隧洞工程水平孔冻结中水平孔施工研究论文

摘要：本文结合作者参与的隧洞施工过程的项目案例，主要介绍了水平孔冻结法的基本原理，并结合相应的过程重点研究了水平孔布设及施工工艺，并对水平孔的施工质量控制措施进行了探讨。

关键词：水平孔；施工技术；隧洞

隧洞工程水平冻结技术中的水平孔的钻进首先是钻孔设备的选择与布置，由于是在垂直方向上施工水平钻孔，因此，钻孔设备需作上下和水平方向的移动。其次，水平钻孔的形式分几种：有实现跟管钻进。就是利用冻结管作钻杆一次到位；利用下套管进行水平孔钻进，当孔钻成后再把冻结管下入到水平孔内。具体使用哪种方法进行施工要视施工条件和环境。

1工程概况

1.1工程地质概况

某水下隧道旁通道水平冻结加固工程是该隧道中的连接通道共两个，相距愈400m，位于所跨河流流域底下，隧道中心间距为28m，隧道间高差1.1m，通道净距约18m。

工程地段上层自上而下为：

（1）淤泥，含煤屑、石块等厚度约0.5-2.0m，层底标高-6.2-9.609m；

（2）灰色淤泥质粉质粘土：厚2.0m，层底标高终-12m，流塑、高压缩性；

（3）灰色淤泥质粘土：厚5m，层底标高约-12m，流塑、高压缩性；

（4）灰色粘土：厚1-5m，层底标高14-16m，流塑-软塑，高压缩性；

（5）灰色粘土：厚约1-5mm，层底标高-15-18m，流塑-软塑，高压缩性；

（6）灰色粉质粘土：厚约2-4.5m，层底标高:-18.6-19m，软塑-可塑，中压缩性；

（7）暗绿色-草黄色粘土，厚约4.5-6m，层底标高-21--25m，可塑-硬塑，中压缩性；

（8）草黄色粉细砂，湿、密实、中压缩性。

1.2施工方案选择

根据上述施工条件，并结合地铁旁通道施工经验，经技术经济比较，拟采用“水平孔冻结加固土体，隧道内开挖构筑”的施工方案，即：在隧道内利用水平孔冻结加固地层，使连接通道土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻上帷幕，然后根据“新奥法”的基本原理，在冻土中采用矿山法进行连接通道的开挖构筑施工，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道进行。

根据本工程两条隧道间的连接通道施工净距均较短，故设计者选择连接通道从西线隧道向东线隧道施工水平孔，采用全深冻结，然后开挖、做结构。

2水平孔施工工艺

2.1准备工作

用厚6cm的木板在连接通道处铺设冻结钻孔施工场地，按不同位置的冻结孔钻进要求，用2〃钢管搭建冻结孔施工脚手架；

在隧道内敷设一条50mm2动力电缆，用于冻结钻孔施工及隧道内冻结系统安装供电；

在隧道内铺设一趟2〃管路至连接通道施工工作面，用于冻结孔打钻供水和排污；

在连接通道施工工作面两端砌高约0.25m的泥浆挡墙，以免冻结孔钻进时泥浆四溢影响隧道内环境整洁。

由该通道段地质条件和施工特点，故选择目前国内水平钻进能力较大的MKD-5S型全液压钻机，该钻机在国内各类水平孔工程施工中得到很好应用。该钻机是一种低转速、大扭矩，能够钻进大直径的全液压钻机，可用牙轮钻头、刮刀钻头、人造金刚石复合片钻头等钻进。

2.2水平孔开孔

（1）开孔

将金刚石钻机用地脚螺栓固定在隧道管片上，并用经纬仪测量，使机上钻头的中轴线与冻结孔的中轴线重合，开动钻机，待进尺距打穿管片深度相差约8-10cm时停止打钻，安装孔口管等孔口密封、防喷装置，安装完毕确认无误后，将金刚石钻机上的钻头改为Φ115mm钻头，将管片打穿，及时关闭孔口阀门，并打开孔口管侧面的卸压(注浆)阀门，观察孔口管内的砂水涌出情况，判断孔内发生涌沙、涌水事故的几率。决定是否进行孔口加固注浆，为冻结管下入作好准备。

（2）穿孔

在Φ108mm冻结管前配上Φ108mm岩心管一段，长度L≥60cm，并配Φ115mm金刚石取芯钻头，在下管过程中，一旦钻头触及对面洞壁，马上改用回转钻进工艺钻进，用清水冷却钻头，开始按取芯的有关规定操作钻机。

2.3水平孔施工

（1）冻结孔孔位、孔径与孔深

根据业主甲方提供的施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔，在布置冻结孔位时，要尽量避开管片主筋，孔位偏差一般应不大于l0mm。冻结孔开孔用Φ140mm的金刚石取芯钻头钻进。

内排冻结孔实际钻进深度以碰到对面隧道管片为准；外排冻结孔实际钻进深度以设计深度为准。

（2）钻孔偏斜和终孔间距

钻孔的偏斜应控制在1%以内，在确保冻土帷幕厚度的情况下，终孔间距内排冻结孔不得大于1.2m，外排冻结孔不得大于1.4m，否则应补孔。

（3）水平孔钻进与冻结管设置

1）使用钻井一台，利用冻结管作为钻杆，冻结管采用丝扣连接，接缝要补焊，确保其同心度、连接强度和密封性能的良好；

2）钻进过程中严格监测孔斜情况，发现偏斜要及时纠偏，下好冻结管后，进行冻结管长度的复测工作，然后再利用激光测斜仪进行测绘并同时绘制钻孔偏斜图；

3）在冻结管内下供液管，然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角；

4）冻结管安装后，用堵漏材料密封冻结管与孔口管之间的间隙。

3水平孔施工的质量控制

3.1预防钻孔漏泥冒沙

（1）涌砂、涌水

首先开孔时应预留8-10cm厚一层作为安全层，待安装孔口装置后，再换用Φ115mm钻头打穿，及时关闭孔口阀门，通过孔口管侧面的卸压阀观察孔口处地层压力的具体情况，判断涌沙、涌泥的可能性。决定是否进行孔口加固注浆，注浆时用泥浆泵给地层中注入水泥浆或化学浆液，待地层凝固后二次重新开孔并下管。

（2）穿透孔穿透面的密封

首先在钻具和单向阀后600mn处加一个长度为200mm，外径为Φ115-108mn，内径和钻杆相同的锥塞管，进行封堵管片与钻杆之间的间隙；然后等穿透孔施工结束后，采用夹板式进行密封，用特制的夹板将麻丝等密封物强行压入冻结管与钻孔的环形间隙，立即用瞬凝水泥封堵孔口，确保孔口位置不发生水、砂泄漏事故。

（3）孔口管位加固注桨

在孔口管等孔口密封装置安装完成后，用钻机配合Φ115mm钻头钻穿预留的保险管片(5cm厚)，提出钻具，关闭孔口密封装置，通过孔口管旁通阀门观察孔内涌砂、涌水情况，决定是否进行孔口管补强注浆，注浆的有关参数为:浆液:普通硅酸盐水泥、水玻璃双液浆。

（4）其他

在取芯开孔后，安装带填料密封盒的孔口管，管侧装有旁路阀门，防止孔口喷砂；在含水砂层中钻进，其砂土会随压力水涌出孔口，因此从下面两个方面采取措施：采用化学泥浆护壁和在回流旁路上增加背压力，使钻孔内保持一定的压力，维护孔壁的稳定。准备相应的应急处理预案，采取无泥浆顶管法顶进冻结管，避免砂层涌砂冒砂。

3.2钻孔防偏纠偏技术

（1）根据施工需要，设置测量基准点和基准线；

（2）准确定出钻孔开孔孔位，误差控制在l0mm以内；

（3）钻机就位使用经纬仪(或全站仪)定位，首先要找好钻机开孔倾角并考虑钻杆因受自重的作用使钻孔产生向下的偏移，定位时略较设计倾角上仰0.1-0.5°，以中和钻孔垂直方向的偏斜。然后要控制钻机的水平方向误差，以保持钻机主动钻杆之轴线与连接通道轴线平行；

（4）在钻具组合形式上采用满眼钻进方式，即钻头直径略大于钻杆直径，以减小钻孔偏斜；

（5）钻进2m时，测斜一次，如果偏斜不符合设计要求，立即采取调整钻孔角度及钻进参数等措施进行纠偏，如果钻孔仍然超出设计规定，则进行补孔。

结语

水平冻结施工技术在我国实施应用只是近几年，开展现场的工艺技术研究和实测研究相对较少，此次研究只能初步了解和掌握一些技术，建议以后应加大开展这方面的研究工作，以满足现场施工的需要。

参考文献

1.雷振宇.广州某大断面浅埋隧道水平冻结法设计及施工实例.建材与装饰(中旬刊).2008（6）

2.李大建.广州地铁超长水平冻结施工设计.都市快轨交通.2007（2）

3.周卫.地铁隧道超长水平冻结孔定向钻进施工方法.煤炭工程.2007（6）

4.李宏安,王定峰.冻结法在南京地铁隧道流砂地层中的应用.探矿工程(岩土钻掘工程).2005（3）