金橫區(qū)間4#橫通道冷凍管施工技術(shù)

古付軍

（中交四航局第一工程有限公司）

1 工程概況

金融島站至橫琴站區(qū)間4#橫通道埋深26.8m，該橫通道（與泵房合建）左（右）行線位置里程分別為DK11+385（YDK11+405），線間距17.001m。橫通道兼泵房寬為3.8m、高為4.4m，采用的是直墻圓拱結(jié)構(gòu)，泵房凈空尺寸為2.9m（深）×5.2m（長）×3.6m（寬）。該地位于華策國際大廈內(nèi)部，是原先填海造陸所產(chǎn)生，與辛契峽水道的距離大概在200m，其地層包括花崗巖石層、淤泥質(zhì)粘土層、全風(fēng)化巖層、中砂。鑒于地層滲透系數(shù)偏大的特點(diǎn)，地層加固擬采用凍結(jié)法、臺(tái)階法施工，并輔以掌子面預(yù)注漿措施。

2 凍結(jié)孔布置

對(duì)4#橫通道布置凍結(jié)孔時(shí)，需要在左、右行線隧道兩側(cè)進(jìn)行，且76 個(gè)分布在左線、40 個(gè)分布在右線，即凍結(jié)孔共116 個(gè)、總長達(dá)1105.663m。為了提升管片處的保溫功能，需要將5 排冷凍排管安裝在凍結(jié)壁上。

首先對(duì)破除的管片位置、高程進(jìn)行測(cè)量，在定位精準(zhǔn)的前提下再施工凍結(jié)孔。凍結(jié)孔開孔位置要保證將誤差控制在100mm 內(nèi)，不能接觸主筋、管片接縫、螺栓。同時(shí)管片螺栓和接縫要遠(yuǎn)離混凝土管片上的鉆孔孔口至少150mm，不得與管片接縫、螺栓和受力主筋沖突。其次需設(shè)置好防噴裝置，以避免在面對(duì)砂性土、有噴涌可能的土層發(fā)生噴涌。施工中應(yīng)避免凍結(jié)孔體積小于土體流失量，如果出現(xiàn)該現(xiàn)象，為了讓地層停止沉降，必須立刻進(jìn)行注漿作業(yè)。

其次先打透孔，檢查隧道預(yù)留口的位置是否在100mm 的合理誤差范圍內(nèi)。為了嚴(yán)格測(cè)定各個(gè)時(shí)刻內(nèi)凍結(jié)帷幕每一部分的溫度，需要添加14 個(gè)測(cè)溫孔。管片端焊接密封保證該處具有嚴(yán)密性，不可出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。需將2 個(gè)卸壓孔設(shè)置在凍結(jié)帷幕封閉范圍的左、右線中，并且將壓力表配置在每個(gè)孔上。利用該壓力表對(duì)凍結(jié)帷幕的壓力時(shí)刻進(jìn)行檢測(cè)，以便得知凍結(jié)帷幕的實(shí)況。為了讓凍結(jié)帷幕的壓力傳遞有效進(jìn)行，卸壓管的前端保持開口且分布需以梅花狀進(jìn)行。表1 為凍結(jié)孔技術(shù)參數(shù)。

表1 凍結(jié)技術(shù)參數(shù)

3 主要施工方法及工藝

3.1 水平注漿加固

于橫通道掌子面內(nèi)設(shè)6 根超前水平注漿管，利用該管道注漿，通過漿液的作用實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的預(yù)加固措施，從而提高其穩(wěn)定性。在管片上以孔口直徑最小值為110mm、終孔直徑最小值為91mm 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鉆孔。為了加強(qiáng)注漿管的穩(wěn)定性，安裝好注漿管后利用熱軋無縫鋼管（直徑108mm、壁厚5mm）進(jìn)行加固。注漿的填充率按15%計(jì)算，水灰比為1：1 的普通水泥漿作為注漿材料。

注漿壓力：注漿壓力隨管片位置遠(yuǎn)近進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)較近時(shí)不能超過0.3MPa，當(dāng)大于0.8m 時(shí)保持在0.5～1.0MPa。當(dāng)壓力提升并到達(dá)終壓后持續(xù)進(jìn)行10min 的反復(fù)、多次注漿。漿液擴(kuò)散半徑1m。

上述步驟完成后，將直徑在110mm 的檢查孔設(shè)置在拱部以及左右邊墻上，用于檢測(cè)漿液擴(kuò)散范圍內(nèi)的平均出水量。要求單孔不超過2L/d，若無誤則用M10 水泥砂漿封堵。除了針對(duì)部分易破碎區(qū)域采取前進(jìn)式注漿外，一般采用后退式注漿。注漿鉆進(jìn)期間若出現(xiàn)涌水現(xiàn)象需暫停鉆進(jìn)作業(yè)，查明成因后正確處理，待各項(xiàng)施工條件滿足要求后方可恢復(fù)注漿。

3.2 二次注漿加固

在進(jìn)行橫通道加固之前，需要進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿加固，該工序主要針對(duì)中線左右各5 環(huán)管片的外側(cè)進(jìn)行。此次注漿采取水灰比為1：1 的單漿液，壓力保持在0.5～0.6MPa，注漿流量控制在30～50L/min。

4 凍結(jié)孔施工

4.1 凍結(jié)孔施工順序

依據(jù)橫通道冷凍孔設(shè)計(jì)孔位，在主隧道管片上測(cè)量放樣出全部凍結(jié)孔孔位。為防止點(diǎn)位破壞，須用電鉆在點(diǎn)位處鉆上小孔，用大紅油漆做標(biāo)記并編上孔位號(hào)。透孔施工在前，以便根據(jù)該工序可能出現(xiàn)的偏差調(diào)整豎向、水平方向傾角的參數(shù)。為防止下層施工影響上部地層，布孔需要依據(jù)由下到上的順序進(jìn)行。

4.2 凍結(jié)孔的定位

根據(jù)凍結(jié)圖紙建立凍結(jié)孔坐標(biāo)系，以隧道腰線為X軸，橫通道中心線為Y 軸。先放樣再測(cè)量，一般利用全站儀進(jìn)行放樣。

首先根據(jù)實(shí)際里程點(diǎn)、隧道腰線、橫通道中心線這三個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，參照施工圖完成孔位放線，孔位布置一般以管片配筋圖為依據(jù)，該過程要盡量避開主筋、螺栓、管縫及鋼管片肋板。

孔位中心點(diǎn)確定后，開孔器移動(dòng)導(dǎo)軌需保持與橫通道中心線平行，然后依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙鉆孔仰俯角，利用量角器確定開孔角度，即完成凍結(jié)孔定位[1]。

4.3 凍結(jié)孔開孔及孔口密封裝置

利用配有φ130mm 金剛石取芯鉆頭的J-200 型金剛石鉆機(jī)進(jìn)行開孔，深度按300mm 控制（具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件靈活調(diào)整），預(yù)留管片厚度約5cm。巖心需要利用鋼楔楔斷，取出之后將已經(jīng)加工好的孔口管打入，設(shè)置至少4 個(gè)固定點(diǎn)，之后安裝孔口密封裝置。鉆孔每進(jìn)行一次時(shí)利用焊接的方式將鋼板添加在孔口和凍結(jié)管中間，以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

4.4 凍結(jié)孔鉆進(jìn)

⑴MD-80A 鉆機(jī)用于聯(lián)絡(luò)通道處的鉆孔，泥漿泵采用BW250，φ89×8mm 凍結(jié)管作為鉆桿而使用。此次施工中的連接方式采用套管絲扣的方法，當(dāng)接頭螺紋緊固之后利用手工電弧焊工藝。

⑵每個(gè)孔的施工條件都不一樣，所以在正式鉆進(jìn)前需要先行調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。之后把凍結(jié)管頂進(jìn)入密封裝置中，在該裝置穩(wěn)定的前提下將孔口管處的大球閥打開，再對(duì)管片施工，取芯完成便更換一般鉆頭，持續(xù)向下鉆進(jìn)，直至滿足孔深要求為止。

⑶以無水鉆進(jìn)的方法為宜。該法能有效緩解水土流失問題，避免出現(xiàn)地面及隧道大范圍沉降的情況。遇鉆進(jìn)難度較大的地段時(shí)，在鉆頭處增設(shè)單向閥門，轉(zhuǎn)為帶水鉆進(jìn)的方法。當(dāng)不斷推進(jìn)到設(shè)計(jì)深度后沖洗單向閥、密封管。

⑷鉆進(jìn)期間加強(qiáng)觀察，若存在水土流失現(xiàn)象則利用旁通閥對(duì)土體補(bǔ)壓漿。

⑸鉆進(jìn)期間做好密切的監(jiān)測(cè)工作，若存在孔偏斜問題及時(shí)糾偏，盡可能減小誤差；凍結(jié)管下放好之后再次測(cè)量其長度，據(jù)此完成鉆孔偏斜圖的繪制，以便分析。

⑹對(duì)于隧道預(yù)留口用透孔進(jìn)行檢驗(yàn)，如果發(fā)生大于100mm 的偏差，需對(duì)凍結(jié)孔重新調(diào)整，且不能破壞凍結(jié)壁厚度。透孔鉆進(jìn)施工前將取芯鉆頭、取芯管和錐形體與鉆桿連接，碰觸對(duì)側(cè)管片時(shí)，轉(zhuǎn)為低速慢進(jìn)的作業(yè)狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)止水密封的效果，鉆孔之后開始快速推進(jìn)，以保證椎體進(jìn)入到管片開孔處[2]。

4.5 凍結(jié)管安裝

⑴凍結(jié)管的連接需要兩步，首先對(duì)接頭螺紋緊固，其次用手工電弧焊進(jìn)行焊接，而且連接方式采用絲扣。該過程保證同心度、焊接強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。凍結(jié)管的長度應(yīng)符合設(shè)計(jì)長度的要求。

⑵復(fù)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)記錄后繪制鉆孔偏斜圖，以便對(duì)前期施工質(zhì)量進(jìn)行預(yù)判。集水井處凍結(jié)孔的終孔間距在1600mm 內(nèi)，如果發(fā)生超過上限值的情況，可以通過延長凍結(jié)時(shí)間或者補(bǔ)孔的方式進(jìn)行補(bǔ)救。

⑶打壓試漏需要凍結(jié)管長度和偏斜檢測(cè)結(jié)果符合實(shí)際要求之后進(jìn)行，而且壓力保持在0.8MPa 內(nèi)，隨時(shí)檢測(cè)壓力值并確定損失量，要求前15min 的損失量在0.05MPa 以內(nèi)，后30min 壓力維持穩(wěn)定。如果試壓不符合要求，需要先將凍結(jié)管拔出，再次鉆孔或下套管。

⑷在確保凍結(jié)管安裝無誤后向其中下供液管，再焊接端蓋和去、回路羊角。

4.6 泵房部位鉆孔施工控制

泵房部位凍結(jié)孔的施工主要受泵房部位中粗砂層及底部巖石層的影響。砂層處與海側(cè)海水相連，橫通道泵房部位承壓水壓力大，在隧道管片注漿口試鉆小孔時(shí)出現(xiàn)高壓水柱現(xiàn)象。為減少凍結(jié)管施工過程中受到承壓水及砂層噴涌影響，在每個(gè)孔位處先安裝孔口管和旁通閥，確保鉆孔過程中整個(gè)盾構(gòu)隧道的安全。在泵房底冷凍管鉆進(jìn)過程中，鉆頭處受水壓影響經(jīng)常涌入砂粒，在鉆進(jìn)過程中管內(nèi)外砂粒不斷與冷凍管壁摩擦，使鋼管壁厚變薄，在鉆至微風(fēng)化巖石面時(shí)鉆進(jìn)慢且鉆機(jī)力度大，鉆桿在巖層鉆進(jìn)過程中晃動(dòng)過大，由于隧道管片處孔位固定，造成管片處扭矩大。在主隧道右側(cè)施工冷凍管時(shí)，靠近大里程側(cè)的冷凍管鉆孔受砂層及巖石層的影響，在鉆進(jìn)過程中已磨損壞3 條鉆桿，須重新鉆孔，嚴(yán)重影響冷凍孔完成時(shí)間，造成冷凍帷幕時(shí)間推后。為把控節(jié)點(diǎn)時(shí)間，對(duì)鉆孔工藝進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)工藝如下：

⑴更換更加耐磨的復(fù)合片金鋼鉆頭。

⑵循環(huán)泥漿的比重加大，選用納基膨潤土。

⑶電焊工焊接絲扣時(shí)預(yù)留5mm 縫隙，焊接電流由105A 增加至120A 左右，使焊接更加飽滿，增加焊接強(qiáng)度。

⑷焊接好的接頭，停頓5min 左右使其自然冷卻，避免淬火造成的焊接強(qiáng)度下降。

⑸鉆孔至巖層，降低鉆速，鉆動(dòng)扭矩增大時(shí)來回抽動(dòng)鉆桿，勻速進(jìn)尺。

⑹遇水壓較大的砂層增加一套密封裝置。

⑺更改89×8mm 鉆桿公母絲連接方式為雙內(nèi)絲加連接絲方式，增強(qiáng)公母絲絲扣連接點(diǎn)強(qiáng)度，減少斷管現(xiàn)象。

經(jīng)過改進(jìn)，成孔速度大大提升，每天的鉆孔完成數(shù)量超過了預(yù)定的計(jì)劃目標(biāo)，追趕上了耽擱的時(shí)間，并提前5 天完成左右線冷凍管的全部鉆孔施工，為橫通道凍結(jié)提供更寬裕的凍結(jié)時(shí)間。

5 結(jié)語

經(jīng)對(duì)凍結(jié)效果進(jìn)行分析，冷凍管的設(shè)計(jì)布局及施工進(jìn)度達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目的，橫通道及泵房高承壓水部位的開挖及混凝土澆注工作比原施工進(jìn)度計(jì)劃提前了10多天，為主隧道無砟道床及軌道鋪設(shè)提供了良好的條件。