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        信息化糾偏在水平MJS工法超長距離鉆進(jìn)中的運(yùn)用

        2018-06-27 08:51:30李慕涵
        城市道橋與防洪 2018年6期
        關(guān)鍵詞:工法鉆具鉆頭

        李慕涵

        (上海隧道工程有限公司,上海市 200082)

        0 引言

        隨著我國社會主要矛盾轉(zhuǎn)化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾。人民群眾對出行方式及施工建設(shè)方法都有了較高的期盼及要求。在軌交建設(shè)過程中不封交、少擾民越來越受到各級政府的重視,不得不采用暗挖施工車站的需求已經(jīng)出現(xiàn),急需對配套的施工設(shè)備、施工技術(shù)等進(jìn)行研究,以滿足日益復(fù)雜的施工要求。

        通過對國內(nèi)外地鐵車站施工工藝的比選,根據(jù)上海軟土地區(qū)特有的地質(zhì)特性,確定了以管幕法作為上海軟土地區(qū)的主要暗挖工法來實(shí)施車站。該工法在國際上也應(yīng)用廣泛。但目前在我國乃至世界上尚無在飽和軟粘土地層中進(jìn)行暗挖軌道交通地下車站施工的先例。

        為實(shí)現(xiàn)管幕法在未來上海城市軌道交通建設(shè)中的運(yùn)用,上海隧道公司自2015年始,進(jìn)行了一系列技術(shù)研究,掌握了管幕法施工的關(guān)鍵技術(shù),為管幕法車站的施工奠定了基礎(chǔ)。本文所介紹的就是這一系列科研中的《超長50 m水平MJS工法鉆進(jìn)糾偏技術(shù)》[1-4]。

        1 研究內(nèi)容

        1.1 面臨的問題

        與豎直鉆孔相比,水平鉆進(jìn)更具難度,特別是超長水平鉆進(jìn),具體表現(xiàn)在如下幾個方面:

        (1)鉆具的重力方向改變

        在豎直鉆孔時,鉆具的重力方向與鉆孔方向一致,受自重及重力影響,鉆具在頂角及方位上受到約束,鉆孔垂直度主要受到鉆管自身剛度、操作人員水平、地層變化等因素的影響。而水平鉆進(jìn)則不同,鉆具重力方向與鉆進(jìn)方向成90°角,鉆具會受重力影響,從而偏離鉆進(jìn)方向。

        (2)飽和軟黏土地層承載力不足

        飽和軟黏土地層承載力不足,對豎直鉆孔垂直度或方位角不會產(chǎn)生大的影響,而對于水平鉆孔,由于飽和軟黏土地層無法提供足夠的承載力來克服鉆具自重,因此從理論上來說,水平鉆進(jìn)的孔,如不采取措施必成下拋狀。MJS鉆管每延長米達(dá)到57 kg,50 m鉆桿自重2.85 t,此情況更為明顯。

        (3)鉆進(jìn)方式改變

        豎直鉆孔時,可由工程鉆機(jī)預(yù)先成孔,鉆孔完成取出鉆具后,孔內(nèi)仍保留有護(hù)壁泥漿或留置外套管,可以從容的下入MJS鉆管,而無需擔(dān)心孔壁坍塌。飽和軟粘土地層水平鉆進(jìn)則不同,因存在地下水、土涌入工作井的可能性,其它設(shè)備代替鉆孔后,護(hù)壁泥漿難以留置,孔壁極易坍塌等問題,鉆孔只能由MJS工法設(shè)備自行完成。

        (4)鉆進(jìn)精度控制方式改變

        豎直鉆孔時,可通過擴(kuò)大鉆孔直徑、多次自由落體、鉆頭加壓等方式保證鉆孔垂直度。而飽和軟粘土地層中水平鉆進(jìn)受制于工作井墻體開孔直徑、防水等影響,鉆孔直徑應(yīng)在滿足工程施工后盡可能小,且開孔直徑增大容易塌孔,導(dǎo)致地面沉降變形。鉆頭加壓后,鉆管容易受壓而變彎。

        (5)對鉆進(jìn)設(shè)備要求高

        豎直鉆孔時,因鉆管與土體之間充滿護(hù)壁泥漿,摩擦力較小,出現(xiàn)抱管等情況時,自救、它救的方式較多。而水平鉆進(jìn)時,鉆管與土體密貼,摩擦力與鉆管表面積成正比,隨著鉆進(jìn)長度的增加,摩擦力不斷增大,對鉆管的扭矩要求也隨之提高。一旦發(fā)生斷管,在加固斷面里就形成人工障礙物,無法自救與它救,增加施工難度。

        只有解決了上述問題,暗挖法關(guān)鍵工藝---50 m超長水平MJS工法才能順利實(shí)施。

        1.2 解決方法

        1.2.1 鉆具姿態(tài)監(jiān)控

        MJS鉆管中部有一個直徑6 cm的回漿管路直達(dá)鉆頭底部,可以通過回漿管路放入直徑6 cm以內(nèi)的測斜儀器對鉆進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。通過調(diào)研,采購了日本村田制作所的水平孔彎曲測量器。該測量器測量精度達(dá)到1/300~1/400,測量方向?yàn)樗剑ㄉ舷路较颍?5°,耐水度2 MPa,工作溫度10~60°,直徑45 mm,該儀器在放入回漿管路后,每延米采集一個水平傾角,通過三角函數(shù)計算,可得知整個鉆具在土體中的姿態(tài),見圖1。

        圖1 水平孔彎曲測量器(單位:mm)

        1.2.2 鉆頭姿態(tài)修正

        通過科研,首創(chuàng)了一種小斷面多孔管旋噴鉆具,該鉆具與MJS鉆頭連接,一起鉆入土體,通過調(diào)整鉆管旋轉(zhuǎn)角度,使鉆進(jìn)過程中切削的土體填充至需要鉆進(jìn)方向背面的鉆管底部,利用切削土體增加鉆管底部承載力,達(dá)到調(diào)整鉆頭姿態(tài)的作用。

        1.2.3 控制鉆管扭矩

        根據(jù)設(shè)備性能,對設(shè)備扭矩表進(jìn)行密切監(jiān)控,將設(shè)備扭矩表達(dá)到數(shù)值7定為警戒數(shù)值,一旦達(dá)到警戒數(shù)值,開啟切削水、前后抽動鉆具,如無法低于警戒值,拔出鉆管,在二次鉆進(jìn)。

        1.2.4 兩次噴射兩次鉆進(jìn)

        淺層覆土中土體松軟,鉆進(jìn)一定長度后鉆管在自身重力作用下頂端下垂,糾偏也仍不能達(dá)到要求,則先噴漿施工已經(jīng)鉆進(jìn)完成部分,待加固部分硬化具有較強(qiáng)支撐面后繼續(xù)鉆進(jìn),直到鉆頭到達(dá)設(shè)計長度。

        2 鉆進(jìn)試驗(yàn)

        本次試驗(yàn)在上海市軌道交通14號線工程23標(biāo)---桂橋路車站及出入場線土建工程場地內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)進(jìn)行了2根50m超長水平MJS工法樁。事先在車站主體結(jié)構(gòu)與北工作井之間設(shè)立了一道封堵墻,由已開挖到底的主體結(jié)構(gòu)向未開挖的北工作井鉆進(jìn),見圖2。

        圖2 試驗(yàn)樁平面位置圖

        2.1 鉆進(jìn)方案

        為結(jié)合工程,鉆進(jìn)在地面以下12 m,④灰色淤泥質(zhì)粘土層中進(jìn)行,為避免在結(jié)構(gòu)墻體上鉆孔導(dǎo)致的地下水、土等涌入基坑,采用喜利得鉆機(jī)在結(jié)構(gòu)墻體上鉆孔至距原狀土10 cm左右,回拔鉆具,安裝孔口密封裝置,然后鉆具通過防噴裝置鉆穿結(jié)構(gòu)墻體,鉆穿結(jié)構(gòu)墻體后,回拔鉆頭至防噴裝置閘閥處,關(guān)閉閘閥后,取出鉆具。之后連接電源,數(shù)據(jù)線,開啟油泵,樁機(jī)就位,鉆頭和地內(nèi)壓力檢測顯示器連接,確認(rèn)在鉆頭無荷載的情況下清零,對接鉆桿和鉆頭,對接時認(rèn)真檢查密封圈情況,看是否缺失或損壞。地內(nèi)壓力是否顯示正常,動力頭旋轉(zhuǎn)一定角度,具體角度視情況而定,將鉆頭鉆入孔口密封裝置橡膠圈內(nèi),打開孔口密封裝置閘閥,開啟削孔水,用削孔水切割土體,然后動力頭旋轉(zhuǎn),將鉆頭鉆入土體,每鉆進(jìn)3米進(jìn)行水平測量,測量鉆頭偏斜情況,若鉆頭偏斜在可控范圍內(nèi),則繼續(xù)鉆進(jìn),若超出可控范圍,則拔出鉆管,糾偏重新引孔,淺層覆土中土體松軟,鉆進(jìn)一定長度后鉆管在自身重力作用下頂端下垂,糾偏也仍不能達(dá)到要求,則先噴漿施工已經(jīng)鉆進(jìn)完成部分,待加固部分硬化具有較強(qiáng)支撐面后繼續(xù)鉆進(jìn),直到鉆頭到達(dá)設(shè)計長度。

        (1)鉆進(jìn)施工流程(見圖3)

        (2)信息化糾偏情況

        在超長水平鉆進(jìn)過程中,鉆頭姿態(tài)的控制尤為關(guān)鍵,通過數(shù)字化測斜儀對鉆具姿態(tài)的監(jiān)控,技術(shù)人員根據(jù)測量數(shù)據(jù),及時對鉆頭旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行調(diào)整,鉆頭姿態(tài)始終在受控范圍內(nèi)。以下為水平50 m超長鉆進(jìn)鉆具姿態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù),見圖4、圖5,。

        從圖4、圖5可以看出,通過對信息化數(shù)據(jù)的及時分析,對鉆頭姿態(tài)的鉆進(jìn)全過程控制,50 m超長水平鉆進(jìn)一次成功,避免了兩次噴射兩次鉆進(jìn)這一費(fèi)時費(fèi)力方法的采用,MJS1號樁水平鉆進(jìn)偏差為+18 cm,鉆進(jìn)精度達(dá)到0.36%,MJS2號樁水平鉆進(jìn)偏差為+4 cm,鉆進(jìn)精度達(dá)到0.08%。兩次鉆進(jìn)均超過了1%的控制要求。通過兩根50米水平超長鉆進(jìn),證明該經(jīng)驗(yàn)完全可復(fù)制,50 m水平超長鉆進(jìn)技術(shù)難題得到了圓滿攻克。

        圖3 鉆進(jìn)施工流程

        圖4 MJS1號樁50 m超長水平鉆進(jìn)測斜曲線

        圖5 MJS2號樁50 m超長水平鉆進(jìn)測斜曲線

        3 結(jié)語

        我國在旋噴施工領(lǐng)域起步較晚,特別是在軟土水平旋噴領(lǐng)域,施工設(shè)備缺乏,理論研究滯后,始終制約著水平旋噴的發(fā)展,近幾年隨著MJS工法的引進(jìn)才開始有成功施工的工程案例出現(xiàn),本次科研的成果,希望能給同行提供有益的借鑒,共同推進(jìn)水平旋噴的發(fā)展。

        [1]呂繼昌,周曉敏.松軟水平地層水平鉆進(jìn)[J].建井技術(shù),1998(6):35-37.

        [2]孫國慶,殷九榮.水平旋噴加固在富水未成巖粉細(xì)砂層中的應(yīng)用[J].隧道建設(shè),2012,32(2):213-217.

        [3]劉俊成.水平旋噴技術(shù)在城市地鐵富水砂層中的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù),2010(4):51-54.

        [4]黃均龍.多孔管旋噴設(shè)備[A].第三屆深基坑工程新技術(shù)與新設(shè)備發(fā)展論壇論文集[C].西安:知識產(chǎn)權(quán)出版社,2013.

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