富水砂層水平凍結(jié)孔鉆孔工藝研究

陳 紅 蕾

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

富水砂層水平凍結(jié)孔鉆孔工藝研究

陳 紅 蕾

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

通過(guò)不排渣保壓鉆進(jìn)與混合造孔工藝鉆進(jìn)試驗(yàn)，分析了阻礙鉆孔施工的關(guān)鍵因素，提出了保壓鉆進(jìn)泥漿循環(huán)工藝，實(shí)現(xiàn)了保壓系統(tǒng)的有效排渣，為水平鉆孔施工提供了保障。

凍結(jié)法，鉆孔施工，保壓鉆進(jìn)，泥漿循環(huán)系統(tǒng)

1 背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口數(shù)量的急劇增長(zhǎng)，城市化的進(jìn)程不斷加快，大規(guī)模的房屋和道路建設(shè)使得地面的可利用空間越來(lái)越小，開(kāi)發(fā)地下空間成為擴(kuò)展人們生活空間的重要手段和發(fā)展趨勢(shì)。目前全國(guó)48個(gè)百萬(wàn)人口以上的特大城市中25個(gè)城市正在進(jìn)行軌道交通的前期工作，總規(guī)劃里程超過(guò)5 000 km，總預(yù)算超過(guò)8 000億元。在今后的20年內(nèi)，軌道交通將始終處于高速發(fā)展時(shí)期[1]。

由于軌道交通穿過(guò)的部分地層水文地質(zhì)條件和施工環(huán)境復(fù)雜，特別是含承壓水地層，礦山法降水困難，凍結(jié)法以其良好的封水和加固效果，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，給疑難軟土地層地下結(jié)構(gòu)施工提供了安全有效手段[2]。凍結(jié)法在京津翼地區(qū)以及全國(guó)所有建設(shè)軌道交通的城市均有廣闊的應(yīng)用前景。

造孔施工是凍結(jié)法施工關(guān)鍵工序[3]。操作不當(dāng)不僅影響施工質(zhì)量、造孔施工困難等，而且在富水砂層有可能引發(fā)較大水土流失，影響周圍結(jié)構(gòu)物的安全。

利用凍結(jié)法施工的水平凍結(jié)工程一般處于富水土層中，土體不能夠自穩(wěn)，鉆孔完成拔出鉆桿后，水平孔立即縮頸或完全閉合，故水平凍結(jié)孔施工目前主要有兩種方法[4]：1)夯管法。北京中煤礦山工程有限公司自2005 年以來(lái)，采用夯管法施工凍結(jié)管，取得突破。2)跟管鉆進(jìn)法。即鉆桿兼作凍結(jié)管,鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度時(shí)鉆桿即留置孔內(nèi)作凍結(jié)管,鉆頭則留在土中。

夯管法雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于標(biāo)貫值大于35的土層，夯進(jìn)速度慢，施工困難，同時(shí)隨夯入長(zhǎng)度的增加，鉆孔精度相對(duì)較差。可見(jiàn)，廣泛應(yīng)用的夯管法施工凍結(jié)孔在砂層這種低壓縮性地層受到較大限制。

2 鉆孔保壓試驗(yàn)

鄭州08標(biāo)機(jī)場(chǎng)線6號(hào)聯(lián)絡(luò)通道主要開(kāi)挖土層為⑥層細(xì)砂層、⑥1粉土層。6號(hào)聯(lián)絡(luò)通道埋深約19.6 m(該埋深為隧道頂部至地面的高度)，聯(lián)絡(luò)通道正上方為機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)通道相對(duì)凈距約為8.7 m(該埋深為隧道頂部至捷運(yùn)通道結(jié)構(gòu)底部的高度)，地下水穩(wěn)定水位埋深約8.2 m。地面上方為機(jī)場(chǎng)二期正在修建的機(jī)場(chǎng)跑道。

根據(jù)地質(zhì)資料，鉆孔施工主要穿過(guò)⑥層細(xì)砂層，該地層標(biāo)貫42，夯管施工困難，工程優(yōu)先選用跟管鉆進(jìn)法施工。工程選用MD-80型水平鉆機(jī)1臺(tái)，電機(jī)功率37 kW，選用BW-250/50型泥漿泵1臺(tái)，電機(jī)功率14.5 kW。施工中對(duì)部分孔進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)。

2.1 不排渣保壓鉆進(jìn)

在造孔過(guò)程中，對(duì)個(gè)別凍結(jié)鉆孔施工采用不排渣保壓鉆孔工藝，并進(jìn)行了參數(shù)記錄。D3-1孔在粉砂層中造孔施工，泥漿中加入少許膨潤(rùn)土，自始至終壓入泥漿。

從D3-1鉆孔記錄數(shù)據(jù)中可以看出，隨著鉆孔深度的增加，鉆孔與凍結(jié)管摩擦力增加、凍結(jié)管自重增加，轉(zhuǎn)動(dòng)凍結(jié)管的扭矩與凍結(jié)管前進(jìn)的推力必然增加，反映在施工參數(shù)上，體現(xiàn)為提供鉆機(jī)扭矩和推力的液壓系統(tǒng)總壓力迅速增大；因?qū)⒖卓诠苄箟洪y關(guān)閉，采用不排渣壓漿鉆進(jìn)，摻入膨潤(rùn)土的泥漿雖然對(duì)凍結(jié)管起到一定的潤(rùn)滑作用，但是膨潤(rùn)土也具有很好的封水效果，形成漿液壓入地層越來(lái)越差的封閉系統(tǒng)，必然造成泥漿壓力逐漸增大，而隨鉆進(jìn)過(guò)程增加，鉆頭切削的土屑在孔內(nèi)堆積越來(lái)越多，增加鉆孔施工的扭矩和推力，造成鉆機(jī)成孔越來(lái)越難，效率逐漸減低(見(jiàn)圖1，圖2)。

2.2 混合鉆孔工藝鉆進(jìn)

混合鉆孔施工工藝：鉆孔施工過(guò)程中首先在富水砂層中開(kāi)孔采用純無(wú)循環(huán)液鉆進(jìn)(干鉆)，邊回轉(zhuǎn)邊給進(jìn)，并來(lái)回給進(jìn)起拔鉆具以松動(dòng)土層減小摩擦阻力，由于地層本身為含水地層，而并不是真正意義上的干鉆，鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)和給進(jìn)主要克服土層抱緊鉆桿時(shí)對(duì)鉆桿的擠壓張力和相互之間的摩擦阻力。一般當(dāng)鉆機(jī)在干鉆鉆到一定深度后，繼續(xù)鉆進(jìn)施工困難，不能繼續(xù)大量的進(jìn)尺，當(dāng)轉(zhuǎn)不動(dòng)也頂不動(dòng)時(shí)，將鉆機(jī)回轉(zhuǎn)手把置于正轉(zhuǎn)檔位并打開(kāi)泥漿泵，調(diào)小排量至20 L/min，泵壓1 MPa左右，持續(xù)數(shù)秒當(dāng)鉆桿能轉(zhuǎn)動(dòng)后停泵，邊回轉(zhuǎn)邊給進(jìn)繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)速度明顯加快。當(dāng)間歇泵入泥漿作用不明顯時(shí)，可在泵壓作用下，慢慢開(kāi)啟孔口管卸壓孔對(duì)孔內(nèi)砂渣進(jìn)行清理，但避免過(guò)量泥砂涌出。然后關(guān)閉卸壓孔繼續(xù)鉆進(jìn)。

采用混合鉆孔施工工藝，當(dāng)D3-2孔開(kāi)始鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)液壓系統(tǒng)總壓力不大，在16 MPa左右，而鉆進(jìn)效率非常高，達(dá)到1 m/min，而鉆進(jìn)到深度6 m左右時(shí)，鉆進(jìn)困難、液壓系統(tǒng)總壓力偏大時(shí)，鉆孔轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大，鉆進(jìn)效率低，此時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)工藝，開(kāi)啟泥漿泵給壓持續(xù)數(shù)秒，關(guān)閉泥漿泵，再繼續(xù)鉆進(jìn)，此時(shí)鉆進(jìn)阻力迅速減小，鉆機(jī)液壓系統(tǒng)總壓力僅為16 MPa左右，鉆進(jìn)效率也增加。當(dāng)鉆進(jìn)到13 m時(shí)，再次遇阻，開(kāi)啟泥漿泵給壓持續(xù)數(shù)秒效果不明顯，開(kāi)啟卸壓孔排渣后，鉆進(jìn)略有改善，鉆孔再次鉆進(jìn)(見(jiàn)圖3，圖4)。

在整個(gè)鉆進(jìn)工藝措施轉(zhuǎn)換后，鉆進(jìn)阻力略有改善，但隨深度增加，鉆進(jìn)效率逐漸減小，鉆進(jìn)阻力逐漸增大的總趨勢(shì)沒(méi)有變化。

3 鉆孔施工改進(jìn)的保壓鉆進(jìn)泥漿循環(huán)工藝

鉆孔施工中排渣是重點(diǎn)，從工業(yè)性鉆孔試驗(yàn)得到了充分的體現(xiàn)。如何在保壓系統(tǒng)中能有效排渣成為鉆孔施工的關(guān)鍵。

在砂卵石地層鉆孔施工中，傳統(tǒng)的非閉式保壓泥漿循環(huán)系統(tǒng)常常造成砂卵石地層塌孔而砂石置換不出形成鉆桿旋轉(zhuǎn)阻力，或鉆進(jìn)過(guò)程中噴砂造成地層水土流失過(guò)大，地面沉降過(guò)大，對(duì)周圍結(jié)構(gòu)及成品凍結(jié)孔造成安全威脅。

保壓泥漿循環(huán)工藝是一種既不造成水土流失又不影響鉆孔在泥漿保護(hù)的情況下正常推進(jìn)的泥漿循環(huán)系統(tǒng)。該循環(huán)系統(tǒng)是利用在閉式循環(huán)系統(tǒng)的保壓作用下改變流體流速和流動(dòng)方向?qū)崿F(xiàn)固(砂石)液(泥漿)分離的泥漿保壓循環(huán)系統(tǒng)(見(jiàn)圖5)。

保壓鉆進(jìn)要選取合適的壓力，該壓力不能太小，既能支撐鉆孔孔殼內(nèi)形成完整的泥皮，也不能過(guò)大，使地層劈裂，破壞泥皮，保壓壓力宜選用范圍：

γ1H

式中：P——保壓壓力；γ1——水的比重；γ2——水土的比重；H——鉆孔區(qū)域埋深。

4 結(jié)語(yǔ)

由鉆孔工業(yè)性試驗(yàn)可知，無(wú)論傳統(tǒng)的不排渣保壓鉆進(jìn)，還是混合造孔工藝鉆進(jìn)，雖然在整個(gè)鉆進(jìn)工藝措施實(shí)施后，鉆進(jìn)阻力略有改善，但隨深度增加，鉆進(jìn)效率逐漸減小，鉆進(jìn)阻力逐漸增大的總趨勢(shì)沒(méi)有變化。主要原因是無(wú)法在保壓系統(tǒng)中有效排渣，成為阻礙鉆孔施工的關(guān)鍵。為保證在保壓系統(tǒng)下有效排渣，首次提出了保壓泥漿循環(huán)系統(tǒng)，為水平鉆孔施工提供保障。

[1] 曹 沖.城市地鐵建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略探索[J].科技展望,2016(14):47.

[2] 岳 敏,蔣國(guó)盛.大連路越江隧道連接通道水平凍結(jié)孔的鉆進(jìn)[J].西部探礦工程,2004(2):103-113.

[3] 李慶禹,張 建,岳 鵬.圓礫地層中地鐵聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)孔施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013(6):189-194.

[4] 朱 徑,馬 進(jìn).長(zhǎng)距離水平凍結(jié)孔施工技術(shù)在廣州地鐵的應(yīng)用[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006(5):12-15.

Research on the drilling process of water rich sand horizontal freezing

Chen Honglei

(BeijingChinaCoalMineEngineeringLimitedCompany,Beijing100013,China)

Through the drilling experiment of un-slag pressure maintain drilling and mixed drilling technology, this paper analyzed the key factors hindering the drilling construction, put forward the pressure maintain drilling mud circulation process, realized the effective slag of pressure maintain system, provided guarantee for horizontal drilling construction.

freezing method, drilling construction, pressure maintain drilling, mud circulation system

1009-6825(2017)01-0111-03

2016-10-25

陳紅蕾(1981- )，男，助理研究員

TD265.34

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