长距离水平冻结孔施工在地铁联络通道施工中的应用

长距离水平冻结孔施工在地铁联络通道施工中的应用

孙凡皓司磊张志彬万超吴波

中交隧道工程局南京分公司南京210000

摘要:福州市地铁二号线紫阳站—五里亭站盾构区间联络通道线间距为66.046m，采用双侧冻结法施工，单侧水平冻结孔长达37m，地质条件复杂，地下水文丰富，施工难度大。通过对该工程特点，在设备选取、冻结孔钻进、纠偏等方面采取措施，解决了长距离水平冻结孔施工精确度难以控制的难题。

关键词:联络通道双侧冻结水平冻结孔

0引言

日本1962年首次在大阪市应用冻结法安全建成一个过河隧道，至今大约有340多项冻结工程，主要用于隧道、地铁、污水道工程等困难和特殊条件下的各类工程，其中最大的一项工程是80年代建设的东京地铁10号线和11号线冻结工程，在日本桥川河下施工，其冻结改良土体达37000m3，水平冻结长度47m，共计水平冻结管总长度达13750m。1998年在北京地铁国贸站隧道进行的45m水平冻结加固的成功标志我国水平地层冻结施工进入城市地下工程的一个新阶段；之后上海、广州、深圳等地铁联络通道也相继使用了地层冻结法。地层冻结技术已全面进入我国城市地下工程领域。福州市地铁二号线紫阳站—五里亭站盾构区间联络通道线间距为66.046m，单侧水平冻结孔长达37m，水平孔数为201根，总长度为3332.9m，偏斜控制要求250%以内，精确度要求高，孔数多，施工难度大。

1工程概况

紫五区间联络通道及泵站长度为66.046m，埋深18.8m；位于五里亭立交西侧，贯穿五里亭立交桥墩基础，联络通道距临近桩基最近处约6.4m，钻孔主要地质为：<2-4-4>淤泥夹砂、<2-5>(含泥)中细砂。位于联络通道及泵站上方的管线有：通信、电力、自来水、燃气及雨污水等市政管线，左侧上方有多处浅基础老旧建筑物。地面环境控制要求高。

2冻结孔成孔风险

冻结孔的成孔精度是冻结施工能否成功的关键之一。地下工程长距离水平冻结多采用双向钻孔布设冻结管。一旦成孔精度不能保证，冻结管的相互搭接处可能出现“开天窗”状态，导致冻结效果不佳甚至引发工程事故。

故此，冻结孔施工中，钻头、钻具及钻机设备的选型及优化，钻进过程中的导向及纠偏，钻孔工艺的优化等极为重要。

水平冻结孔钻孔施工工序较为复杂，是冻结法施工的难点之一，其施工质量的好坏也直接关系着后期积极冻结的冷冻效果，因此其施工质量是冷冻法施工的关键。并且水平冻结孔钻孔施工的风险等级较高，在施过程中时常伴随着大大小小的事故发生，存在较大的安全隐患，因此相应应对措施必不可少，具体如下:

1）冻结钻孔漏水涌砂

形成原因：在地铁联络通道冻结进行施工时，一般会遇到极大的地下水压力的含水砂层。在该地层施工贴近水平冻结孔，若出现钻孔漏水噴砂的问题，那么就会产生极为严重的地层下降，因此也对隧道管片以及地表建筑形成一定的耗损乃至还会发生隧道垮塌等事件。引起钻孔漏水喷砂的原因主要有：孔口管松懈以及分离、冻结管接头脱落以及孔口止水安置耗损等等。起初在对冻结孔进行施工的时候得出孔ロ管分离以及冻结管脱落、钻头逆止无效以及孔口止水装置耗损等这些问题基本没有，不过在冻结孔施工之后，因为地层千扰过大，具有极强的渗透性，极易导致塌孔抱钻，很可能出现以上情况。

措施：若由于孔口管疏松或者分离所导致诚孔口管和管片之间出现漏水的情况，那么应该立刻停止钻进，在冻结管安置一个装管卡，利用钻机促进冻结管把孔口管完全顶实，或是运用膨胀螺栓等使其孔口管进行稳固。利用棉纱将孔口管和管片的漏水位置进行赌赛，并且经过孔口管旁通实行压浆赌塞。注浆材料主要是运用化学浆液，还能够利用水泥一水玻璃浆液。在特殊的情况下，能够直接将其灌入冻结管当中若由于冻结管接头脱落以及钻头逆止无效所导致的漏水喷砂，那么能够直接进行注浆。在利用钻进的方法进行冻结的时候，能够实现预备一个可以和冻结管相互连接的注浆管接头，进而，若出现漏水的情况，就能够快速的安置好管接头，实行注浆。在用夯管法下进行冻结管同时，能够制备一个止浆塞实行堵水以及注浆。若没有，能够制备一个冻结管塞以及一載带阀门的注浆管，在发生漏水的时候，就能够运用其进行堵塞（用夯管锤把木塞夯人冻结管），并且在冻结管上焊接注浆管对其实行注浆处理。

2）冻结孔成孔偏斜过大

形成原因：冻结孔成孔最大的偏斜度在行业标准当中应该有一定的标准，该成孔偏斜过大会严重降低冻结帷幕的厚度，作为所有惟幕当中的弱点，开挖时作为最大的隐患点；冻结孔偏钭过大一般是由于在冻结孔开孔和钻孔时更好的掌控好开孔角度，没有可以根据设计角度实行开孔。

措施：开孔器安装完成之后应该详细核准开孔器的偏斜度以及开孔角度，进而更好的保证这两个角度应该符合设计需求。

钻进时，应该严格掌控钻孔的质量，钻进完成之后，应尽快对冻结孔实行相应的测斜、打压以及复测该深度钻孔偏斜要控制在200m以内，否则应补孔。

冻结孔完成之后由于及时对冻结孔实行相关的检漏实验，确保证每一个冻结孔都是密封好的、没有任何溺盐水的现象。检漏实验的时候该压力应该掌控在1．OMPa，稳定30min后则为合格。

3工程特点及重难点分析与对策

3.1主要施工风险

地质差：联络通道及泵站处土层自上而下依次为：<2-4-5>淤泥质粉细砂、<2-4-4>淤泥夹砂、<2-5>(含泥)中细砂、<3-1>粉质粘土，自稳性差，赋水性强，透水性强，地质条件差，对施工风险影响大。

周边环境复杂：位于五里亭立交西侧，贯穿五里亭立交桥墩基础，联络通道中心线距临近桩基最近处约6.4m。两条隧道上方分别有居民楼和办公楼，且管线分布较密。

水平冷冻孔精度控制困难：超长线间距，该联络通道在国内属于最长联络通道，也属于最长的冷冻法联络通道，钻孔难度大。

3.2应对措施

为保证联络通道正常有序的完成施工任务，采取以下应对措施：

⑴采用冷冻法加固土体，在开挖前召开专家节点验收会，确保冷冻效果满足开挖要求。

⑵精心组织各工序施工，各工序施工前进行工序检查，符合要求后进行下道工序施工，加强注浆加固、初期支护及二衬防水的施工质量管理。

⑶施工中安排有丰富施工经验的工程师全过程跟踪值班，第一时间解决现场出现的异常情况并按制定的应急方案实施。

⑷施工过程中加强对地面沉降、区间隧道通道附近管片收敛及开挖面附近土体位移的监测，并及时对监测数据进行分析以指导施工。

⑸施工现场准备好足够的应急物资。

⑹成立联络通道专项施工领导小组，每天对施工情况进行总结分析指导下一步施工。

⑺针对钻孔，我们在目前施工的类似地层中，采用MX-120型钻机，成功实施了单侧40米试验钻孔，并完成打压测斜试验。针对钻孔测斜，考察了国内知名测斜仪器，选定SE-1测斜仪。该测斜仪在钻进过程中能准确定位钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能调节方向的钻头（一般为楔型钻头）改变钻头的钻进方向。钻孔导向示意图如下：

图3：水平钻孔施工工艺流程图

4.2工艺流程

1）钻孔前准备

a、测放冻结孔位置：采用全站仪，用相对坐标测放冻结孔位置，开孔孔位允许偏差±50mm。

b、混凝土壁孔位开孔：开孔采用便携式取芯钻钻孔，孔径φ160mm。混凝土壁开孔不能一次打穿，预留8～10cm作为安全层。

c、埋设、安装孔口装置：孔口装置包括孔口管、孔口闸阀、球阀和密封盒。孔口管采用φ156×11mm钢管，埋设仰俯角度控制在1～2°左右，方位定好后用拉杆和膨胀螺栓固定在端壁墙上，防止钻进中松动移位。孔口管固定好后用螺栓连接球阀和密封盒。

2）二次开孔

用φ120mm金刚钻将混凝土壁剩余安全层打穿。二次开孔如出现涌砂、涌水现象，应进行孔口加固注浆。

3）钻头更换与入孔方位角和仰（俯）角调测

二次开孔后，取下金刚钻头，将组装好的钻具与钻机动力头输出轴上的异径接头（螺丝头）连接。

水平钻进中受钻具自重影响，钻具前端会产生下垂现象；钻具顺时针旋转，产生右旋力，造成钻孔偏斜，因此给定入孔水平方位角与仰（俯）角是补偿钻进偏斜、实现纠偏的措施之一。

钻孔开孔方位角=冻结管设计立位角度±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

根据试钻试验结果，施工中钻进纠偏水平角取0～±0.4°，钻进纠偏垂直角拱部取0.1～0.3°，底部取0～0.1°。

4）钻进

钻进在均匀土层中以保持快速钻进为宜，在软硬不均地层中采取低压慢转，快速给进的钻进方法。钻进应随钻定向纠偏，纠偏利用斜板平推导向的原理，通过导向仪记录偏斜角度，推断偏斜方向，同时通过导向仪确定斜板角度确定加力推进时刻，必要时可作短距离回钻平推。

水平钻孔冲洗液采用配比水：膨润土：纤维素=1000：40：8。钻进中必须保证泥浆质量和循环系统的正常，泵压应控制在0.6～1.0MPa，且不宜超过1.0MPa，泵量不宜大于30L/min。

不出现沉降。

图6：左线冻结孔及测温孔剖面布置示意图

A/F顶面冻结孔，B/G侧墙冻结孔，M/N通道底面冻结孔，R/S泵站底面冻结孔，P/Q泵站端面兜底冻结孔，X泄压孔，C/J测温孔

5）终孔注浆

钻进中，由于钻头的摆动，钻杆（管）惯性旋转的离心力，冲洗液对孔壁的不均匀冲刷与破坏，钻屑的沉积等，可能成冻结管在地下处于悬空、下支、上压等受力极不均匀状态，甚至有受到地层坍塌的动压威胁，故需要进行注浆充填。注浆浆液采用混合浆，其配比为水泥：水：膨润土=400～500：1000：25～50。冻结孔钻孔至68～70m时循环浆液即开始改为混合浆，孔深至设计深度后，停止钻进根据孔口返浆情况逐渐关闭孔口管回水阀门，继续压浆，注浆压力高于正常钻进时泵压0.2～0.4MPa，绝对泵压不得超过2.5MPa，瞬间泵压不得超过2.8MPa。混合浆液的初凝时间约8小时，终孔后20小时可进行孔口补充注浆。通过终孔注浆，达到了“充填注浆”与压密注浆的双重效果，使钢管、土层、浆体三位一体，处于一种相对稳定的状态，有效控制了地面沉降，对地下冻结管起到良好的保护作用。

6）清孔

终孔注浆结束后，及时用清水洗管，确保管内没有水泥浆沉淀和结块，防止对密封丝堵造成影响。清水洗管采用内插管倒流清洗，即将高压清水管插至孔底注水，从孔口流出。

7）安装密封丝堵

清孔结束后，安装密封丝堵。先在孔外将丝堵安装到钻杆上，转进孔底后反转安装同时退出钻杆。

8）水压试漏

安装孔底密封丝堵后要对整个冻结管的密闭性进行检测。检测采用注水试压，注水压力1.0MPa，前30分钟压力下降不超过0.05MPa，后15分钟稳压不降为合格。

5机具设备配置

5.1钻机平台的搭设

钻机平台要求搭设成可移动、升降式的平台。

5.2水平钻机的选型

采用MX-120型钻机，成功实施了单侧40米试验钻孔，并完成打压测斜试验。该钻机在国内各类垂直冻结工程打钻施工中得到很好应用，它具有体积小、重量轻、装机功率大、性能广泛、通用性强等优点，可用牙轮钻头、刮刀钻头、人造金刚石复合片钻头等钻进。

5.3钻头的选型与配置

（1）水平冻结的冻结管一般是φ108的钢管，而冻结管本身就是钻杆，为此冻结打钻的钻头选型必须与钻杆相匹配。

（2）长距离水平钻孔的施工，其钻头采用自制斜板式钻头配合有线定向钻进导向仪共同作用，该钻头的特点是钻进中偏斜小，纠偏容易。

（3）钻头的直径不能过大，一般为115mm~120mm，若钻头直径过大，纠偏容易，但钻进中出砂量多，不利于控制地表沉降；若钻头直径过小，不利于纠偏。

针对钻孔测斜，我们考察了国内知名测斜仪器，选定SE-1测斜仪。该测斜仪在钻进过程中能准确定位钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能调节方向的钻头（一般为楔型钻头）改变钻头的钻进方向

5.4泥浆循环系统的配置

泥浆系统是导向孔钻进过程中的又一关键环节，泥浆作为冷却钻头、悬浮钻屑的流动体，以膨润土及外加剂为原料按一定比例搅拌而成，不同地层对泥浆粘度有不同要求，采用马氏漏斗粘度进行测定，膨润土泥浆适宜环境PH值控制在8.5～10；粘土层中粘土有一定自稳能力，膨润土泥浆粘度在30秒左右，粉细砂层中采用进口易钻膨润土外加少量聚合物，马氏漏斗粘度控制在40秒左右。

膨润土泥浆用量一般为孔径的3～5倍，采用自制立式旋流搅拌机搅拌；泥浆流量较大，回收处理后检查粘度及PH值后循环利用。泥浆泵采用BW—250（150），一台钻机配置一台泥浆泵。

膨润土泥浆用量计算式见（4-1）：

式中：V—膨润土泥浆用量(m3）

L—表示钻孔长度(m）

R—表示钻孔直径(m）

浆液PH值控制在8～10；

6质量控制要点

6.1试验孔的打设

针对打钻过程的各工序，去调整、优化打钻过程的参数选取。

钻机性能参数：钻孔的扭距、给进力、转速；

钻头的切削直径：该参数选择时偏大，对钻进中纠偏有利，但对地层扰动大且钻进中出浆量多，不利于控制地表沉降；

钻杆的连接参数：丝扣连接形式和焊接的槽口形式，这两参数对钻杆的牢固性和密闭性起决定性作用，同时也影响着冻结管的抗扭性能；

开孔角度：水平钻进中受钻具自重影响，钻具前端会产生下垂现象；钻具顺时针旋转，产生右旋力，造成钻孔偏斜，因此给定入孔水平方位角与仰（俯）角是补偿钻进偏斜、实现纠偏的措施之一，因此在试验孔打设过程中要掌握入孔方位角和仰（俯）角参数（统称为预定纠偏角）大小；

钻进中泥浆冲洗液（终孔注浆的混合浆液）的性能参数：在水平钻进过程中，靠冲洗液进行护壁，防止塌孔和抱钻，且在钻进完成后，由于钻进过程中钻头的摆动，钻杆（管）惯性旋转的离心力，冲洗液对孔壁的不均匀冲刷与破坏，钻屑的沉积等，可能成冻结管在地下处于悬空、下支、上压等受力极不均匀状态，甚至有受到地层坍塌的动压威胁，故需要进行注浆充填。通过终孔注浆，达到了“充填注浆”与压密注浆的双重效果，使钢管、土层、浆体三位一体，处于一种相对稳定的状态，有效控制了地面沉降，对地下冻结管起到良好的保护作用。为此冲洗液的配比和终孔注浆时的泵压均是在试验孔打设过程中要掌握的重要参数；

钻进过程中出浆量观察：一是出浆量的多少，二是浆体中含砂量的高低，这是判定成孔与否及注浆量大小一个重要参数，也是判定地质情况的一个重要依据。

6.2钻进过程中的定向与纠偏

准确确定水平孔开孔孔位，控制水平孔开孔角度是保证水平孔偏斜的保证之一。由于水平孔施工是加压钻进工艺，加之钻杆下垂力影响，是影响水平孔偏斜的重要因素。故定位必须准确，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，要求开孔孔位允许偏差±50mm，孔位不得内移，导向孔倾斜1～2°左右，具体角度视现场第一个水平孔施工参数而定。

在开钻前，钻头前端安置好电子传感器，利用有线连接到电子显示器上，设置好斜板式钻头的角度。

在钻进过程中，连接传感器的引出线，通过显示器上的角度判定偏斜的方位和大小。

水平钻孔钻进中，岩粉、碎石块、碎砂易在钻具底部沉淀，造成钻孔上仰或左右偏斜，因此钻进中，第一加强冲洗液管理；第二合理控制泵压与泵量、泥浆稠度，以保证岩粉碎渣在强悬浮力的作用下冲出孔外；第三控制钻压、钻速；以保持快速钻进为宜。

钻进过程中对软硬不均地层，岩溶空洞等采取低压慢转，快速给进的钻进方法，遇有情况应慎重处理。

钻进中发现偏向、偏斜较大时及时纠偏，采用调整钻机（具）角度钻进方式进行纠偏。

6.3钻进中泥浆循环

为确保钻进过程中孔壁稳定，预防坍塌造成地表沉降，钻进过程根据出浆量调整泥浆泵压力，保持孔内压力平衡，钻孔开孔位置安装密封装置。钻进中根据土层及渗透情况调整泥浆性能，控制钻孔泥浆循环量，防止钻孔冒泥引起的地层变形，减少对上部地层扰动。

7结论与讨论

通过冻结孔水平定向钻进施工检测得知所有钻孔施工长度均符合要求。冻结管偏斜：双侧201个冻结孔偏斜率≤250％的孔占92．3％。以往冻结工程水平孔施工采取终孔后测出偏斜量，发现偏斜量过大采取补孔措施或拔出重新钻孔，无定向钻进控制措施。本工程冻结钻孔数量多、距离长、间距小且地层条件差，必须采用定向钻孔施工技术方能保证成孔质量和冻结帷幕均匀性形成的质量要求。把定向控制装置，应用到本工程水平冻结管钻进施工中，实现了水平冻结管

钻进过程中定向控制。该方法可以在钻进过程中准确测出钻头角度和方向。当出现同设计轨道差异时，能调节钻头的钻进方向，从而有效控制水平钻进的偏斜。

紫五联络通道冻结法施工的顺利实施，验证了本工程所有冻结孔打设在偏斜或密封等方面的质量。为长距离水平孔的打设积累了宝贵的经验。

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