RPD多功能鉆機在翔安海底隧道F1風化槽施工中的應(yīng)用

張啟萌

(中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北 涿州072750)

圖1 廈門翔安海底隧道

中國大陸第一座海底隧道—廈門翔安海底隧道（見圖1），是廈門第三條進出通道，是連接廈門翔安區(qū)陸地和市島的重要交通通道，其中海底隧道全長5.948km，海域段4.2km。隧道自廈門湖里區(qū)五通起，翔安區(qū)西濱止，最深處在海平面下70m，采用三孔隧道方案，中孔為服務(wù)隧道，兩側(cè)為行車主洞各設(shè)置3車道。隧道施工采取鉆爆法，該段施工有三大難點：淺灘全風化層段、沙礫層段和海底風化槽，從進口到出口依次穿越海底F1、F4、F2、F3風化深槽（見圖2），地質(zhì)條件極其復(fù)雜。涌水突泥風險極高，施工難度大。

圖2 海底F1、F4、F2、F3風化深槽

圖3 隧道縱斷面設(shè)計（最大縱坡：3%）

隧道F1風化槽（見圖3）位于YK8+322～YK8+470，全長 148m，高 13.3m，寬 18m，開挖面積186m2，距洞口1763m，洞頂距海平面約56m，該部位海水深度20～27m，頂板覆蓋層厚度28m～35m。超前探測最大水壓為0.3～0.5MPa，單孔最大涌水量45m3/h。地質(zhì)情況風化嚴重，含水量大，呈軟塑砂質(zhì)粘性土狀，并含有中、粗砂。

為解決海底隧道安全通過風化槽技術(shù)難題、確保施工安全，在對海底風化深槽地層特性和加固機理研究后，決定采用具國際先進水平的全斷面帷幕注漿技術(shù)。該工法成熟、安全、環(huán)保、高效，但對設(shè)備的先進性和穩(wěn)定性也提出了更高要求。

1 RPD多功能鉆機在F1風化槽施工中的優(yōu)缺點

對宜萬線齊岳山隧道工地的RPD150型鉆機進行了現(xiàn)場考察，主要了解RPD150型鉆機在隧道中的鉆孔速度、孔徑范圍、能否實現(xiàn)隨鉆隨注等性能。隨后通過各種研究、對比分析，并結(jié)合翔安海底隧道F1風化槽的實際特點，選取了日本礦研RPD多功能鉆機RPD-75SL-H2和RPD-150c。

1.1 RPD多功能鉆機的優(yōu)勢

RPD多功能系列鉆機，即全液壓旋轉(zhuǎn)沖擊式鉆機，采用“礦研”液壓沖擊動力頭，在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上增加后釘錘式的液壓打擊功能，配合其他功能可直接進行鉆孔取芯、鉆桿注漿，后沖擊錘裝置也可輕松解決裂隙巖體和破碎帶巖體帶來的卡鉆問題[1]。RPD多功能鉆機先后在廈門翔安海底隧道、蘭新鐵路、滬昆鐵路、宜萬鐵路齊岳山隧道、祁連山隧道、大麗高速下山口隧道、渝利鐵路、引漢濟渭秦嶺輸水隧道、熊洞灣隧道、膠州灣隧道等工程中發(fā)揮了重要作用，得到用戶的一致好評。而國產(chǎn)鉆機主要依靠壓縮空氣驅(qū)動的空壓潛孔錘作業(yè)，無法完成F1風化槽比較關(guān)鍵的超前地質(zhì)預(yù)報、鉆注一體等工序。RPD多功能鉆機與其他鉆機對比見表1。

1.2 RPD-150c多功能鉆機基本參數(shù)

RPD-150c以柴油發(fā)動機驅(qū)動，采用履帶行走，水平最大鉆孔深度為150m，鉆孔直徑在65～225mm之間，最大旋轉(zhuǎn)扭矩8000N·m，最大旋轉(zhuǎn)數(shù)80r/min，最大打擊數(shù)2200bp/m，最大爬坡角度30。，工作仰角45。～90。，水平鉆孔最高3.6m，最低2.3m。

1.3 RPD多功能鉆機的特點

1.3.1 進行長距離地質(zhì)超前預(yù)報

針對翔安海底隧道F1風化槽，RPD多功能鉆機掌握掌子面地質(zhì)主要通過MWD工法和沖擊式鋼絲繩取芯工法。①MWD工法。通過測定、分析鉆機鉆孔時采集的數(shù)據(jù)（比如鉆孔速度、扭矩、旋轉(zhuǎn)壓力、深度、打擊壓力等），判斷掌子面前方地質(zhì)。②沖擊式鋼絲繩取芯工法。該工法非常適合軟弱破碎巖層，無需拔出鉆桿就可進行水平、垂直取芯。

表1 F1風化槽施工中RPD多功能鉆機與其他鉆機對比

1.3.2 實現(xiàn)鉆孔注漿一體化

RPD多功能鉆機可直接通過鉆桿實現(xiàn)注漿，不同地質(zhì)情況可采用不同注漿工法，比如孔口注漿、前進式注漿、后退式注漿等?？纱蟠筇岣吖ぷ餍剩档褪┕こ杀?。

2 RPD鉆機在F1風化槽施工中應(yīng)用

F1風化槽作為翔安海底隧道施工中的重難點，其施工工法、施工工序及銜接都經(jīng)過了反復(fù)研究和論證，其主要施工工序都與RPD多功能鉆機緊密相關(guān)（見圖4）。

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

止?jié){墻施工完成后，用RPD多功能鉆機進行超前地質(zhì)預(yù)報，取芯孔的鉆進鉆頭為Φ127mm，鉆桿直徑為Φ89mm。先安裝Φ108mm的孔口管，孔口管外端連接閘閥、法蘭盤和注漿止水裝置（見圖5），再安裝注漿壓力表。定位完成后開鉆，到設(shè)計位置后撤回鉆頭，然后更換Φ101mm鉆頭、Φ89mm的鉆桿，采用PS沖擊式鋼絲繩取芯工法，不需拔出鉆桿就可快速取芯，大大提高了取芯速度和質(zhì)量（見圖6）。

圖4 F1風化槽帷幕注漿多功能鉆機工藝流程

圖5 注漿結(jié)構(gòu)及防突水裝置

圖6 多功能鉆機取芯樣品

2.2 鉆孔注漿

RPD多功能鉆機在F1風化槽中進行鉆注一體化施工，大大降低了成本，提升了工作效率。

2.2.1 鉆孔

鉆孔準確定位后，RPD多功能鉆機盡量貼近巖面，以保證開孔質(zhì)量，按試驗方案設(shè)計的定位準確開孔。開孔時要輕加壓、慢速、大水量。孔深超過30m后，避免高壓、快速鉆進，防止塌孔或斷桿事故。

2.2.2 后退式注漿

結(jié)合F1風化槽地質(zhì)復(fù)雜性及RPD多功能鉆機的先進性，F(xiàn)1風化槽采用后退式注漿法（見圖7）。

圖7 后退式注漿法

后退式注漿法優(yōu)點是工效高，重復(fù)掃孔工作量小，能實現(xiàn)定位、控域注漿，操作較簡單，注漿效果較易保證。缺點是對孔口管的密封性要求較高，且注漿設(shè)備要足夠先進。

后退式注漿過程如下：待鉆孔到預(yù)訂位置后，根據(jù)選定的參數(shù)配制漿液，檢查注漿管，確認暢通后將注漿管路接頭和水轉(zhuǎn)換器連接好，進行后退式注漿[2]，當注漿壓力達到設(shè)計值時，維持2-3min，進漿量達到設(shè)計數(shù)量則停止注漿，清洗管路，關(guān)閉閥門，待雙液漿初凝后，退兩根鉆桿進行下一段注漿，每段以3m為單位，直到該孔完全注漿完成[3]。在F1風化槽第一循環(huán)的102個孔的注漿過程中，每孔長25-34m，鉆孔時間為1.5-2h/孔，注漿時間為4-9h/孔，這個速度是傳統(tǒng)注漿法的3倍，并且注漿效果良好[4]。通過檢測，注漿效果能使原單孔最大涌水量45m3/h降低到0.11L/min.m，注漿的堵水率達到95%以上，開挖時無水，漿液脈絡(luò)清晰可見（見圖8）。

圖8 F1風化槽開挖時注漿效果及YK8+358一部開挖斷面情況

3 RPD多功能鉆機的不足

在F1風化槽透水性強、易涌水突泥的惡劣地質(zhì)條件下，RPD多功能鉆機在取芯、鉆注一體等方面都展示了其先進性，但同時不可避免存在一些不足之處[5]。

①極端環(huán)境下穩(wěn)定性需加強。F1風化槽海水腐蝕性較強，隧道內(nèi)施工一段時間后，鉆機發(fā)動機及電路故障率較高，線路老化快。②鉆桿使用壽命短。在F1風化槽第一循環(huán)施工過程中，就存在φ57鉆桿因磨損嚴重而出現(xiàn)斷裂的情況。

4 結(jié)語

事實證明，RPD多功能鉆機能適應(yīng)各種工況，用途多種。F1風化槽作為廈門翔安海底隧道最具挑戰(zhàn)性的重難點工程，采用全斷面帷幕注漿工法，通過合理使用RPD多功能鉆機，攻克諸多技術(shù)難題，通過超前地質(zhì)預(yù)報、止水防突、鉆注一體化，有效改良F1風化槽圍巖土體，提高了施工安全系數(shù)，加快了施工進度，降低了成本。同時，也驗證了新型高科技設(shè)備在解決重大工程難題中所起的重要性和決定性作用。