砂卵石地層凍結(jié)施工聯(lián)絡(luò)通道的鉆孔工藝研究★

張 松

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

·施工技術(shù)·

砂卵石地層凍結(jié)施工聯(lián)絡(luò)通道的鉆孔工藝研究★

張 松

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

為了研究?jī)鼋Y(jié)法施工聯(lián)絡(luò)通道在砂卵石地層中常見(jiàn)的斷管現(xiàn)象，對(duì)聯(lián)絡(luò)通道鉆孔施工的難點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了改變凍結(jié)管尺寸，調(diào)整薄弱區(qū)域界面的改進(jìn)方式，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證以及數(shù)值模擬計(jì)算，最終降低了斷管事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

聯(lián)絡(luò)通道，凍結(jié)法，鉆孔，卵石層

目前隨著城市軌道交通的發(fā)展，聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)法施工越來(lái)越多，而大量的線路交叉、過(guò)大埋深線路的出現(xiàn)導(dǎo)致了大量的聯(lián)絡(luò)通道位于富水砂、卵石地層內(nèi)，這類地層中土體對(duì)于鉆進(jìn)中凍結(jié)管的磨損尤為嚴(yán)重，最終往往會(huì)出現(xiàn)鉆進(jìn)過(guò)程中凍結(jié)管斷裂，或強(qiáng)度大幅降低最終在凍結(jié)期間引起管路斷裂鹽水泄露，最終造成極大損失。本文通過(guò)對(duì)北京地鐵6號(hào)線玉帶河大街站—郝家府站1號(hào)、2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道鉆孔施工實(shí)際情況進(jìn)行分析，針對(duì)砂、卵石地層施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)、分析，提出了一系列有利于聯(lián)絡(luò)通道鉆孔施工的改進(jìn)措施。

1 工程概況

北京地鐵6號(hào)線二期工程玉帶河大街站—郝家府站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程位于北京市通州區(qū)，其中1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道地表為京哈鐵路以及北運(yùn)河區(qū)域，2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道地表為空曠楊樹林。根據(jù)設(shè)計(jì)兩座聯(lián)絡(luò)通道均采用凍結(jié)法施工，施工區(qū)域根據(jù)地勘顯示，1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道上部區(qū)域?yàn)椴糠值[石層，中下部區(qū)域?yàn)榧?xì)砂層，2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道全斷面為細(xì)中砂層(灰黃～灰色，密實(shí)，飽和，標(biāo)貫擊數(shù)平均值為57，屬低壓縮性土，局部含粉細(xì)砂夾層)。根據(jù)施工情況觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，施工中1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道下部、2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道部分區(qū)域大量存在卵石地層而非全部砂層施工，卵石直徑最大接近6 mm。

2 鉆孔施工難點(diǎn)

本工程兩座聯(lián)絡(luò)通道均位于承壓水層中，因此施工中需注意采取止水措施，避免施工打開管片后出現(xiàn)涌砂、冒泥。同時(shí)由于聯(lián)絡(luò)通道大部分鉆孔施工位于砂、卵石地層中，周圍土體對(duì)凍結(jié)管磨損較為嚴(yán)重，易對(duì)于管體強(qiáng)度產(chǎn)生影響。施工中如果加大對(duì)于砂、石的疏通，必然帶來(lái)大量的水土流失，對(duì)于地表產(chǎn)生較大變形，而如果不對(duì)于砂、石進(jìn)行疏通，必然對(duì)凍結(jié)管產(chǎn)生極大的磨損，從而影響施工安全。

3 施工過(guò)程問(wèn)題及分析

本工程施工中主要面對(duì)的問(wèn)題為砂卵石地層對(duì)于凍結(jié)管的磨損。在維持正常泄壓的狀態(tài)下，透孔及普通凍結(jié)孔施工中普遍出現(xiàn)了斷管問(wèn)題，成為了本工程最大的難點(diǎn)。根據(jù)斷孔情況分析可以發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)管斷裂區(qū)域主要位于兩根凍結(jié)管之間的連接位置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，鉆進(jìn)1 m～2 m后由于土層原因鉆進(jìn)緩慢，同時(shí)通過(guò)泥漿的正循環(huán)帶動(dòng)了大量的砂石堆積于靠近管片位置，使得凍結(jié)管磨損嚴(yán)重，一旦管路連接位置通過(guò)該區(qū)域，長(zhǎng)時(shí)間的磨損使得連接處母扣位置本就薄弱的區(qū)域更加薄弱，最終形成了對(duì)于接口處的破壞，導(dǎo)致凍結(jié)管斷裂。

其中最為嚴(yán)重的1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道透孔施工，由于其鉆進(jìn)時(shí)間較長(zhǎng)，雖然采用了加大泄砂通道的方法，但仍無(wú)法避免斷管，后期計(jì)劃使用地質(zhì)鉆桿先進(jìn)行首次導(dǎo)孔，然后下放凍結(jié)管，但在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)對(duì)于砂、卵石地層，成孔后一旦鉆桿抽出成孔極易塌孔，最終選擇采用地質(zhì)鉆桿導(dǎo)孔，然后跟進(jìn)凍結(jié)管進(jìn)行鉆進(jìn)，從而避免了抽出鉆桿的工序，完成了整個(gè)透孔施工。

整體施工可以發(fā)現(xiàn)，雖然最后完成了1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道的鉆進(jìn)施工，但是大部分凍結(jié)管仍受到了較大的磨損，在低溫鹽水循環(huán)后仍有較大可能出現(xiàn)斷管現(xiàn)象，影響最終安全。

4 工藝改進(jìn)

根據(jù)1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)管鉆進(jìn)施工情況，為了有效避免后續(xù)鉆孔施工中繼續(xù)出現(xiàn)上述問(wèn)題，項(xiàng)目部經(jīng)分析決定針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，減少施工風(fēng)險(xiǎn)。

1)針對(duì)砂、卵石地層調(diào)整凍結(jié)管規(guī)格，以往施工中往往采用89 mm×8 mm低碳無(wú)縫鋼管進(jìn)行凍結(jié)管的制作，在制作絲扣連接時(shí)，為了避免公扣過(guò)薄，因此母扣厚度一般不大于5 mm，扣去絲牙尺寸后往往僅有3 mm。因此在考慮了加工同心度等問(wèn)題后凍結(jié)管管壁薄弱的問(wèn)題在砂卵石地層中往往表現(xiàn)極為明顯，并且即使施工完成未出現(xiàn)斷管，但是由于凍結(jié)管在地層鉆進(jìn)中磨損較大，凍結(jié)后的斷管幾率要極大的高于普通粘土層內(nèi)施工的透孔凍結(jié)管。因此根據(jù)凍結(jié)管長(zhǎng)度、經(jīng)過(guò)地層情況可適當(dāng)增加凍結(jié)管管壁厚度，達(dá)到有效減少磨損對(duì)管壁損害的目的，同時(shí)施工鉆孔前可以進(jìn)行試鉆，探查凍結(jié)管在土體內(nèi)1 h磨損量，從而判斷是否需要加強(qiáng)。同時(shí)由于開挖期間土體卸載的出現(xiàn)，凍結(jié)管往往產(chǎn)生變形，在磨損嚴(yán)重的凍結(jié)管位置，這種變形往往造成致命影響。若已知凍結(jié)管變形撓曲線方程為h=h(x)，則凍結(jié)面上某一截面處的最大彎曲應(yīng)力σw，拉伸應(yīng)力σ1和剪應(yīng)力τ均可以用材料力學(xué)公式計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

其中，A和I分別代表截面面積和中心軸的慣性矩；b為凍結(jié)管外徑[1]?？梢?jiàn)最大彎曲應(yīng)力σw，拉伸應(yīng)力σ1和剪應(yīng)力τ均與凍結(jié)壁的變形有關(guān)，且最大彎曲應(yīng)力σw與凍結(jié)管外徑尺寸、凍結(jié)壁變化程度成正比例關(guān)系。因此在變形一定的情況下增大凍結(jié)管外徑可增加σw，減少凍結(jié)管破壞的幾率。

2)對(duì)于磨損較大地層施工中采用外節(jié)箍進(jìn)行連接點(diǎn)加固，避免出現(xiàn)過(guò)度的凍結(jié)管焊口磨損。由于凍結(jié)管施工中透孔需穿透對(duì)側(cè)管片，因此其鉆進(jìn)時(shí)間一般較長(zhǎng)，且鉆進(jìn)至對(duì)側(cè)管片位置由于混凝土管片在金剛石取芯鉆頭的磨損下進(jìn)尺較小，因此凍結(jié)管長(zhǎng)時(shí)間處在相同環(huán)境內(nèi)受到磨損，磨損效果較不斷進(jìn)尺中嚴(yán)重，且難以避免，因此選擇采用外節(jié)箍形式對(duì)于最為薄弱的接縫處進(jìn)行處理，從而有效的避免焊口破損，造成凍結(jié)管斷裂(見(jiàn)圖1)。

表1 不同凍結(jié)管應(yīng)力分析 kN/m2

5 改進(jìn)效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)后相關(guān)效果，在2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)管施工時(shí)部分凍結(jié)管采用了增加外節(jié)箍保護(hù)凍結(jié)管，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)在采取外節(jié)箍保護(hù)后，正常泄壓條件下所有凍結(jié)管均未出現(xiàn)斷管，而未采用外節(jié)箍保護(hù)的凍結(jié)管與1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道斷裂效果基本一致。

同時(shí)，受工程實(shí)際施工所限，無(wú)法對(duì)于不同外徑的凍結(jié)管進(jìn)行試驗(yàn)，因此采用MIDAS數(shù)值模擬軟件對(duì)于不同形狀凍結(jié)管進(jìn)行不同荷載條件下的模擬，確定在同等荷載作用下凍結(jié)管的受力縮減。根據(jù)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在采用95 mm直徑凍結(jié)管后各個(gè)界面應(yīng)力減少了30%左右(見(jiàn)表1)。

6 結(jié)語(yǔ)

在砂、卵石地層內(nèi)施工凍結(jié)管時(shí)，往往對(duì)于管體磨損較大，易產(chǎn)生施工中斷管的問(wèn)題，即使凍結(jié)管并未斷裂，但隨著凍結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，凍結(jié)管產(chǎn)生的斷裂性也較大增加。經(jīng)過(guò)分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)通過(guò)采用外節(jié)箍或改變外徑情況下由于凍結(jié)管厚度增加，管體抗磨損能力增強(qiáng)，保證了鉆孔在凍結(jié)期間的安全，而外徑的改變可有效增加凍結(jié)管抗變形能力，保證了開挖過(guò)程的安全。

[1] 楊維好,黃家會(huì).凍結(jié)管受力分析與試驗(yàn)研究[J].冰川凍土,1999(21)：33-38.

[2] 崔廣心,楊維好.凍結(jié)管受力的模擬試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1990，19(2)：57-64.

[3] 李功洲.基于彈性基礎(chǔ)梁理論的凍結(jié)壁和凍結(jié)管變形與受力分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2001,26(3):258-264.

[4] 經(jīng)來(lái)旺,程三友,郭奕娣.凍結(jié)管斷裂位置的確定[J].西安科技學(xué)院學(xué)報(bào),2000,20(2):113-116.

Research on drilling craft for the contact passage at freezing construction at sandy cobble stratum★

Zhang Song

(BeijingChinaCoalMineEngineeringCo.,Ltd,Beijing100013,China)

In order to research the common tube breakage of the freezing construction’s contact passage in the sandy cobble stratum, analyzes the difficulties in the drilling construction of the contact passage, points out some improvement approaches by altering the sizes of the freezing pipe and adjusting the weak zone interface, so as to lower the risks of the breakage accidents according to the site calculation and numeric simulation.

contact passage, freezing method, drilling, cobble stratum

2015-05-23★：北京地鐵區(qū)間隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目資助

張 松(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)22-0100-02

TU745

A