信息化纠偏在水平MJS工法超长距离钻进中的运用

2018-06-27李慕涵

城市道桥与防洪 2018年6期

李慕涵

（上海隧道工程有限公司，上海市 200082）

0 引言

随着我国社会主要矛盾转化为人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾。人民群众对出行方式及施工建设方法都有了较高的期盼及要求。在轨交建设过程中不封交、少扰民越来越受到各级政府的重视，不得不采用暗挖施工车站的需求已经出现，急需对配套的施工设备、施工技术等进行研究，以满足日益复杂的施工要求。

通过对国内外地铁车站施工工艺的比选，根据上海软土地区特有的地质特性，确定了以管幕法作为上海软土地区的主要暗挖工法来实施车站。该工法在国际上也应用广泛。但目前在我国乃至世界上尚无在饱和软粘土地层中进行暗挖轨道交通地下车站施工的先例。

为实现管幕法在未来上海城市轨道交通建设中的运用，上海隧道公司自2015年始，进行了一系列技术研究，掌握了管幕法施工的关键技术，为管幕法车站的施工奠定了基础。本文所介绍的就是这一系列科研中的《超长50 m水平MJS工法钻进纠偏技术》[1-4]。

1 研究内容

1.1 面临的问题

与竖直钻孔相比，水平钻进更具难度，特别是超长水平钻进，具体表现在如下几个方面：

（1）钻具的重力方向改变

在竖直钻孔时，钻具的重力方向与钻孔方向一致，受自重及重力影响，钻具在顶角及方位上受到约束，钻孔垂直度主要受到钻管自身刚度、操作人员水平、地层变化等因素的影响。而水平钻进则不同，钻具重力方向与钻进方向成90°角，钻具会受重力影响，从而偏离钻进方向。

（2）饱和软黏土地层承载力不足

饱和软黏土地层承载力不足，对竖直钻孔垂直度或方位角不会产生大的影响，而对于水平钻孔，由于饱和软黏土地层无法提供足够的承载力来克服钻具自重，因此从理论上来说，水平钻进的孔，如不采取措施必成下抛状。MJS钻管每延长米达到57 kg，50 m钻杆自重2.85 t，此情况更为明显。

（3）钻进方式改变

竖直钻孔时，可由工程钻机预先成孔，钻孔完成取出钻具后，孔内仍保留有护壁泥浆或留置外套管，可以从容的下入MJS钻管，而无需担心孔壁坍塌。饱和软粘土地层水平钻进则不同，因存在地下水、土涌入工作井的可能性，其它设备代替钻孔后，护壁泥浆难以留置，孔壁极易坍塌等问题，钻孔只能由MJS工法设备自行完成。

（4）钻进精度控制方式改变

竖直钻孔时，可通过扩大钻孔直径、多次自由落体、钻头加压等方式保证钻孔垂直度。而饱和软粘土地层中水平钻进受制于工作井墙体开孔直径、防水等影响，钻孔直径应在满足工程施工后尽可能小，且开孔直径增大容易塌孔，导致地面沉降变形。钻头加压后，钻管容易受压而变弯。

（5）对钻进设备要求高

竖直钻孔时，因钻管与土体之间充满护壁泥浆，摩擦力较小，出现抱管等情况时，自救、它救的方式较多。而水平钻进时，钻管与土体密贴，摩擦力与钻管表面积成正比，随着钻进长度的增加，摩擦力不断增大，对钻管的扭矩要求也随之提高。一旦发生断管，在加固断面里就形成人工障碍物，无法自救与它救，增加施工难度。

只有解决了上述问题，暗挖法关键工艺---50 m超长水平MJS工法才能顺利实施。

1.2 解决方法

1.2.1 钻具姿态监控

MJS钻管中部有一个直径6 cm的回浆管路直达钻头底部，可以通过回浆管路放入直径6 cm以内的测斜仪器对钻进姿态进行监控。通过调研，采购了日本村田制作所的水平孔弯曲测量器。该测量器测量精度达到1/300～1/400，测量方向为水平（上下方向）±15°，耐水度2 MPa，工作温度10～60°，直径45 mm，该仪器在放入回浆管路后，每延米采集一个水平倾角，通过三角函数计算，可得知整个钻具在土体中的姿态，见图1。

图1 水平孔弯曲测量器（单位:mm）

1.2.2 钻头姿态修正

通过科研，首创了一种小断面多孔管旋喷钻具，该钻具与MJS钻头连接，一起钻入土体，通过调整钻管旋转角度，使钻进过程中切削的土体填充至需要钻进方向背面的钻管底部，利用切削土体增加钻管底部承载力，达到调整钻头姿态的作用。

1.2.3 控制钻管扭矩

根据设备性能，对设备扭矩表进行密切监控，将设备扭矩表达到数值7定为警戒数值，一旦达到警戒数值，开启切削水、前后抽动钻具，如无法低于警戒值，拔出钻管，在二次钻进。

1.2.4 两次喷射两次钻进

浅层覆土中土体松软，钻进一定长度后钻管在自身重力作用下顶端下垂，纠偏也仍不能达到要求，则先喷浆施工已经钻进完成部分，待加固部分硬化具有较强支撑面后继续钻进，直到钻头到达设计长度。

2 钻进试验

本次试验在上海市轨道交通14号线工程23标---桂桥路车站及出入场线土建工程场地内进行。试验进行了2根50m超长水平MJS工法桩。事先在车站主体结构与北工作井之间设立了一道封堵墙，由已开挖到底的主体结构向未开挖的北工作井钻进，见图2。

图2 试验桩平面位置图

2.1 钻进方案

为结合工程，钻进在地面以下12 m，④灰色淤泥质粘土层中进行，为避免在结构墙体上钻孔导致的地下水、土等涌入基坑，采用喜利得钻机在结构墙体上钻孔至距原状土10 cm左右，回拔钻具，安装孔口密封装置，然后钻具通过防喷装置钻穿结构墙体，钻穿结构墙体后，回拔钻头至防喷装置闸阀处，关闭闸阀后，取出钻具。之后连接电源，数据线，开启油泵，桩机就位，钻头和地内压力检测显示器连接，确认在钻头无荷载的情况下清零，对接钻杆和钻头，对接时认真检查密封圈情况，看是否缺失或损坏。地内压力是否显示正常，动力头旋转一定角度，具体角度视情况而定，将钻头钻入孔口密封装置橡胶圈内，打开孔口密封装置闸阀，开启削孔水，用削孔水切割土体，然后动力头旋转，将钻头钻入土体，每钻进3米进行水平测量，测量钻头偏斜情况，若钻头偏斜在可控范围内，则继续钻进，若超出可控范围，则拔出钻管，纠偏重新引孔，浅层覆土中土体松软，钻进一定长度后钻管在自身重力作用下顶端下垂，纠偏也仍不能达到要求，则先喷浆施工已经钻进完成部分，待加固部分硬化具有较强支撑面后继续钻进，直到钻头到达设计长度。

（1）钻进施工流程（见图3）

（2）信息化纠偏情况

在超长水平钻进过程中，钻头姿态的控制尤为关键，通过数字化测斜仪对钻具姿态的监控，技术人员根据测量数据，及时对钻头旋转角度进行调整，钻头姿态始终在受控范围内。以下为水平50 m超长钻进钻具姿态监控数据，见图4、图5,。

从图4、图5可以看出，通过对信息化数据的及时分析，对钻头姿态的钻进全过程控制，50 m超长水平钻进一次成功，避免了两次喷射两次钻进这一费时费力方法的采用，MJS1号桩水平钻进偏差为+18 cm，钻进精度达到0.36%，MJS2号桩水平钻进偏差为+4 cm，钻进精度达到0.08%。两次钻进均超过了1%的控制要求。通过两根50米水平超长钻进，证明该经验完全可复制，50 m水平超长钻进技术难题得到了圆满攻克。