李慕涵

（上海隧道工程有限公司，上海市 200082）

0 引言

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]。

1 研究?jī)?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(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 解決方法

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。

2 鉆進(jìn)試驗(yàn)

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

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(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

3 結(jié)語(yǔ)

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。

[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(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)出版社,2013.