李慕涵
(上海隧道工程有限公司,上海市 200082)
隨著我國(guó)社會(huì)主要矛盾轉(zhuǎn)化為人民日益增長(zhǎng)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(duì)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(guò)程中不封交、少擾民越來(lái)越受到各級(jí)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(duì)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(guò)對(duì)國(guó)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(lái)實(shí)施車站。該工法在國(guó)際上也應(yīng)用廣泛。但目前在我國(guó)乃至世界上尚無(wú)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(lái)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(zhǎng)50 m水平MJS工法鉆進(jìn)糾偏技術(shù)》[1-4]。
與豎直鉆孔相比,水平鉆進(jìn)更具難度,特別是超長(zhǎng)水平鉆進(jìn),具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:
(1)鉆具的重力方向改變
在豎直鉆孔時(shí),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(huì)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(duì)豎直鉆孔垂直度或方位角不會(huì)產(chǎn)生大的影響,而對(duì)于水平鉆孔,由于飽和軟黏土地層無(wú)法提供足夠的承載力來(lái)克服鉆具自重,因此從理論上來(lái)說(shuō),水平鉆進(jìn)的孔,如不采取措施必成下拋狀。MJS鉆管每延長(zhǎng)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(shí),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(wú)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(shí),可通過(guò)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(duì)鉆進(jìn)設(shè)備要求高
豎直鉆孔時(shí),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(shí),自救、它救的方式較多。而水平鉆進(jìn)時(shí),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(zhǎng)度的增加,摩擦力不斷增大,對(duì)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(wú)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(zhǎng)水平MJS工法才能順利實(shí)施。
1.2.1 鉆具姿態(tài)監(jiān)控
MJS鉆管中部有一個(gè)直徑6 cm的回漿管路直達(dá)鉆頭底部,可以通過(guò)回漿管路放入直徑6 cm以內(nèi)的測(cè)斜儀器對(duì)鉆進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)調(diào)研,采購(gòu)了日本村田制作所的水平孔彎曲測(cè)量器。該測(cè)量器測(cè)量精度達(dá)到1/300~1/400,測(cè)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(gè)水平傾角,通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算,可得知整個(gè)鉆具在土體中的姿態(tài),見圖1。
圖1 水平孔彎曲測(cè)量器(單位:mm)
1.2.2 鉆頭姿態(tài)修正
通過(guò)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(guò)調(diào)整鉆管旋轉(zhuǎn)角度,使鉆進(jìn)過(guò)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(duì)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(dòng)鉆具,如無(wú)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(zhǎng)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(jì)長(zhǎng)度。
本次試驗(yàn)在上海市軌道交通14號(hào)線工程23標(biāo)---桂橋路車站及出入場(chǎng)線土建工程場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)進(jìn)行了2根50m超長(zhǎng)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
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(guò)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(cè)顯示器連接,確認(rèn)在鉆頭無(wú)荷載的情況下清零,對(duì)接鉆桿和鉆頭,對(duì)接時(shí)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(dòng)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(dòng)力頭旋轉(zhuǎn),將鉆頭鉆入土體,每鉆進(jìn)3米進(jìn)行水平測(cè)量,測(cè)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(zhǎng)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(jì)長(zhǎng)度。
(1)鉆進(jìn)施工流程(見圖3)
(2)信息化糾偏情況
在超長(zhǎng)水平鉆進(jìn)過(guò)程中,鉆頭姿態(tài)的控制尤為關(guān)鍵,通過(guò)數(shù)字化測(cè)斜儀對(duì)鉆具姿態(tài)的監(jiān)控,技術(shù)人員根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),及時(shí)對(duì)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(zhǎng)鉆進(jìn)鉆具姿態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),見圖4、圖5,。
從圖4、圖5可以看出,通過(guò)對(duì)信息化數(shù)據(jù)的及時(shí)分析,對(duì)鉆頭姿態(tài)的鉆進(jìn)全過(guò)程控制,50 m超長(zhǎng)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(shí)費(fèi)力方法的采用,MJS1號(hào)樁水平鉆進(jìn)偏差為+18 cm,鉆進(jìn)精度達(dá)到0.36%,MJS2號(hào)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(guò)了1%的控制要求。通過(guò)兩根50米水平超長(zhǎng)鉆進(jìn),證明該經(jīng)驗(yàn)完全可復(fù)制,50 m水平超長(zhǎng)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(hào)樁50 m超長(zhǎng)水平鉆進(jìn)測(cè)斜曲線
圖5 MJS2號(hào)樁50 m超長(zhǎng)水平鉆進(jìn)測(cè)斜曲線
我國(guó)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。
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