凍結(jié)孔施工工藝及技術(shù)措施經(jīng)過在廣州地鐵的應(yīng)用，積累了寶貴的經(jīng)驗，為以后打設(shè)更長距離的水平凍結(jié)孔施工提供了可靠的保證。
參考文獻
1 岳 敏，蔣國盛.大連路越江隧道連接通道水平凍結(jié)孔的鉆進[J].西部探礦工程，20XX(2):103，113.
2 張景鈺，方江華，汪仁和.水平凍結(jié)法在上海地鐵隧道旁通道工程的應(yīng)用[J].淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，20XX，5(1):25-27.
3 付文會，胥 剛，儲風(fēng)春.凍結(jié)造孔施工工藝探討[J].淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006，6(1):28-31.
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