長距離水平凍結孔施工技術在廣州地鐵的應用摘 要:廣州市軌道交通三號線天河客運站折返線及風道位于廣州市天河區廣汕公路。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,凍結管單管長度達72m。而目前國內外水平凍結孔施工長度僅為62m。水平超長距(>100m)、大斷面(直徑>10m),在國內、外均無此工程先例。文章結合廣州地區氣候特點和工程地質特點,詳盡分析了水平凍結孔施工技術在廣州地鐵折返線斜穿廣汕公路和沙河立交橋的應用可行性。關鍵詞:廣州地鐵;區間隧道;水平凍結孔 折返線設計起始里程為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。凍結孔預計工程量為南端3495m、北端3490m。2 工程地質概況2.1 地質條件 區內上覆土層為第四系:基巖為酸性巖漿巖體,據鉆孔碎屑分析應為斑狀花崗巖。 凍結孔所穿土層,上部以沖~洪積砂層為主,砂層(3-2)主要為粗砂,其次為中砂、細砂、礫砂。沖積粉質黏土(4-1)次之。 隧道中、下部凍結孔所穿土層為:由花崗巖風化殘積土(5H-1)(5H-2)和全風化巖(6H)、強風化巖(7H)。殘積層與風化帶、不均勻風化現象明顯,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。 殘積土層與風化帶具有較強的透水性,遇水易軟化崩解的特征。是凍結孔鉆進中出砂量多(控制困難)、抱鉆(埋鉆)現象頻繁發生的主導因素。2.2 水文地質 廣州市區地處南亞熱帶,屬亞熱帶季風性氣候。降水量大于蒸發量,大氣降水是地下水的主要補給來源,區內穩定水位為1.25~3.10m,平均埋深為1.76m。 凍結管打設范圍內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 不良地質與特殊地質 (1)砂層。屬于富含水層,涌水量大,主要含粗紗,局部含礫石,穩定性差,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;由于風化程度不均勻性,或者有球狀風化,鉆進中難免碰上風化程度較低的硬塊,對孔斜造成較大影響。 (3)凍結孔終孔端距地面僅5.00±(最淺處),距淤泥質土(4-2)非常近。 (4)凍結管打設施工工期正處于廣州地區雨季,降水量大,是地下水補給期,不利于施工。3 工程水平凍結孔施工設計3.1 工程概況 凍結工程全長隧道147.8m,單斷面凍結管數為46個(見圖1),單根凍結管長度為72m(中間相互搭接5m)。本區段凍結孔分為南、北兩段,由南、北兩工作井內錯位對打。
3.2 凍結鉆孔施工設備 根據該工程隧道段地層復雜、巖石破碎嚴重、具有一定硬度等特點,采用HW-4型可移動升降式平臺,根據國內水平孔鉆機的情況,采用專門為打設水平孔設計的HW-4型水平液壓鉆機。 該鉆機是一種低轉速、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 水平凍結孔施工及技術方案和措施[2,3]4.1 水平凍結孔施工的技術要求和特點 水平凍結孔施工過程中:一要控制凍結鉆孔的偏斜;二要確保密封絲堵安裝的密封性能達到質量要求。 在常規豎井凍結施工規范中,偏率控制取決于深度和巖性,一般要求在表土層內的垂直鉆孔偏斜率小于3‰,到達基巖段的鉆孔偏斜率為5‰。本項目根據工期、質量和安全要求,結合國內目前水平鉆孔的技術水平,確定凍結孔偏斜率控制在10‰以內(并盡量避免向內偏斜);最大相鄰孔間距2m,必要時進行補孔;凍結管試壓管內壓力不小于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、凍結管打設方法等方面綜合考慮。水平凍結孔施工有以下特點: (1)水平凍結孔密集,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)導向孔拉管法難以實現,采用一次性導向跟管鉆進法。 (4)應使用抗電磁干擾的水平測斜儀和導向儀。本工程使用的水平鉆孔軌跡儀,精確度較高。4.2 技術方案和措施 總體方案是選用HW-4型鉆機,采用一次性導向跟管鉆進法的技術方案,鉆桿采用Φ108×8mm無縫鋼管,兼作凍結管,螺紋加焊接連接,配用110mm的削板鉆頭,泥漿循環鉆進。 水平凍結孔偏斜的原因取決于:鉆進中受鉆具自重影響,鉆具前端會產生下垂;水平鉆具順時針旋轉,產生右旋力;安裝和開孔的誤差。為確保鉆孔精度,采取了以下技術措施: (1)準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=凍結管設計方位角±鉆進糾偏水平角;鉆孔開孔仰角=設計仰(俯)角±鉆進糾偏垂直角。 (3)采用凍結管兼作鉆桿,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)通過試驗凍結孔,回歸分析鉆進中技術參數和凍結孔偏斜規律,為加快打鉆速度,保證鉆孔質量提供準確可靠的工藝參數,并依此計算出精確的凍結孔開孔角度。 (9)在基坑砼壁上開孔、埋設孔口管、導向管、密封管等措施,預防水平孔偏斜。 (10)鉆進過程中采用“有線儀器導向,一次性跟管鉆進”這種新工法打設超長水平凍結孔。(11)采用削板式鉆頭。5 凍結孔施工中的風險及處理 凍結孔施工中存在的風險主要有: (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個方面的風險,所采取的解決辦法及工程技術措施如下: (1)水平凍結孔施工是凍結施工中的技術關鍵,也關系到凍結工程的成敗。72m長的水平凍結孔國內外沒有先例,但是在工程結束時,所有凍結孔均具備所要求的技術水平,且最大偏斜率均小于設計規范10‰。 (2)通過孔口管側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,發現地下水、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到位,將孔口管與砼壁相連接,并按好閘閥,然后關閉閘閥。 (4)在鉆頭處安裝單向閥,可以正向從鉆桿內通入泥漿進行,在不供泥漿時,單向閥自動關閉,避免地層中的水土逆向涌出,從而防止正常鉆進涌水、涌泥;根據地層穩定情況,在孔口管和密封裝置之間安裝6分閘閥,必要時關閉;在軟土層中可實現不循環鉆進,控制水土流失;在鉆桿打設完成后,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。其作用可固定凍結管,堵住孔口的涌泥通道;注漿漿液注入鉆孔環狀斷面內,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 水平凍結孔施工的結果 水平凍結孔自2004年5月18日~5月25日進行了水平鉆孔實驗,5月26日正式水平凍結孔的開鉆,到2005年5月13日工程結束,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個月及協調所用工期外,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,使施工順利的進行并取得了良好的經濟和社會效益,達到了預期的效果。7 結束語 對于廣州地鐵三號線水平凍結孔的打設,經過長時間的理論論證,最后決定采用凍結管代替鉆桿一次性成孔的方案,長距離水平凍結孔的打設在折返線斜穿廣汕公路和沙河立交橋的成功應用,在國內外都尚屬首次。 長距離水平凍結孔施工工藝及技術措施經過在廣州地鐵的應用,積累了寶貴的經驗,為以后打設更長距離的水平凍結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孔的鉆進[J].西部探礦工程,2004(2):103,113.2 張景鈺,方江華,汪仁和.水平凍結法在上海地鐵隧道旁通道工程的應用[J].淮南職業技術學院學報,2005,5(1):25-27.3 付文會,胥 剛,儲風春.凍結造孔施工工藝探討[J].淮南職業技術學院學報,2006,6(1):28-31.
3.2 凍結鉆孔施工設備 根據該工程隧道段地層復雜、巖石破碎嚴重、具有一定硬度等特點,采用HW-4型可移動升降式平臺,根據國內水平孔鉆機的情況,采用專門為打設水平孔設計的HW-4型水平液壓鉆機。 該鉆機是一種低轉速、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 水平凍結孔施工及技術方案和措施[2,3]4.1 水平凍結孔施工的技術要求和特點 水平凍結孔施工過程中:一要控制凍結鉆孔的偏斜;二要確保密封絲堵安裝的密封性能達到質量要求。 在常規豎井凍結施工規范中,偏率控制取決于深度和巖性,一般要求在表土層內的垂直鉆孔偏斜率小于3‰,到達基巖段的鉆孔偏斜率為5‰。本項目根據工期、質量和安全要求,結合國內目前水平鉆孔的技術水平,確定凍結孔偏斜率控制在10‰以內(并盡量避免向內偏斜);最大相鄰孔間距2m,必要時進行補孔;凍結管試壓管內壓力不小于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、凍結管打設方法等方面綜合考慮。水平凍結孔施工有以下特點: (1)水平凍結孔密集,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)導向孔拉管法難以實現,采用一次性導向跟管鉆進法。 (4)應使用抗電磁干擾的水平測斜儀和導向儀。本工程使用的水平鉆孔軌跡儀,精確度較高。4.2 技術方案和措施 總體方案是選用HW-4型鉆機,采用一次性導向跟管鉆進法的技術方案,鉆桿采用Φ108×8mm無縫鋼管,兼作凍結管,螺紋加焊接連接,配用110mm的削板鉆頭,泥漿循環鉆進。 水平凍結孔偏斜的原因取決于:鉆進中受鉆具自重影響,鉆具前端會產生下垂;水平鉆具順時針旋轉,產生右旋力;安裝和開孔的誤差。為確保鉆孔精度,采取了以下技術措施: (1)準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=凍結管設計方位角±鉆進糾偏水平角;鉆孔開孔仰角=設計仰(俯)角±鉆進糾偏垂直角。 (3)采用凍結管兼作鉆桿,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)通過試驗凍結孔,回歸分析鉆進中技術參數和凍結孔偏斜規律,為加快打鉆速度,保證鉆孔質量提供準確可靠的工藝參數,并依此計算出精確的凍結孔開孔角度。 (9)在基坑砼壁上開孔、埋設孔口管、導向管、密封管等措施,預防水平孔偏斜。 (10)鉆進過程中采用“有線儀器導向,一次性跟管鉆進”這種新工法打設超長水平凍結孔。(11)采用削板式鉆頭。5 凍結孔施工中的風險及處理 凍結孔施工中存在的風險主要有: (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個方面的風險,所采取的解決辦法及工程技術措施如下: (1)水平凍結孔施工是凍結施工中的技術關鍵,也關系到凍結工程的成敗。72m長的水平凍結孔國內外沒有先例,但是在工程結束時,所有凍結孔均具備所要求的技術水平,且最大偏斜率均小于設計規范10‰。 (2)通過孔口管側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,發現地下水、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到位,將孔口管與砼壁相連接,并按好閘閥,然后關閉閘閥。 (4)在鉆頭處安裝單向閥,可以正向從鉆桿內通入泥漿進行,在不供泥漿時,單向閥自動關閉,避免地層中的水土逆向涌出,從而防止正常鉆進涌水、涌泥;根據地層穩定情況,在孔口管和密封裝置之間安裝6分閘閥,必要時關閉;在軟土層中可實現不循環鉆進,控制水土流失;在鉆桿打設完成后,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。其作用可固定凍結管,堵住孔口的涌泥通道;注漿漿液注入鉆孔環狀斷面內,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 水平凍結孔施工的結果 水平凍結孔自2004年5月18日~5月25日進行了水平鉆孔實驗,5月26日正式水平凍結孔的開鉆,到2005年5月13日工程結束,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個月及協調所用工期外,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,使施工順利的進行并取得了良好的經濟和社會效益,達到了預期的效果。7 結束語 對于廣州地鐵三號線水平凍結孔的打設,經過長時間的理論論證,最后決定采用凍結管代替鉆桿一次性成孔的方案,長距離水平凍結孔的打設在折返線斜穿廣汕公路和沙河立交橋的成功應用,在國內外都尚屬首次。 長距離水平凍結孔施工工藝及技術措施經過在廣州地鐵的應用,積累了寶貴的經驗,為以后打設更長距離的水平凍結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孔的鉆進[J].西部探礦工程,2004(2):103,113.2 張景鈺,方江華,汪仁和.水平凍結法在上海地鐵隧道旁通道工程的應用[J].淮南職業技術學院學報,2005,5(1):25-27.3 付文會,胥 剛,儲風春.凍結造孔施工工藝探討[J].淮南職業技術學院學報,2006,6(1):28-31.
