富水砂層長(zhǎng)距離水平定向注漿孔成孔技術(shù)*

袁東鋒 高曉耕 周禹良 袁 輝 譚嘯峰

(1.天地科技股份有限公司，100013，北京；2.北京中煤礦山工程有限公司，100013，北京；3.中交二航局南方工程有限公司，518067，廣州//第一作者，副研究員)

富水砂層對(duì)開挖擾動(dòng)敏感，地面變形控制難度大[1-2]。城市軌道交通隧道穿越富水砂層時(shí)，地面變形超限可能導(dǎo)致建筑物開裂、破損，從而造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失[3]。因此，必須采取控制地面不均勻變形的技術(shù)措施[4]。地層注漿加固技術(shù)能有效控制地面差異沉降，是目前富水砂層中隧道施工地面變形控制常用的方法[3-5]。傳統(tǒng)預(yù)注漿與跟蹤注漿一般采用地面直孔形式。其受地表建筑物及地下管線位置的影響，往往布孔困難，而且，注漿施工占用地面道路，會(huì)給交通和周邊居民正常生活帶來不便。地面遠(yuǎn)距離水平定向注漿技術(shù)可較好地解決上述問題。遠(yuǎn)距離水平定向注漿孔的成孔是這一技術(shù)的關(guān)鍵。近年來，水平定向鉆孔地面注漿技術(shù)已在煤礦巷道圍巖加固及煤礦底板防治水等領(lǐng)域得到成功運(yùn)用[6-8]。在城市軌道交通建設(shè)中，富水砂層結(jié)構(gòu)松散，鉆孔穩(wěn)定性控制困難，除少量盾構(gòu)始發(fā)與接收端頭加固工程中應(yīng)用了短距離水平注漿[9-10]外，尚無地面長(zhǎng)距離水平定向鉆孔注漿技術(shù)的應(yīng)用。本文以廣州軌道交通14號(hào)線鄧村站—江浦段(以下簡(jiǎn)為“鄧—江段”)為例，介紹長(zhǎng)距離水平定向注漿孔成孔控制技術(shù)。該技術(shù)在建筑物基礎(chǔ)下伏富水砂層中形成注漿通道，有助于對(duì)變形敏感區(qū)域?qū)嵤┻h(yuǎn)距離地面變形控制。

鄧—江段盾構(gòu)隧道在里程YDK60+801—YDK61+088段下穿姓鐘圍房屋群。該段工程(以下簡(jiǎn)為“姓鐘圍項(xiàng)目”)長(zhǎng)度約為287 m，地面均為密集分布的村民自建房。房屋多為1～7層，采用磚混結(jié)構(gòu)及條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深1～3 m。盾構(gòu)隧道穿越的主要地層為中粗砂層及礫砂層，基巖主要為砂巖及砂礫巖，覆土為雜填土。隧道直徑為6.0 m，采用泥水盾構(gòu)推進(jìn)，頂線埋深為10～13 m。隧道通過段地層為上軟下硬及全斷面砂層，其地下水與流溪河連通，且水位較高、涌水量大。姓鐘圍村民自建房抗變形能力差。該區(qū)域管線復(fù)雜，存在燃?xì)夤?、自來水管及通信線等多條管線，排污管、化糞池等分布不清。為避免傳統(tǒng)直孔注漿加固技術(shù)的場(chǎng)地限制，姓鐘圍項(xiàng)目采用了長(zhǎng)距離水平定向注漿鉆孔技術(shù)，在富水砂層中形成水平注漿通道。

1 長(zhǎng)距離水平定向注漿鉆孔技術(shù)分析

1.1 布孔設(shè)計(jì)

水平鉆孔共4個(gè)，鉆孔平面布置圖如圖1所示。由圖1可見，2#、3#鉆孔鉆探至B-19建筑物，可加固B-17～B-19房屋基礎(chǔ)；1#、4#鉆孔分別沿右線隧道邊線及頂線鉆進(jìn)，鉆探至B-24建筑物，可加固右線隧道開挖輪廓以外的土體，提高其強(qiáng)度和自穩(wěn)能力。鉆孔入土角為12°～15°。該段隧道頂線埋深為11.5 m，故鉆孔水平注漿段埋深取9.5 m。鉆孔總長(zhǎng)392.2 m，其中造斜段長(zhǎng)239.2 m，水平段長(zhǎng)153 m。

1.2 泥漿控制

富水砂層結(jié)構(gòu)松散，水平孔鉆探極易發(fā)生塌孔等鉆探事故[11-12]。為提高鉆孔質(zhì)量、維護(hù)孔壁，避免卡鉆、埋鉆等情況，本工程選擇普通膨潤(rùn)土水基泥漿和PAA(聚丙烯酸)泥漿[13]。造斜段鉆進(jìn)采用普通膨潤(rùn)土水基泥漿，水平段鉆進(jìn)采用PAA泥漿。泥漿配方見表1。造斜段施工結(jié)束后，進(jìn)行泥漿置換。鉆進(jìn)過程中嚴(yán)密監(jiān)測(cè)泥漿消耗量，并根據(jù)鉆孔情況微調(diào)泥漿性能。為保證鉆探效率，鉆探過程中需及時(shí)進(jìn)行泥漿凈化。保證將鉆屑從泥漿中有效清除出去的關(guān)鍵是采用合理的固控系統(tǒng)。造斜段固控系統(tǒng)采用振動(dòng)篩配合旋流除砂器。水平段由于在砂層中鉆進(jìn)，泥漿黏度高，粉細(xì)砂狀鉆屑不易分離，泥漿凈化難度較大，固控系統(tǒng)采用離心機(jī)和密目篩網(wǎng)振動(dòng)篩。

圖1 注漿鉆孔平面布置圖

表1 泥漿配比及性能參數(shù)

1.3 水平孔鉆探成孔工藝及成果

1.3.1 測(cè)斜定向

大斜度及水平定向鉆進(jìn)測(cè)斜通常采用高精度隨鉆測(cè)斜儀[14-15]。隨鉆測(cè)斜儀配合螺桿定向鉆具，可在黏土層及砂層中實(shí)現(xiàn)3°/10 m的造斜強(qiáng)度，使造斜段平滑過渡至水平段。首先，由無線隨鉆測(cè)斜儀將測(cè)量得到的傾角、方位角及工具面角等鉆井參數(shù)，以泥漿脈沖的形式傳至地面；然后，由地面泥漿壓力傳感器拾取并傳輸至計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)；最后，解碼后即可得到井斜角、方位角及工具面角等參數(shù)[14]，及時(shí)為定向鉆進(jìn)提供參考。本工程采用的測(cè)斜設(shè)備為SMWD型無線隨鉆測(cè)斜儀，該設(shè)備由井下測(cè)量?jī)x器及地面處理設(shè)備兩部分組成。井下測(cè)量?jī)x器主要包括測(cè)斜探管、主控制器、泥漿脈沖發(fā)生器及扶正器等[15]。

1.3.2 鉆探工藝及成果分析

鉆探設(shè)備采用TDX-150斜孔導(dǎo)向鉆機(jī)。該鉆機(jī)桅桿可在0°～25°范圍內(nèi)調(diào)整，可完全滿足水平鉆進(jìn)入土角度要求。鉆探工藝流程見圖2。

圖2 鉆探工藝流程

鉆探入土角控制為12°。開孔后進(jìn)入增斜鉆進(jìn)，造斜率控制在(2.5°～3.0°)/10 m。造斜施工應(yīng)根據(jù)測(cè)斜結(jié)果及時(shí)調(diào)整，確保在預(yù)定位置實(shí)現(xiàn)中靶著陸[16]。由于富水砂層結(jié)構(gòu)松散，為保證水平鉆孔壁穩(wěn)定性，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行泥漿置換。泥漿置換完畢后，開始水平鉆進(jìn)，直至設(shè)計(jì)井深終孔。本工程的4個(gè)鉆孔均順利中靶，鉆孔三維軌跡詳見圖3。經(jīng)計(jì)算，4個(gè)鉆孔的全角變化率(狗腿度)均滿足規(guī)范要求，井眼與設(shè)計(jì)軌跡符合，造斜段與水平段過渡平滑，滿足注漿閥管下放要求。水平孔鉆進(jìn)完成后，應(yīng)下入注漿閥管。注漿閥管為漿液?jiǎn)蜗蛲ǖ?，與袖閥管作用類似，既能防止泥砂涌入造成堵孔，又能在外部壓力過大時(shí)自動(dòng)封閉，實(shí)現(xiàn)安全注漿。

圖3 三維鉆孔軌跡圖

2 水平注漿成果及地面變形監(jiān)測(cè)

經(jīng)過1個(gè)半月的緊張作業(yè)，4個(gè)鉆孔累計(jì)注漿量為267.5 m3。其中，PAA泥漿為87.5 m3、普通膨潤(rùn)土水基泥漿為180 m3。施工之前，沿鉆孔延伸方向布設(shè)了5排地面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在加固區(qū)域的建筑物上設(shè)置了沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，在鉆探施工期間，地面及建筑物幾乎沒有沉降變形。這表明所注泥漿可明顯減小鉆探對(duì)原始地層的擾動(dòng)。注漿初期，地表變形在-2～+2 mm范圍內(nèi)輕微波動(dòng)；正式注漿開始后，地表有規(guī)律均勻抬升；注漿結(jié)束后，地表變形逐漸趨于穩(wěn)定。測(cè)點(diǎn)最大抬升量?jī)H為5.1 mm?？梢姡{較好地將地表隆起控制在設(shè)計(jì)規(guī)范允許范圍之內(nèi)。水平注漿加固完成3個(gè)月后，右線盾構(gòu)到達(dá)加固區(qū)域。在盾構(gòu)推進(jìn)期間及后期，地面最大沉降值遠(yuǎn)小于警戒值，盾構(gòu)順利側(cè)穿姓鐘圍房屋群。

3 結(jié)論

(1) 富水砂層長(zhǎng)距離水平孔鉆孔孔壁穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵是化學(xué)泥漿。在埋深10 m左右的砂層中，泥漿比重應(yīng)控制在1.15～1.25范圍，漏斗黏度應(yīng)控制在36～50 s范圍。這樣可較好地保證水平孔孔壁穩(wěn)定性。

(2) 姓鐘圍項(xiàng)目采用的高精度隨鉆測(cè)斜技術(shù)是定向鉆進(jìn)的基礎(chǔ)，配合螺桿定向鉆具，使造斜段平滑過渡到水平段。這是保障注漿閥順利下放的重點(diǎn)。

(3) 本次試鉆實(shí)現(xiàn)的水平段最大鉆進(jìn)長(zhǎng)度為60 m。鉆孔軌跡可控，精度高，可為長(zhǎng)距離水平注漿、水平凍結(jié)及管棚等施工措施提供技術(shù)支持。此外，姓鐘圍項(xiàng)目成功下放注漿閥管作為單向注漿通道，能防止泥砂涌入鉆孔，為多次安全注漿提供保障。