长距离水平冻结孔施工技术在广州地铁的应用摘 要:广州市轨道交通三号线天河客运站折返线及风道位于广州市天河区广汕公路。折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥。折返线隧道为五心圆拱双线隧道,长为147.8m,冻结管单管长度达72m。而目前国内外水平冻结孔施工长度仅为62m。水平超长距(>100m)、大断面(直径>10m),在国内、外均无此工程先例。文章结合广州地区气候特点和工程地质特点,详尽分析了水平冻结孔施工技术在广州地铁折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥的应用可行性。关键词:广州地铁;区间隧道;水平冻结孔 折返线设计起始里程为SK0+102.60,终点里程支SK0+250.40,长为147.8m,双线隧道净断面为马蹄形,隧道净高9146mm,净宽11400mm。冻结孔预计工程量为南端3495m、北端3490m。2 工程地质概况2.1 地质条件 区内上覆土层为第四系:基岩为酸性岩浆岩体,据钻孔碎屑分析应为斑状花岗岩。 冻结孔所穿土层,上部以冲~洪积砂层为主,砂层(3-2)主要为粗砂,其次为中砂、细砂、砾砂。冲积粉质黏土(4-1)次之。 隧道中、下部冻结孔所穿土层为:由花岗岩风化残积土(5H-1)(5H-2)和全风化岩(6H)、强风化岩(7H)。残积层与风化带、不均匀风化现象明显,钻进中所能见到的最大碎屑粒径为3.7mm。碎屑成分以长石为主,石英次之。 残积土层与风化带具有较强的透水性,遇水易软化崩解的特征。是冻结孔钻进中出砂量多(控制困难)、抱钻(埋钻)现象频繁发生的主导因素。2.2 水文地质 广州市区地处南亚热带,属亚热带季风性气候。降水量大于蒸发量,大气降水是地下水的主要补给来源,区内稳定水位为1.25~3.10m,平均埋深为1.76m。 冻结管打设范围内的地下水为第四系空隙水。储存条件属于贫水~中等富水地层。其中沙层(3-2)为主要含水层,强透水、富水性好,渗透系数K为15m/d;(5H-2)(6H)具有一定的透水性,富水性一般。2.3 不良地质与特殊地质 (1)砂层。属于富含水层,涌水量大,主要含粗纱,局部含砾石,稳定性差,护壁困难,易坍塌;孔偏斜难控制。 (2)花岗岩残积土。全风化带,遇水易软化崩解,并且含沙量较多,对泥浆护壁形成不利影响;由于风化程度不均匀性,或者有球状风化,钻进中难免碰上风化程度较低的硬块,对孔斜造成较大影响。 (3)冻结孔终孔端距地面仅5.00±(最浅处),距淤泥质土(4-2)非常近。 (4)冻结管打设施工工期正处于广州地区雨季,降水量大,是地下水补给期,不利于施工。3 工程水平冻结孔施工设计3.1 工程概况 冻结工程全长隧道147.8m,单断面冻结管数为46个(见图1),单根冻结管长度为72m(中间相互搭接5m)。本区段冻结孔分为南、北两段,由南、北两工作井内错位对打。
3.2 冻结钻孔施工设备 根据该工程隧道段地层复杂、岩石破碎严重、具有一定硬度等特点,采用HW-4型可移动升降式平台,根据国内水平孔钻机的情况,采用专门为打设水平孔设计的HW-4型水平液压钻机。 该钻机是一种低转速、大扭矩、能够钻进大直径的全液压钻机,可用牙轮钻头、潜孔钻进、人造金刚石复合片等钻进工艺,完全可满足本工程水平孔钻进的工期及质量需要。 本工程选择了HW-4型钻机4台,保证了折返线隧道能在同一工作面左右交叉同时施工。4 水平冻结孔施工及技术方案和措施[2,3]4.1 水平冻结孔施工的技术要求和特点 水平冻结孔施工过程中:一要控制冻结钻孔的偏斜;二要确保密封丝堵安装的密封性能达到质量要求。 在常规竖井冻结施工规范中,偏率控制取决于深度和岩性,一般要求在表土层内的垂直钻孔偏斜率小于3‰,到达基岩段的钻孔偏斜率为5‰。本项目根据工期、质量和安全要求,结合国内目前水平钻孔的技术水平,确定冻结孔偏斜率控制在10‰以内(并尽量避免向内偏斜);最大相邻孔间距2m,必要时进行补孔;冻结管试压管内压力不小于1MPa,前30min压降小于0.05MPa,后15min压力无变化为合格。 钻孔偏斜控制需从钻机选型、钻具组合工艺、冻结管打设方法等方面综合考虑。水平冻结孔施工有以下特点: (1)水平冻结孔密集,偏率精度要求高。 (2)钻孔定位空间小。钻孔均在隧道的边缘,上下左右操作空间受限。 (3)导向孔拉管法难以实现,采用一次性导向跟管钻进法。 (4)应使用抗电磁干扰的水平测斜仪和导向仪。本工程使用的水平钻孔轨迹仪,精确度较高。4.2 技术方案和措施 总体方案是选用HW-4型钻机,采用一次性导向跟管钻进法的技术方案,钻杆采用Φ108×8mm无缝钢管,兼作冻结管,螺纹加焊接连接,配用110mm的削板钻头,泥浆循环钻进。 水平冻结孔偏斜的原因取决于:钻进中受钻具自重影响,钻具前端会产生下垂;水平钻具顺时针旋转,产生右旋力;安装和开孔的误差。为确保钻孔精度,采取了以下技术措施: (1)准确确定水平孔开孔孔位(偏差≤±50mm),控制水平孔开孔角度是保证水平孔偏斜的保证。 (2)给出水平方位角与仰俯角以合理的纠偏值:钻孔开孔方位角=冻结管设计方位角±钻进纠偏水平角;钻孔开孔仰角=设计仰(俯)角±钻进纠偏垂直角。 (3)采用冻结管兼作钻杆,非但增加了钻杆的钢度,而且直径的抗弯钢度也有所增加。 (4)采用螺纹连接确保钻杆连接的同心度,同时接口加焊,既确保密封性能又增加接口钢度。 (5)控制泵压与泵量、泥浆稠度,以保证岩粉碎渣在强悬浮力的作用下冲出孔外。 (6)控制钻压、钻速;以保持快速钻进为宜。 (7)采用低泵压、小水量、慢转速,并加强孔口密封装置,尽量减少地下水和砂流出。 (8)通过试验冻结孔,回归分析钻进中技术参数和冻结孔偏斜规律,为加快打钻速度,保证钻孔质量提供准确可靠的工艺参数,并依此计算出精确的冻结孔开孔角度。 (9)在基坑砼壁上开孔、埋设孔口管、导向管、密封管等措施,预防水平孔偏斜。 (10)钻进过程中采用“有线仪器导向,一次性跟管钻进”这种新工法打设超长水平冻结孔。(11)采用削板式钻头。5 冻结孔施工中的风险及处理 冻结孔施工中存在的风险主要有: (1)长距离水平施工; (2)钻进过程中涌水和涌沙; (3)开孔时,地下水或地层泥砂大量涌出; (4)钻进中,地下水和地层泥沙大量涌出。针对以上4个方面的风险,所采取的解决办法及工程技术措施如下: (1)水平冻结孔施工是冻结施工中的技术关键,也关系到冻结工程的成败。72m长的水平冻结孔国内外没有先例,但是在工程结束时,所有冻结孔均具备所要求的技术水平,且最大偏斜率均小于设计规范10‰。 (2)通过孔口管侧面的卸压阀观察孔口处地层压力的具体情况,判断涌沙、涌泥的可能性。决定是否进行孔口加固注浆,注浆时用泥浆泵给地层中注入水泥浆或化学浆液,待地层凝固后二次重新开孔,下管。 (3)立即停止开孔,迅速拔出开孔钻具;将孔口管立即打入孔内,发现地下水、砂压力较大时,可将回水阀打开卸压,然后快速将孔口管打设到位,将孔口管与砼壁相连接,并按好闸阀,然后关闭闸阀。 (4)在钻头处安装单向阀,可以正向从钻杆内通入泥浆进行,在不供泥浆时,单向阀自动关闭,避免地层中的水土逆向涌出,从而防止正常钻进涌水、涌泥;根据地层稳定情况,在孔口管和密封装置之间安装6分闸阀,必要时关闭;在软土层中可实现不循环钻进,控制水土流失;在钻杆打设完成后,及时利用孔口管上的旁通阀注浆,浆液选用单液水泥浆或水泥-水玻璃浆液。其作用可固定冻结管,堵住孔口的涌泥通道;注浆浆液注入钻孔环状断面内,补充流失的水土,并对地层有压密作用,起到压密注浆的作用,减少地面沉降。6 水平冻结孔施工的结果 水平冻结孔自2004年5月18日~5月25日进行了水平钻孔实验,5月26日正式水平冻结孔的开钻,到2005年5月13日工程结束,工期历时12个月。中途除去工作井未移交南北衔接不上占用3个月及协调所用工期外,纯施工速度一般1.5d完成1个孔,包括钻机的定位、一开、二开、钻进、30m前灯光测斜、终孔注浆、孔口注浆、冲孔、密封、打压试漏、终孔陀螺仪测斜等11道工序。实际完成了92个正孔计6624m,补孔1个计72m,8个水文孔计60m,8个测温孔420m,合计7176m。 本工程首次采用了孔底注浆和孔口注浆方案,通过两个方案的实施,很好的控制了路面沉降,截止2005年5月15日地面最大累计沉降10mm。采取有效的控制路面沉降的方法,使施工顺利的进行并取得了良好的经济和社会效益,达到了预期的效果。7 结束语 对于广州地铁三号线水平冻结孔的打设,经过长时间的理论论证,最后决定采用冻结管代替钻杆一次性成孔的方案,长距离水平冻结孔的打设在折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥的成功应用,在国内外都尚属首次。 长距离水平冻结孔施工工艺及技术措施经过在广州地铁的应用,积累了宝贵的经验,为以后打设更长距离的水平冻结孔施工提供了可靠的保证。参考文献1 岳 敏,蒋国盛.大连路越江隧道连接通道水平冻结孔的钻进[J].西部探矿工程,2004(2):103,113.2 张景钰,方江华,汪仁和.水平冻结法在上海地铁隧道旁通道工程的应用[J].淮南职业技术学院学报,2005,5(1):25-27.3 付文会,胥 刚,储风春.冻结造孔施工工艺探讨[J].淮南职业技术学院学报,2006,6(1):28-31.
3.2 冻结钻孔施工设备 根据该工程隧道段地层复杂、岩石破碎严重、具有一定硬度等特点,采用HW-4型可移动升降式平台,根据国内水平孔钻机的情况,采用专门为打设水平孔设计的HW-4型水平液压钻机。 该钻机是一种低转速、大扭矩、能够钻进大直径的全液压钻机,可用牙轮钻头、潜孔钻进、人造金刚石复合片等钻进工艺,完全可满足本工程水平孔钻进的工期及质量需要。 本工程选择了HW-4型钻机4台,保证了折返线隧道能在同一工作面左右交叉同时施工。4 水平冻结孔施工及技术方案和措施[2,3]4.1 水平冻结孔施工的技术要求和特点 水平冻结孔施工过程中:一要控制冻结钻孔的偏斜;二要确保密封丝堵安装的密封性能达到质量要求。 在常规竖井冻结施工规范中,偏率控制取决于深度和岩性,一般要求在表土层内的垂直钻孔偏斜率小于3‰,到达基岩段的钻孔偏斜率为5‰。本项目根据工期、质量和安全要求,结合国内目前水平钻孔的技术水平,确定冻结孔偏斜率控制在10‰以内(并尽量避免向内偏斜);最大相邻孔间距2m,必要时进行补孔;冻结管试压管内压力不小于1MPa,前30min压降小于0.05MPa,后15min压力无变化为合格。 钻孔偏斜控制需从钻机选型、钻具组合工艺、冻结管打设方法等方面综合考虑。水平冻结孔施工有以下特点: (1)水平冻结孔密集,偏率精度要求高。 (2)钻孔定位空间小。钻孔均在隧道的边缘,上下左右操作空间受限。 (3)导向孔拉管法难以实现,采用一次性导向跟管钻进法。 (4)应使用抗电磁干扰的水平测斜仪和导向仪。本工程使用的水平钻孔轨迹仪,精确度较高。4.2 技术方案和措施 总体方案是选用HW-4型钻机,采用一次性导向跟管钻进法的技术方案,钻杆采用Φ108×8mm无缝钢管,兼作冻结管,螺纹加焊接连接,配用110mm的削板钻头,泥浆循环钻进。 水平冻结孔偏斜的原因取决于:钻进中受钻具自重影响,钻具前端会产生下垂;水平钻具顺时针旋转,产生右旋力;安装和开孔的误差。为确保钻孔精度,采取了以下技术措施: (1)准确确定水平孔开孔孔位(偏差≤±50mm),控制水平孔开孔角度是保证水平孔偏斜的保证。 (2)给出水平方位角与仰俯角以合理的纠偏值:钻孔开孔方位角=冻结管设计方位角±钻进纠偏水平角;钻孔开孔仰角=设计仰(俯)角±钻进纠偏垂直角。 (3)采用冻结管兼作钻杆,非但增加了钻杆的钢度,而且直径的抗弯钢度也有所增加。 (4)采用螺纹连接确保钻杆连接的同心度,同时接口加焊,既确保密封性能又增加接口钢度。 (5)控制泵压与泵量、泥浆稠度,以保证岩粉碎渣在强悬浮力的作用下冲出孔外。 (6)控制钻压、钻速;以保持快速钻进为宜。 (7)采用低泵压、小水量、慢转速,并加强孔口密封装置,尽量减少地下水和砂流出。 (8)通过试验冻结孔,回归分析钻进中技术参数和冻结孔偏斜规律,为加快打钻速度,保证钻孔质量提供准确可靠的工艺参数,并依此计算出精确的冻结孔开孔角度。 (9)在基坑砼壁上开孔、埋设孔口管、导向管、密封管等措施,预防水平孔偏斜。 (10)钻进过程中采用“有线仪器导向,一次性跟管钻进”这种新工法打设超长水平冻结孔。(11)采用削板式钻头。5 冻结孔施工中的风险及处理 冻结孔施工中存在的风险主要有: (1)长距离水平施工; (2)钻进过程中涌水和涌沙; (3)开孔时,地下水或地层泥砂大量涌出; (4)钻进中,地下水和地层泥沙大量涌出。针对以上4个方面的风险,所采取的解决办法及工程技术措施如下: (1)水平冻结孔施工是冻结施工中的技术关键,也关系到冻结工程的成败。72m长的水平冻结孔国内外没有先例,但是在工程结束时,所有冻结孔均具备所要求的技术水平,且最大偏斜率均小于设计规范10‰。 (2)通过孔口管侧面的卸压阀观察孔口处地层压力的具体情况,判断涌沙、涌泥的可能性。决定是否进行孔口加固注浆,注浆时用泥浆泵给地层中注入水泥浆或化学浆液,待地层凝固后二次重新开孔,下管。 (3)立即停止开孔,迅速拔出开孔钻具;将孔口管立即打入孔内,发现地下水、砂压力较大时,可将回水阀打开卸压,然后快速将孔口管打设到位,将孔口管与砼壁相连接,并按好闸阀,然后关闭闸阀。 (4)在钻头处安装单向阀,可以正向从钻杆内通入泥浆进行,在不供泥浆时,单向阀自动关闭,避免地层中的水土逆向涌出,从而防止正常钻进涌水、涌泥;根据地层稳定情况,在孔口管和密封装置之间安装6分闸阀,必要时关闭;在软土层中可实现不循环钻进,控制水土流失;在钻杆打设完成后,及时利用孔口管上的旁通阀注浆,浆液选用单液水泥浆或水泥-水玻璃浆液。其作用可固定冻结管,堵住孔口的涌泥通道;注浆浆液注入钻孔环状断面内,补充流失的水土,并对地层有压密作用,起到压密注浆的作用,减少地面沉降。6 水平冻结孔施工的结果 水平冻结孔自2004年5月18日~5月25日进行了水平钻孔实验,5月26日正式水平冻结孔的开钻,到2005年5月13日工程结束,工期历时12个月。中途除去工作井未移交南北衔接不上占用3个月及协调所用工期外,纯施工速度一般1.5d完成1个孔,包括钻机的定位、一开、二开、钻进、30m前灯光测斜、终孔注浆、孔口注浆、冲孔、密封、打压试漏、终孔陀螺仪测斜等11道工序。实际完成了92个正孔计6624m,补孔1个计72m,8个水文孔计60m,8个测温孔420m,合计7176m。 本工程首次采用了孔底注浆和孔口注浆方案,通过两个方案的实施,很好的控制了路面沉降,截止2005年5月15日地面最大累计沉降10mm。采取有效的控制路面沉降的方法,使施工顺利的进行并取得了良好的经济和社会效益,达到了预期的效果。7 结束语 对于广州地铁三号线水平冻结孔的打设,经过长时间的理论论证,最后决定采用冻结管代替钻杆一次性成孔的方案,长距离水平冻结孔的打设在折返线斜穿广汕公路和沙河立交桥的成功应用,在国内外都尚属首次。 长距离水平冻结孔施工工艺及技术措施经过在广州地铁的应用,积累了宝贵的经验,为以后打设更长距离的水平冻结孔施工提供了可靠的保证。参考文献1 岳 敏,蒋国盛.大连路越江隧道连接通道水平冻结孔的钻进[J].西部探矿工程,2004(2):103,113.2 张景钰,方江华,汪仁和.水平冻结法在上海地铁隧道旁通道工程的应用[J].淮南职业技术学院学报,2005,5(1):25-27.3 付文会,胥 刚,储风春.冻结造孔施工工艺探讨[J].淮南职业技术学院学报,2006,6(1):28-31.
