砂卵石地层冻结施工联络通道的钻孔工艺研究★

张 松

(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

·施工技术·

砂卵石地层冻结施工联络通道的钻孔工艺研究★

张 松

(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

为了研究冻结法施工联络通道在砂卵石地层中常见的断管现象，对联络通道钻孔施工的难点进行了分析，提出了改变冻结管尺寸，调整薄弱区域界面的改进方式，并通过现场验证以及数值模拟计算，最终降低了断管事故的发生风险。

联络通道，冻结法，钻孔，卵石层

目前随着城市轨道交通的发展，联络通道的冻结法施工越来越多，而大量的线路交叉、过大埋深线路的出现导致了大量的联络通道位于富水砂、卵石地层内，这类地层中土体对于钻进中冻结管的磨损尤为严重，最终往往会出现钻进过程中冻结管断裂，或强度大幅降低最终在冻结期间引起管路断裂盐水泄露，最终造成极大损失。本文通过对北京地铁6号线玉带河大街站—郝家府站1号、2号联络通道钻孔施工实际情况进行分析，针对砂、卵石地层施工经验进行总结、分析，提出了一系列有利于联络通道钻孔施工的改进措施。

1 工程概况

北京地铁6号线二期工程玉带河大街站—郝家府站区间联络通道工程位于北京市通州区，其中1号联络通道地表为京哈铁路以及北运河区域，2号联络通道地表为空旷杨树林。根据设计两座联络通道均采用冻结法施工，施工区域根据地勘显示，1号联络通道上部区域为部分砾石层，中下部区域为细砂层，2号联络通道全断面为细中砂层(灰黄～灰色，密实，饱和，标贯击数平均值为57，属低压缩性土，局部含粉细砂夹层)。根据施工情况观测可以发现，施工中1号联络通道下部、2号联络通道部分区域大量存在卵石地层而非全部砂层施工，卵石直径最大接近6 mm。

2 钻孔施工难点

本工程两座联络通道均位于承压水层中，因此施工中需注意采取止水措施，避免施工打开管片后出现涌砂、冒泥。同时由于联络通道大部分钻孔施工位于砂、卵石地层中，周围土体对冻结管磨损较为严重，易对于管体强度产生影响。施工中如果加大对于砂、石的疏通，必然带来大量的水土流失，对于地表产生较大变形，而如果不对于砂、石进行疏通，必然对冻结管产生极大的磨损，从而影响施工安全。

3 施工过程问题及分析

本工程施工中主要面对的问题为砂卵石地层对于冻结管的磨损。在维持正常泄压的状态下，透孔及普通冻结孔施工中普遍出现了断管问题，成为了本工程最大的难点。根据断孔情况分析可以发现，冻结管断裂区域主要位于两根冻结管之间的连接位置，根据现场测量，钻进1 m～2 m后由于土层原因钻进缓慢，同时通过泥浆的正循环带动了大量的砂石堆积于靠近管片位置，使得冻结管磨损严重，一旦管路连接位置通过该区域，长时间的磨损使得连接处母扣位置本就薄弱的区域更加薄弱，最终形成了对于接口处的破坏，导致冻结管断裂。

其中最为严重的1号联络通道透孔施工，由于其钻进时间较长，虽然采用了加大泄砂通道的方法，但仍无法避免断管，后期计划使用地质钻杆先进行首次导孔，然后下放冻结管，但在实际施工中发现对于砂、卵石地层，成孔后一旦钻杆抽出成孔极易塌孔，最终选择采用地质钻杆导孔，然后跟进冻结管进行钻进，从而避免了抽出钻杆的工序，完成了整个透孔施工。

整体施工可以发现，虽然最后完成了1号联络通道的钻进施工，但是大部分冻结管仍受到了较大的磨损，在低温盐水循环后仍有较大可能出现断管现象，影响最终安全。

4 工艺改进

根据1号联络通道冻结管钻进施工情况，为了有效避免后续钻孔施工中继续出现上述问题，项目部经分析决定针对薄弱环节进行改进，减少施工风险。

1)针对砂、卵石地层调整冻结管规格，以往施工中往往采用89 mm×8 mm低碳无缝钢管进行冻结管的制作，在制作丝扣连接时，为了避免公扣过薄，因此母扣厚度一般不大于5 mm，扣去丝牙尺寸后往往仅有3 mm。因此在考虑了加工同心度等问题后冻结管管壁薄弱的问题在砂卵石地层中往往表现极为明显，并且即使施工完成未出现断管，但是由于冻结管在地层钻进中磨损较大，冻结后的断管几率要极大的高于普通粘土层内施工的透孔冻结管。因此根据冻结管长度、经过地层情况可适当增加冻结管管壁厚度，达到有效减少磨损对管壁损害的目的，同时施工钻孔前可以进行试钻，探查冻结管在土体内1 h磨损量，从而判断是否需要加强。同时由于开挖期间土体卸载的出现，冻结管往往产生变形，在磨损严重的冻结管位置，这种变形往往造成致命影响。若已知冻结管变形挠曲线方程为h=h(x)，则冻结面上某一截面处的最大弯曲应力σw，拉伸应力σ1和剪应力τ均可以用材料力学公式计算：

(1)

(2)

(3)

其中，A和I分别代表截面面积和中心轴的惯性矩；b为冻结管外径[1]。可见最大弯曲应力σw，拉伸应力σ1和剪应力τ均与冻结壁的变形有关，且最大弯曲应力σw与冻结管外径尺寸、冻结壁变化程度成正比例关系。因此在变形一定的情况下增大冻结管外径可增加σw，减少冻结管破坏的几率。

2)对于磨损较大地层施工中采用外节箍进行连接点加固，避免出现过度的冻结管焊口磨损。由于冻结管施工中透孔需穿透对侧管片，因此其钻进时间一般较长，且钻进至对侧管片位置由于混凝土管片在金刚石取芯钻头的磨损下进尺较小，因此冻结管长时间处在相同环境内受到磨损，磨损效果较不断进尺中严重，且难以避免，因此选择采用外节箍形式对于最为薄弱的接缝处进行处理，从而有效的避免焊口破损，造成冻结管断裂(见图1)。

表1 不同冻结管应力分析 kN/m2

5 改进效果验证

为了验证改进后相关效果，在2号联络通道冻结管施工时部分冻结管采用了增加外节箍保护冻结管，经对比发现在采取外节箍保护后，正常泄压条件下所有冻结管均未出现断管，而未采用外节箍保护的冻结管与1号联络通道断裂效果基本一致。

同时，受工程实际施工所限，无法对于不同外径的冻结管进行试验，因此采用MIDAS数值模拟软件对于不同形状冻结管进行不同荷载条件下的模拟，确定在同等荷载作用下冻结管的受力缩减。根据计算可以发现，在采用95 mm直径冻结管后各个界面应力减少了30%左右(见表1)。

6 结语

在砂、卵石地层内施工冻结管时，往往对于管体磨损较大，易产生施工中断管的问题，即使冻结管并未断裂，但随着冻结时间的延长，冻结管产生的断裂性也较大增加。经过分析计算发现通过采用外节箍或改变外径情况下由于冻结管厚度增加，管体抗磨损能力增强，保证了钻孔在冻结期间的安全，而外径的改变可有效增加冻结管抗变形能力，保证了开挖过程的安全。

[1] 杨维好,黄家会.冻结管受力分析与试验研究[J].冰川冻土,1999(21)：33-38.

[2] 崔广心,杨维好.冻结管受力的模拟试验研究[J].中国矿业大学学报,1990，19(2)：57-64.

[3] 李功洲.基于弹性基础梁理论的冻结壁和冻结管变形与受力分析[J].煤炭学报,2001,26(3):258-264.

[4] 经来旺,程三友,郭奕娣.冻结管断裂位置的确定[J].西安科技学院学报,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★：北京地铁区间隧道联络通道冻结法关键技术研究项目资助

张 松(1987- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)22-0100-02

TU745

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