長距離水平凍結(jié)孔施工技術(shù)在廣州地鐵的應(yīng)用摘 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(dá)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 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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)的透水性,遇水易軟化崩解的特征。是凍結(jié)孔鉆進(jìn)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(qiáng)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(hù)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(hù)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(jìn)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(jī)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(jī)。 該鉆機(jī)是一種低轉(zhuǎn)速、大扭矩、能夠鉆進(jìn)大直徑的全液壓鉆機(jī),可用牙輪鉆頭、潛孔鉆進(jìn)、人造金剛石復(fù)合片等鉆進(jìn)工藝,完全可滿足本工程水平孔鉆進(jìn)的工期及質(zhì)量需要。 本工程選擇了HW-4型鉆機(jī)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(dá)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(dá)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī),采用一次性導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法的技術(shù)方案,鉆桿采用Φ108×8mm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(jìn)。 水平凍結(jié)孔偏斜的原因取決于:鉆進(jìn)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(jìn)糾偏水平角;鉆孔開孔仰角=設(shè)計仰(俯)角±鉆進(jìn)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(qiáng)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(jìn)為宜。 (7)采用低泵壓、小水量、慢轉(zhuǎn)速,并加強(qiáng)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(jìn)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(jìn)過程中采用“有線儀器導(dǎo)向,一次性跟管鉆進(jìn)”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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn),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2004年5月18日~5月25日進(jìn)行了水平鉆孔實驗,5月26日正式水平凍結(jié)孔的開鉆,到2005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(jī)的定位、一開、二開、鉆進(jìn)、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2005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(jìn)行并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益,達(dá)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(xiàn)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(jìn)[J].西部探礦工程,2004(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,2005,5(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.
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(jī)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(jī)。 該鉆機(jī)是一種低轉(zhuǎn)速、大扭矩、能夠鉆進(jìn)大直徑的全液壓鉆機(jī),可用牙輪鉆頭、潛孔鉆進(jìn)、人造金剛石復(fù)合片等鉆進(jìn)工藝,完全可滿足本工程水平孔鉆進(jìn)的工期及質(zhì)量需要。 本工程選擇了HW-4型鉆機(jī)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(dá)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(dá)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī),采用一次性導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法的技術(shù)方案,鉆桿采用Φ108×8mm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(jìn)。 水平凍結(jié)孔偏斜的原因取決于:鉆進(jìn)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(jìn)糾偏水平角;鉆孔開孔仰角=設(shè)計仰(俯)角±鉆進(jìn)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(qiáng)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(jìn)為宜。 (7)采用低泵壓、小水量、慢轉(zhuǎn)速,并加強(qiáng)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(jìn)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(jìn)過程中采用“有線儀器導(dǎo)向,一次性跟管鉆進(jìn)”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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn),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2004年5月18日~5月25日進(jìn)行了水平鉆孔實驗,5月26日正式水平凍結(jié)孔的開鉆,到2005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(jī)的定位、一開、二開、鉆進(jìn)、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2005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(jìn)行并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益,達(dá)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(xiàn)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(jìn)[J].西部探礦工程,2004(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,2005,5(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.