隧洞工程水平孔凍結中水平孔施工研究論文

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摘要：本文結合作者參與的隧洞施工過程的項目案例，主要介紹了水平孔凍結法的基本原理，并結合相應的過程重點研究了水平孔布設及施工工藝，并對水平孔的施工質量控制措施進行了探討。

關鍵詞：水平孔；施工技術；隧洞

隧洞工程水平凍結技術中的水平孔的鉆進首先是鉆孔設備的選擇與布置，由于是在垂直方向上施工水平鉆孔，因此，鉆孔設備需作上下和水平方向的移動。其次，水平鉆孔的形式分幾種：有實現跟管鉆進。就是利用凍結管作鉆桿一次到位；利用下套管進行水平孔鉆進，當孔鉆成后再把凍結管下入到水平孔內。具體使用哪種方法進行施工要視施工條件和環境。

1工程概況

1.1工程地質概況

某水下隧道旁通道水平凍結加固工程是該隧道中的連接通道共兩個，相距愈400m，位于所跨河流流域底下，隧道中心間距為28m，隧道間高差1.1m，通道凈距約18m。

工程地段上層自上而下為：

（1）淤泥，含煤屑、石塊等厚度約0.5-2.0m，層底標高-6.2-9.609m；

（2）灰色淤泥質粉質粘土：厚2.0m，層底標高終-12m，流塑、高壓縮性；

（3）灰色淤泥質粘土：厚5m，層底標高約-12m，流塑、高壓縮性；

（4）灰色粘土：厚1-5m，層底標高14-16m，流塑-軟塑，高壓縮性；

（5）灰色粘土：厚約1-5mm，層底標高-15-18m，流塑-軟塑，高壓縮性；

（6）灰色粉質粘土：厚約2-4.5m，層底標高:-18.6-19m，軟塑-可塑，中壓縮性；

（7）暗綠色-草黃色粘土，厚約4.5-6m，層底標高-21--25m，可塑-硬塑，中壓縮性；

（8）草黃色粉細砂，濕、密實、中壓縮性。

1.2施工方案選擇

根據上述施工條件，并結合地鐵旁通道施工經驗，經技術經濟比較，擬采用“水平孔凍結加固土體，隧道內開挖構筑”的施工方案，即：在隧道內利用水平孔凍結加固地層，使連接通道外圍土體凍結，形成強度高，封閉性好的凍上帷幕，然后根據“新奧法”的基本原理，在凍土中采用礦山法進行連接通道的開挖構筑施工，地層凍結和開挖構筑施工均在區間隧道進行。

根據本工程兩條隧道間的連接通道施工凈距均較短，故設計者選擇連接通道從西線隧道向東線隧道施工水平孔，采用全深凍結，然后開挖、做結構。

2水平孔施工工藝

2.1準備工作

用厚6cm的木板在連接通道處鋪設凍結鉆孔施工場地，按不同位置的凍結孔鉆進要求，用2〃鋼管搭建凍結孔施工腳手架；

在隧道內敷設一條50mm2動力電纜，用于凍結鉆孔施工及隧道內凍結系統安裝供電；

在隧道內鋪設一趟2〃管路至連接通道施工工作面，用于凍結孔打鉆供水和排污；

在連接通道施工工作面兩端砌高約0.25m的泥漿擋墻，以免凍結孔鉆進時泥漿四溢影響隧道內環境整潔。

由該通道段地質條件和施工特點，故選擇目前國內水平鉆進能力較大的MKD-5S型全液壓鉆機，該鉆機在國內各類水平孔工程施工中得到很好應用。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、刮刀鉆頭、人造金剛石復合片鉆頭等鉆進。

2.2水平孔開孔

（1）開孔

將金剛石鉆機用地腳螺栓固定在隧道管片上，并用經緯儀測量，使機上鉆頭的中軸線與凍結孔的中軸線重合，開動鉆機，待進尺距打穿管片深度相差約8-10cm時停止打鉆，安裝孔口管等孔口密封、防噴裝置，安裝完畢確認無誤后，將金剛石鉆機上的鉆頭改為Φ115mm鉆頭，將管片打穿，及時關閉孔口閥門，并打開孔口管側面的卸壓(注漿)閥門，觀察孔口管內的砂水涌出情況，判斷孔內發生涌沙、涌水事故的幾率。決定是否進行孔口加固注漿，為凍結管下入作好準備。

（2）穿孔

在Φ108mm凍結管前配上Φ108mm巖心管一段，長度L≥60cm，并配Φ115mm金剛石取芯鉆頭，在下管過程中，一旦鉆頭觸及對面洞壁，馬上改用回轉鉆進工藝鉆進，用清水冷卻鉆頭，開始按取芯的有關規定操作鉆機。

2.3水平孔施工

（1）凍結孔孔位、孔徑與孔深

根據業主甲方提供的施工基準點，按凍結孔施工圖布置凍結孔，在布置凍結孔位時，要盡量避開管片主筋，孔位偏差一般應不大于l0mm。凍結孔開孔用Φ140mm的金剛石取芯鉆頭鉆進。

內排凍結孔實際鉆進深度以碰到對面隧道管片為準；外排凍結孔實際鉆進深度以設計深度為準。

（2）鉆孔偏斜和終孔間距

鉆孔的偏斜應控制在1%以內，在確保凍土帷幕厚度的情況下，終孔間距內排凍結孔不得大于1.2m，外排凍結孔不得大于1.4m，否則應補孔。

（3）水平孔鉆進與凍結管設置

1）使用鉆井一臺，利用凍結管作為鉆桿，凍結管采用絲扣連接，接縫要補焊，確保其同心度、連接強度和密封性能的良好；

2）鉆進過程中嚴格監測孔斜情況，發現偏斜要及時糾偏，下好凍結管后，進行凍結管長度的復測工作，然后再利用激光測斜儀進行測繪并同時繪制鉆孔偏斜圖；

3）在凍結管內下供液管，然后焊接凍結管端蓋和去、回路羊角；

4）凍結管安裝后，用堵漏材料密封凍結管與孔口管之間的間隙。

3水平孔施工的質量控制

3.1預防鉆孔漏泥冒沙

（1）涌砂、涌水

首先開孔時應預留8-10cm厚一層作為安全層，待安裝孔口裝置后，再換用Φ115mm鉆頭打穿，及時關閉孔口閥門，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并下管。

（2）穿透孔穿透面的密封

首先在鉆具和單向閥后600mn處加一個長度為200mm，外徑為Φ115-108mn，內徑和鉆桿相同的錐塞管，進行封堵管片與鉆桿之間的間隙；然后等穿透孔施工結束后，采用夾板式進行密封，用特制的夾板將麻絲等密封物強行壓入凍結管與鉆孔的環形間隙，立即用瞬凝水泥封堵孔口，確保孔口位置不發生水、砂泄漏事故。

（3）孔口管位加固注槳

在孔口管等孔口密封裝置安裝完成后，用鉆機配合Φ115mm鉆頭鉆穿預留的保險管片(5cm厚)，提出鉆具，關閉孔口密封裝置，通過孔口管旁通閥門觀察孔內涌砂、涌水情況，決定是否進行孔口管補強注漿，注漿的有關參數為:漿液:普通硅酸鹽水泥、水玻璃雙液漿。

（4）其他

在取芯開孔后，安裝帶填料密封盒的孔口管，管側裝有旁路閥門，防止孔口噴砂；在含水砂層中鉆進，其砂土會隨壓力水涌出孔口，因此從下面兩個方面采取措施：采用化學泥漿護壁和在回流旁路上增加背壓力，使鉆孔內保持一定的壓力，維護孔壁的穩定。準備相應的應急處理預案，采取無泥漿頂管法頂進凍結管，避免砂層涌砂冒砂。

3.2鉆孔防偏糾偏技術

（1）根據施工需要，設置測量基準點和基準線；

（2）準確定出鉆孔開孔孔位，誤差控制在l0mm以內；

（3）鉆機就位使用經緯儀(或全站儀)定位，首先要找好鉆機開孔傾角并考慮鉆桿因受自重的作用使鉆孔產生向下的偏移，定位時略較設計傾角上仰0.1-0.5°，以中和鉆孔垂直方向的偏斜。然后要控制鉆機的水平方向誤差，以保持鉆機主動鉆桿之軸線與連接通道軸線平行；

（4）在鉆具組合形式上采用滿眼鉆進方式，即鉆頭直徑略大于鉆桿直徑，以減小鉆孔偏斜；

（5）鉆進2m時，測斜一次，如果偏斜不符合設計要求，立即采取調整鉆孔角度及鉆進參數等措施進行糾偏，如果鉆孔仍然超出設計規定，則進行補孔。

結語

水平凍結施工技術在我國實施應用只是近幾年，開展現場的工藝技術研究和實測研究相對較少，此次研究只能初步了解和掌握一些技術，建議以后應加大開展這方面的研究工作，以滿足現場施工的需要。

參考文獻

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