輸水隧洞豎井垂直凍結(jié)施工管理

柴曉琴

摘 要：引洮供水7#隧洞豎井穿越含水松散粉細(xì)沙層，選用垂直凍結(jié)孔凍結(jié)地層，礦山法暗開挖施工。根據(jù)現(xiàn)場對(duì)豎井垂直凍結(jié)施工過程中總結(jié)的施工管理經(jīng)驗(yàn)，文章分別從垂直凍結(jié)設(shè)計(jì)管理、垂直凍結(jié)孔施工管理等方面進(jìn)行解析，通過精細(xì)化管理，嚴(yán)格控制各工序施工質(zhì)量，為開挖和構(gòu)筑施工提供了安全保障。

關(guān)鍵詞：含水疏松沙層 凍結(jié)設(shè)計(jì) 垂直鉆孔

1.工程概況

引洮供水7#隧洞在樁號(hào)5 7+8 41 . 5處施工豎井，豎井深度為241.0m，支護(hù)襯砌后凈直徑為6.00m；開挖深度為250.0m，開挖荒徑為7.2m，井壁選用C40-P10防水鋼筋混凝土。

豎井主要穿越地層為松散沙層，該地層富含水，無自穩(wěn)性，施工困難。先選用垂直凍結(jié)施工臨時(shí)加固地層，然后在凍土帷幕內(nèi)進(jìn)行開挖和構(gòu)筑施工。

在豎井的垂直凍結(jié)施工過程中，凍結(jié)施工設(shè)計(jì)是靈魂，垂直凍結(jié)孔施工則是凍結(jié)施工成功的關(guān)鍵。

2.垂直凍結(jié)設(shè)計(jì)管理

2.1凍結(jié)深度設(shè)計(jì)管理

豎井的開挖深度按照250m考慮，下部增加30m凍結(jié)深度（由于井筒下部沒有凍實(shí)，并且沒有確認(rèn)可靠的隔水層，增加30m凍結(jié)深度來延長底部的水的滲流路徑），因此豎井的凍結(jié)深度為280m。

2.2凍結(jié)壁厚度的確定

豎井凍結(jié)壁的確定以開挖深度為250 m作為控制截面，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。豎井掘進(jìn)段高取b=3.6m，凍結(jié)壁平均溫度取Tc=-10.0°c，參考7#隧洞出口類似土體凍土試驗(yàn)，取-10℃時(shí)的凍土強(qiáng)度：[σ]=5.5MPα。

根據(jù)豎井開挖深度、掘進(jìn)段高等參數(shù)，選用多姆克公式E=Rα[0.29（P/σs）+2.3（P/σs）2]對(duì)凍結(jié)壁的厚度進(jìn)行核算，計(jì)算得：凍結(jié)壁厚度為3m。

2.3凍結(jié)孔的布置

（1）凍結(jié)圈徑

根據(jù)凍結(jié)孔圈徑公式D=D荒+2×（0.55×E+γ×H），結(jié)合凍土擴(kuò)展速度、開挖構(gòu)筑施工速度及相似凍結(jié)豎井的施工案例，計(jì)算出豎井凍結(jié)孔圈徑為10.6m。

（2）凍結(jié)孔數(shù)

豎井凍結(jié)孔數(shù)通過公式N=πD/L計(jì)算得：豎井凍結(jié)孔26個(gè)。

（3）開孔間距

根據(jù)豎井凍結(jié)孔開孔間距公式L=πD/N計(jì)算得：凍結(jié)孔開孔間L=1.28m。

2.4測溫孔和水文孔的布置

為了判斷凍結(jié)壁發(fā)展情況，在凍結(jié)壁內(nèi)邊界布置1個(gè)測溫孔，在凍結(jié)壁外邊界布置1個(gè)測溫孔，共設(shè)2個(gè)測溫孔，孔深均為250m。根據(jù)測斜成果圖，選出終孔間距最大的凍結(jié)孔位置布置測溫孔。

水文孔設(shè)計(jì)2個(gè)，深孔235m，淺孔180ml。其中每個(gè)水文孔內(nèi)不同含水層水位的報(bào)道以套管的方式進(jìn)行。

2.5施工材料的管控

（1）凍結(jié)管

規(guī)格：φ133×6.0mm，材質(zhì)：無縫鋼管，連接形式：外管箍焊接。測溫管和水文管規(guī)格、材質(zhì)和連接形式同凍結(jié)管。

（2）供液管

供液管規(guī)格：φ75×5mm，材質(zhì)：聚乙烯塑料管。

（3）鹽水循環(huán)

凍結(jié)孔全部采用正循環(huán)。

3.垂直凍結(jié)孔施工管理

3.1鉆孔施工設(shè)備管控

鉆機(jī)和泥漿泵選型：選用DZJ-1000型鉆機(jī)，配TBW850/50型泥漿泵。

鉆桿：以滿足陀螺儀測斜和鉆孔過程中扭矩傳遞為標(biāo)準(zhǔn)，鉆桿選用Φ89mm。

鉆鋌：為了讓鉆桿工作的垂直和穩(wěn)定，孔底實(shí)現(xiàn)加壓，防止凍結(jié)孔偏斜，采用Φ140mm鉆鋌。

鉆頭：根據(jù)鉆孔直徑和鉆孔區(qū)域地質(zhì)柱狀圖，采用Φ140mm三牙輪鉆頭和復(fù)合片鉆頭。

鉆具組合：動(dòng)力鉆桿（108×108mm）+鉆桿（Φ89mm）+加重鉆鋌（Φ14 0 m m）+鉆頭（Φ190mm）。

糾偏鉆具：設(shè)計(jì)凍結(jié)孔偏斜靶域半徑≤0.4m，要求較高，為提高糾偏效率，螺桿鉆具采用5LZ146×7型。

糾偏鉆具組合：動(dòng)力鉆桿（108×108mm）+鉆桿（Φ89mm）+穩(wěn)定器+彎接頭+螺桿鉆+牙輪鉆頭（Φ190mm）。

測斜：根據(jù)凍結(jié)工程質(zhì)量要求，選用JDT-6A型陀螺測斜儀。

3.2鉆孔施工管理

（1）移位與找正

為了準(zhǔn)確地把鉆塔放到凍結(jié)孔設(shè)計(jì)的點(diǎn)位上，通過吊線墜，將鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤中心的“十”字線與設(shè)計(jì)點(diǎn)位重合。孔位的誤差要≤20mm。

在鉆機(jī)定位后，要通過找正，保證鉆孔中心、轉(zhuǎn)盤中心和鉆塔天輪中心在同一條垂線上。

（2）開孔與鉆進(jìn)

找正完成后，可進(jìn)行開孔施工。剛開孔時(shí)，鉆具由于上下重量不均勻，容易造成鉆孔偏斜；在剛鉆孔過程中，鉆速要慢，不可加大壓力，只有在鉆孔深度>5m后，才可使用鉆鋌。鉆孔深度>20m后，可慢慢進(jìn)行正常鉆孔，但需加長鉆鋌，防止凍結(jié)孔偏斜。凍結(jié)孔施工順序主要如下：施工準(zhǔn)備→鉆孔定位找正→鉆進(jìn)→測斜→鉆進(jìn)→成孔→下凍結(jié)管→試壓→移位。為了保證正常鉆孔，應(yīng)控制好以下幾點(diǎn)：

①正確選用鉆頭

鉆頭的選擇決定著鉆進(jìn)的速度，同時(shí)鉆頭對(duì)鉆孔的偏斜影響也比較大。

在普通表土層鉆孔一般選用三牙輪鉆頭，在砂巖層中一般使用復(fù)合片鉆頭。三牙輪鉆頭由于牙齒長，鉆進(jìn)快，鉆孔不易偏斜；復(fù)合片鉆頭在在砂巖層中鉆進(jìn)效率要比三牙輪鉆頭高。

②采用合理的鉆進(jìn)參數(shù)

在鉆孔過程中，要根據(jù)不同的地質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)的鉆速和鉆壓，以保證鉆孔正常進(jìn)行，以減小偏斜。對(duì)卵石地層，要低速高壓，同時(shí)要采用三牙輪鉆頭。

③使用性能適宜的泥漿

在鉆孔施工過程中，泥漿的配比和循環(huán)量影響著鉆進(jìn)速度、鉆孔偏斜及凍結(jié)管的成功下放。一般通過控制泥漿粘度來護(hù)壁，防止塌孔；通過增加泥漿泵循環(huán)量來帶出鉆孔中的巖粉，特別是大顆粒巖屑，以防止卡鉆和鉆孔偏斜。在鉆進(jìn)過程中，還需要根據(jù)地層和泥漿變化及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

該豎井鉆孔施工泥漿是在膨潤土中外加純堿和聚丙烯銨鹽構(gòu)成。

（3）測斜與糾偏

凍結(jié)孔偏斜要求：凍結(jié)孔靶域半徑≤0.40m。

①鉆孔測斜

為了保證鉆孔偏斜達(dá)到設(shè)計(jì)要求，每鉆20～30m，用陀螺儀進(jìn)行測斜一次。根據(jù)測斜數(shù)據(jù)，進(jìn)行糾偏。在鉆孔鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，要每隔20m，進(jìn)行全孔測斜，根據(jù)測斜數(shù)據(jù)，繪制鉆孔偏斜圖，以調(diào)整相鄰孔鉆進(jìn)參數(shù)。

②糾偏工作

在測斜過程中，發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜后，要及時(shí)糾偏。在鉆孔深度≤100m時(shí)，一般根據(jù)偏斜量，從一個(gè)方向把鉆塔墊高一定高度，進(jìn)行糾偏。在在鉆孔深度>100m時(shí)，一般采用螺桿鉆具進(jìn)行糾偏。

（4）下管與試壓

凍結(jié)管下放前，應(yīng)檢查鉆孔施工是否達(dá)到以下要求：

①鉆孔實(shí)際深度要>設(shè)計(jì)度2.0m以上，以保證巖粉有足夠的沉淀空間。

②成孔提鉆后，務(wù)必測量所有鉆具長度，以復(fù)核鉆孔深度是否超過設(shè)計(jì)深度。

③增大泥漿循環(huán)量，盡可能把孔內(nèi)巖粉帶出，以保證成功下管。

④下管前應(yīng)調(diào)整泥漿濃度和粘度，以防泥漿吸住凍結(jié)管。

⑤要經(jīng)過多方對(duì)孔深、偏斜、偏向等驗(yàn)收后，方可進(jìn)行下管。

⑥下管前的配管也很重要，每根管的長度要丈量準(zhǔn)確、管要平直、外部沒有瑕疵。

壓力試驗(yàn)：先在凍結(jié)管口焊上燜板，然后在燜板上焊打壓管路，打壓管路與液壓打壓泵相連。待焊口冷卻至常溫后，啟運(yùn)打壓泵，壓力達(dá)1.5MPa，停止打壓泵，關(guān)閉打管管路上的閥門，記錄壓力表的初始?jí)毫Γ?0min后再次記錄壓力表的壓力，若無變化為合格；若有變化，再觀察30min，與第二次記錄相比，若無變化為合格；若有變化，查找泄壓原因，在確認(rèn)非外部原因時(shí)，需拔管重新下管。

3.3測溫孔、水文孔的施工管理

測溫孔和水文孔施工與凍結(jié)孔施工相似，但在測溫管下放過程中不能加水，因此對(duì)泥漿的配比要求更高。

根據(jù)地下含水層的位置，設(shè)置水文花管。水文花管的設(shè)置：先在花管上包一層鋼絲網(wǎng)，然后再包上棕皮，最外層包50目鋼絲網(wǎng)，最后每間隔10cm用14#鐵線把鋼絲網(wǎng)綁扎牢固。水文花管的外部包裹厚度要均勻、結(jié)實(shí)。

水文管下完后，要及時(shí)用清水沖孔，以防泥漿堵住花管處鋼絲網(wǎng)。

4.結(jié)束語

綜上所述，在豎井垂直凍結(jié)施工過程中，分別從垂直凍結(jié)設(shè)計(jì)管理、垂直凍結(jié)孔施工管理等方面進(jìn)行精細(xì)化管理，嚴(yán)格控制各工序施工質(zhì)量，為開挖和構(gòu)筑施工提供了安全保障，同時(shí)為水利行業(yè)今后進(jìn)行相關(guān)凍結(jié)施工管理提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]惠本利，王建平.大海則煤礦立井凍結(jié)設(shè)計(jì)比較及建議[J].煤炭工程，2014（09）：8-11.

[2]薛毅宏.副立井井筒凍結(jié)設(shè)計(jì)方案及施工技術(shù)[J].煤炭工程，2014（03）：29-31.