承壓水砂層長(zhǎng)距離聯(lián)絡(luò)通道鉆孔施工工藝及風(fēng)險(xiǎn)控制研究

徐建衛(wèi)（中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100043）

1 概 況

杭州機(jī)場(chǎng)線某聯(lián)絡(luò)通道兼泵房工程位于 12-2 含礫中砂及 12-4 圓礫層中，線間距 25.413 m。聯(lián)絡(luò)通道頂覆土厚度35.79 m。設(shè)計(jì)采用水平凍結(jié)法施工。該聯(lián)絡(luò)通道周邊環(huán)境復(fù)雜，地面為官河。周邊分布有既有地鐵 6 號(hào)線，距離聯(lián)絡(luò)通道最近處水平距離僅 12 m，垂直凈距 9 m；距離某高層住宅樓（PHC 樁，深度 40 m）水平距離約 19 m。該聯(lián)絡(luò)通道全斷面位于承壓水層中，鉆孔前聯(lián)絡(luò)通道處地下水壓力監(jiān)測(cè)值達(dá)到 0.28 MPa，鉆孔施工涌水涌沙風(fēng)險(xiǎn)大，且圓礫層中長(zhǎng)距離鉆孔成孔難度大、易偏斜；周邊環(huán)境復(fù)雜，對(duì)變形控制要求高。如何控制鉆孔施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)是本工程中的難點(diǎn)所在。

2 施工準(zhǔn)備

2.1 校核聯(lián)絡(luò)通道軸線并準(zhǔn)確設(shè)置定位點(diǎn)

本工程聯(lián)絡(luò)通道處線間距達(dá) 25.413 m，且兩條隧道存在2.7° 的夾角，因此鉆孔施工前應(yīng)對(duì)聯(lián)絡(luò)通道軸線進(jìn)行準(zhǔn)確定位。并將設(shè)計(jì)凍結(jié)孔的水平鉆孔角度平行于聯(lián)絡(luò)通道軸線。

2.2 隧道管片預(yù)注漿

鉆孔施工前對(duì)聯(lián)絡(luò)通道前后各 10 環(huán)隧道管片處進(jìn)行注漿，特別是聯(lián)絡(luò)通道布置凍結(jié)孔位置的管片處。壁后注漿能夠減小凍結(jié)孔開(kāi)孔時(shí)的涌水涌沙風(fēng)險(xiǎn)。本工程聯(lián)絡(luò)通道處共布置 6 環(huán)鋼管片。鋼管片上布置注漿孔較少，因此采用圖 1所示的方式埋設(shè)注漿孔進(jìn)行管片加密注漿。具體方法為：在鋼管片格倉(cāng)內(nèi)放置一根φ50 mm × 3 mm 的無(wú)縫鋼管，鋼管外壁上設(shè)置一道止水鋼板，鋼管一端連接球閥，另外一端頂住格倉(cāng)底部肋板，并在該端管內(nèi)填充 10 cm 左右長(zhǎng)度雙快水泥。采用三根φ10 鋼筋將鋼管與鋼管片焊接固定。然后在該格倉(cāng)內(nèi)充填雙快水泥或者硫鋁酸鹽微膨脹水泥。最后將該格倉(cāng)口采用鋼板進(jìn)行滿焊封閉。安裝完成后打開(kāi)閥門采用取芯鉆機(jī)在鋼管內(nèi)對(duì)鋼管片底部鋼板進(jìn)行取芯，開(kāi)透地層后關(guān)閉球閥，連接注漿管進(jìn)行注漿。該方式可以有效避免注漿管脫落、注漿管開(kāi)孔時(shí)冒水冒砂等風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 管片壁后注漿管設(shè)置

本工程分別在左右線隧道聯(lián)絡(luò)通道處進(jìn)行預(yù)注漿，其中左線注漿 10 t，右線注漿 12 t，最大注漿壓力 0.45 MPa。注漿先采用水泥單漿液，最后采用水泥水玻璃雙漿液。

3 高承壓水砂層鉆孔施工工藝措施

3.1 凍結(jié)孔開(kāi)孔工藝

（1）在混凝土管片上凍結(jié)孔開(kāi)孔采用二次開(kāi)孔工藝。第一次開(kāi)孔采用φ121 的鉆頭，不得開(kāi)透管片，預(yù)留 5 cm 左右待孔口安裝固定完成并安裝球閥及防噴涌裝置后再進(jìn)行二次開(kāi)孔,如圖 2 所示。孔口管上加工魚(yú)鱗扣，并纏上麻絲，進(jìn)入管片長(zhǎng)度 ≥ 30 cm。在孔口管上焊接 4 塊鋼肋板，并通過(guò)膨脹螺絲將孔口管與管片固定，膨脹螺絲與鋼肋板之間焊縫連接。

圖2 混凝土管片孔口管安裝

（2）對(duì)于承壓水地層鋼管片上開(kāi)孔，其工序較為復(fù)雜，控制不當(dāng)容易導(dǎo)致涌水涌沙事故發(fā)生。

首先在孔口管安裝之前應(yīng)檢查鉆孔格倉(cāng)的密封性。如圖3 所示，將孔口管根據(jù)設(shè)計(jì)角度固定在鋼管片格倉(cāng)里，格倉(cāng)充填硫鋁酸鹽微膨脹水泥，格倉(cāng)表面滿焊一塊厚度 6 mm 的鋼板，并將鋼板與孔口管之間的環(huán)縫滿焊。

圖3 鋼管片上孔口管安裝

在二次開(kāi)孔之前，將孔口管內(nèi)填滿雙快水泥，起到固定鉆頭及增加過(guò)水通道長(zhǎng)度的作用，有利于減小二次開(kāi)孔過(guò)程中涌水涌沙風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)二次開(kāi)孔方法是安裝好球閥后采用開(kāi)孔鉆機(jī)，鉆桿前端連接取芯鉆頭進(jìn)行開(kāi)孔，但本工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)該方案存在較大隱患。特別是鉆頭頂面與鋼管片底部鋼板平面不平行時(shí)，鉆頭一側(cè)先開(kāi)透管片，此時(shí)若管片壁后注漿層較薄，地下水夾帶泥沙容易從暴露在地層一側(cè)的鉆頭與鋼管片縫隙進(jìn)入孔口管內(nèi)。水鉆扭矩較小，容易因沙粒卡鉆，導(dǎo)致拔鉆過(guò)程中涌水涌沙。因此本工程改用鉆機(jī)在鉆桿上安裝優(yōu)質(zhì)φ94 復(fù)合片取芯鉆鉆頭（石油小球片），安裝球閥和壓緊裝置后直接對(duì)鋼管片底部鋼板取芯。該方法有效避免了水鉆卡鉆及開(kāi)孔過(guò)程中涌水涌水風(fēng)險(xiǎn)。并且采用復(fù)合片取芯鉆頭取芯更為高效，采用水鉆取芯每孔約 30 min，而鉆機(jī)+復(fù)合片取芯約 8 min 左右即可完成，顯著提高了施工效率。

為減小開(kāi)孔過(guò)程中的涌水涌沙風(fēng)險(xiǎn)，每個(gè)孔鉆孔完成后均采用水泥水玻璃雙漿液進(jìn)行封孔注漿，漿液沿管片壁后擴(kuò)散一定范圍，增加了相鄰凍結(jié)孔開(kāi)孔時(shí)的注漿層厚度。

3.2 凍結(jié)孔鉆進(jìn)工藝

為防止涌水涌沙，鉆孔施工采用跟管法鉆進(jìn)，鉆機(jī)選用 MD-120A 鉆機(jī)。凍結(jié)管之間采用內(nèi)接絲+焊接連接方式。對(duì)于下部圓礫層凍結(jié)孔，為有效減小凍結(jié)管鉆進(jìn)過(guò)程中的扭矩，采用優(yōu)質(zhì)納基膨潤(rùn)土作為鉆孔循環(huán)液。12-2 含礫中砂地層承壓水壓力較大，因極易發(fā)生水土流失，鉆孔過(guò)程中盡量采用保壓鉆進(jìn)。本工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn) 12-2 含礫中砂地層保壓鉆進(jìn)過(guò)程中沙粒對(duì)盤根的磨損非常嚴(yán)重，因設(shè)計(jì)凍結(jié)孔長(zhǎng)度較長(zhǎng)（最長(zhǎng)凍結(jié)孔約 22 m），每節(jié)鉆桿鉆進(jìn)后都需重新緊固螺絲壓緊，盤根盒加工時(shí)雖進(jìn)行了加長(zhǎng)，但其磨損速度較快，一旦盤根全部磨損，將導(dǎo)致大量水土流失。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)密封裝置進(jìn)行了改進(jìn)，在壓緊裝置中增加骨架軸封，將孔口管與凍結(jié)管環(huán)向空隙的沙粒進(jìn)行阻擋，減小了盤根的磨損量，起到了很好的保壓鉆進(jìn)效果。

鉆孔結(jié)束后通過(guò)孔口管旁通閥進(jìn)行注漿，待漿液凝固后拆除球閥及壓緊裝置，并在孔口管和凍結(jié)管之間滿焊鋼環(huán)，確保孔口管和凍結(jié)管之間密封良好[2]。孔口管安裝及密封裝置如圖 4 所示。

圖4 孔口管安裝及密封裝置

4 透孔施工

承壓水地層透孔施工風(fēng)險(xiǎn)大，若控制不當(dāng)，容易導(dǎo)致接收端大量水土流失，甚至釀成事故。因此必須采取可靠措施確保透孔施工安全。特別是透孔位于鋼管片上時(shí)，在鉆桿穿透對(duì)側(cè)鋼管片時(shí)更容易發(fā)生水土流失。國(guó)內(nèi)已發(fā)生多起透孔施工不當(dāng)而導(dǎo)致事故的案例。本工程施工過(guò)程中對(duì)透孔施工風(fēng)險(xiǎn)控制采取以下工藝措施。

4.1 設(shè)置止水錐頭

透孔第一節(jié)管進(jìn)行特殊加工，將凍結(jié)管車成兩端截面同108 mm×10 mm 凍結(jié)管，中間設(shè)置一段錐形臺(tái)階，錐形臺(tái)直徑大的一端的直徑應(yīng)大于鉆頭口徑 3 mm 左右，錐形臺(tái)長(zhǎng)度約 15 cm。其目的為當(dāng)鉆頭及巖芯管穿過(guò)對(duì)側(cè)管片后，錐形臺(tái)能夠錐入對(duì)側(cè)管片孔口。實(shí)踐證明該裝置能有效起到止水效果[1]。

4.2 合理配管

自鉆頭鉆透對(duì)側(cè)管片至止水錐頭頂住對(duì)側(cè)管片期間不能停鉆加尺，否則會(huì)因停頓時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致大量水土流失，因此需合理配管。鉆機(jī)的最大有效行程為L(zhǎng)，理想工況下，當(dāng)鉆頭碰到對(duì)側(cè)管片時(shí)恰巧需要加尺，加尺長(zhǎng)度（L1）不應(yīng)小于鉆頭長(zhǎng)度（a）+巖芯管長(zhǎng)度（b）＋ 止水錐底部至巖芯管之間的凍結(jié)管長(zhǎng)度（c）之和。同時(shí)需要滿足以下條件：

L>L1>a+b+c

該工程止水錐頭至鉆頭長(zhǎng)度（a+b+c）為 1. 8 m，透孔長(zhǎng)度 19.3 m，當(dāng)鉆頭到達(dá)管片位置時(shí)配管 2×8＋1.5×2＋1.05 = 20.05 m，壓緊裝置外露 0.3 m，鉆機(jī)最大有效行程L= 2.5 m，最后配L1= 2 m 鉆桿焊接一次，直接鉆進(jìn)至止水環(huán)到達(dá)管片位置。

4.3 透孔接收端格倉(cāng)充填

當(dāng)透孔施工鉆至對(duì)側(cè)管片時(shí)，鋼管片因鉆頭摩擦發(fā)熱并有摩擦聲，此時(shí)初步判斷出孔位置，向鋼管片底部鋼板上潑水打濕，出孔點(diǎn)處會(huì)因發(fā)熱而發(fā)干，從而確定出孔位置，暫停鉆進(jìn)。

情況一：當(dāng)出孔位置在管片拼接縫處時(shí)，不得將凍結(jié)孔鉆穿管片，否則會(huì)破壞管片縫處的防水膠條，導(dǎo)致滲漏水很難控制。應(yīng)更換透孔位置重新打設(shè)。

情況二：出孔位置遠(yuǎn)離管片縫，此時(shí)應(yīng)根據(jù)凍結(jié)孔出孔位置和角度準(zhǔn)確判斷凍結(jié)孔穿出過(guò)程中鋼格倉(cāng)的肋板是否阻礙凍結(jié)管穿出。用氣割槍將阻礙凍結(jié)管穿出的鋼肋板割除。然后將格倉(cāng)用雙快水泥將格倉(cāng)充填管片厚度的 2/3。待雙快水泥凝固后將凍結(jié)管鉆出管片。該工藝增加了凍結(jié)孔穿出管片時(shí)的過(guò)水通道長(zhǎng)度，實(shí)踐中鉆出過(guò)程中有少量涌水但當(dāng)止水錐頂住管片后能完全止水或僅有少量滲水流出。此時(shí)埋設(shè)引流管將剩余 1/3 格倉(cāng)填滿，通過(guò)注膠或?qū)?cè)孔口管旁通注漿的方式即可將滲水止住。最終用鋼板將透孔穿出所占格倉(cāng)滿焊封閉。

5 鉆孔施工過(guò)程中的應(yīng)急措施

對(duì)高承壓水地層應(yīng)做好充分的應(yīng)急措施，本工程采取了以下措施。

（1）確保兩側(cè)隧道通訊暢通。可采用光纖將網(wǎng)絡(luò)布設(shè)至兩側(cè)聯(lián)絡(luò)通道工作面處，實(shí)現(xiàn)工作面 WiFi 覆蓋，同時(shí)備用一路電話線，確保網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)能夠緊急通訊溝通。一旦發(fā)生意外情況確保第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)與外界溝通。

（2）配備足夠的應(yīng)急設(shè)備、物資。常用應(yīng)急設(shè)備包括雙液注漿泵、聚氨酯齒輪泵、水泵等；應(yīng)急物資包括水泥、水玻璃、聚氨酯、麻絲、雙快水泥、水不漏、木楔、注漿閥門等等。

（3）確保應(yīng)急通道暢通。

（4）對(duì)鉆孔施工風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行梳理，并逐一采取預(yù)防和應(yīng)對(duì)措施。重點(diǎn)是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行識(shí)別，從鉆孔施工的每一步進(jìn)行進(jìn)行梳理，盡可能從工藝角度出發(fā)進(jìn)行預(yù)防。同時(shí)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)人員交底和管理，確保每一項(xiàng)措施落到實(shí)處。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)杭州機(jī)場(chǎng)線某高承壓水長(zhǎng)距離鉆孔施工實(shí)踐，對(duì)鉆孔工藝進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了保壓鉆進(jìn)并采取了多項(xiàng)措施減小了鉆孔過(guò)程中水土流失量，確保了周邊環(huán)境安全。施工過(guò)程中對(duì)既有 6 號(hào)線隧道、地表變形及管線沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果顯示鉆孔對(duì) 6 號(hào)線影響甚微，變形值不足 1 mm；地表變形及管線沉降均控制在 2 mm 以內(nèi)。