富水砂层长距离水平定向注浆孔成孔技术*

2018-09-27袁东锋高晓耕周禹良谭啸峰

城市轨道交通研究 2018年9期

袁东锋高晓耕周禹良袁辉谭啸峰

(1.天地科技股份有限公司，100013，北京；2.北京中煤矿山工程有限公司，100013，北京；3.中交二航局南方工程有限公司，518067，广州//第一作者，副研究员)

富水砂层对开挖扰动敏感，地面变形控制难度大[1-2]。城市轨道交通隧道穿越富水砂层时，地面变形超限可能导致建筑物开裂、破损，从而造成严重经济损失[3]。因此，必须采取控制地面不均匀变形的技术措施[4]。地层注浆加固技术能有效控制地面差异沉降，是目前富水砂层中隧道施工地面变形控制常用的方法[3-5]。传统预注浆与跟踪注浆一般采用地面直孔形式。其受地表建筑物及地下管线位置的影响，往往布孔困难，而且，注浆施工占用地面道路，会给交通和周边居民正常生活带来不便。地面远距离水平定向注浆技术可较好地解决上述问题。远距离水平定向注浆孔的成孔是这一技术的关键。近年来，水平定向钻孔地面注浆技术已在煤矿巷道围岩加固及煤矿底板防治水等领域得到成功运用[6-8]。在城市轨道交通建设中，富水砂层结构松散，钻孔稳定性控制困难，除少量盾构始发与接收端头加固工程中应用了短距离水平注浆[9-10]外，尚无地面长距离水平定向钻孔注浆技术的应用。本文以广州轨道交通14号线邓村站—江浦段(以下简为“邓—江段”)为例，介绍长距离水平定向注浆孔成孔控制技术。该技术在建筑物基础下伏富水砂层中形成注浆通道，有助于对变形敏感区域实施远距离地面变形控制。

邓—江段盾构隧道在里程YDK60+801—YDK61+088段下穿姓钟围房屋群。该段工程(以下简为“姓钟围项目”)长度约为287 m，地面均为密集分布的村民自建房。房屋多为1～7层，采用砖混结构及条形基础，基础埋深1～3 m。盾构隧道穿越的主要地层为中粗砂层及砾砂层，基岩主要为砂岩及砂砾岩，覆土为杂填土。隧道直径为6.0 m，采用泥水盾构推进，顶线埋深为10～13 m。隧道通过段地层为上软下硬及全断面砂层，其地下水与流溪河连通，且水位较高、涌水量大。姓钟围村民自建房抗变形能力差。该区域管线复杂，存在燃气管、自来水管及通信线等多条管线，排污管、化粪池等分布不清。为避免传统直孔注浆加固技术的场地限制，姓钟围项目采用了长距离水平定向注浆钻孔技术，在富水砂层中形成水平注浆通道。

1 长距离水平定向注浆钻孔技术分析

1.1 布孔设计

水平钻孔共4个，钻孔平面布置图如图1所示。由图1可见，2#、3#钻孔钻探至B-19建筑物，可加固B-17～B-19房屋基础；1#、4#钻孔分别沿右线隧道边线及顶线钻进，钻探至B-24建筑物，可加固右线隧道开挖轮廓以外的土体，提高其强度和自稳能力。钻孔入土角为12°～15°。该段隧道顶线埋深为11.5 m，故钻孔水平注浆段埋深取9.5 m。钻孔总长392.2 m，其中造斜段长239.2 m，水平段长153 m。

1.2 泥浆控制

富水砂层结构松散，水平孔钻探极易发生塌孔等钻探事故[11-12]。为提高钻孔质量、维护孔壁，避免卡钻、埋钻等情况，本工程选择普通膨润土水基泥浆和PAA(聚丙烯酸)泥浆[13]。造斜段钻进采用普通膨润土水基泥浆，水平段钻进采用PAA泥浆。泥浆配方见表1。造斜段施工结束后，进行泥浆置换。钻进过程中严密监测泥浆消耗量，并根据钻孔情况微调泥浆性能。为保证钻探效率，钻探过程中需及时进行泥浆净化。保证将钻屑从泥浆中有效清除出去的关键是采用合理的固控系统。造斜段固控系统采用振动筛配合旋流除砂器。水平段由于在砂层中钻进，泥浆黏度高，粉细砂状钻屑不易分离，泥浆净化难度较大，固控系统采用离心机和密目筛网振动筛。

图1 注浆钻孔平面布置图

表1 泥浆配比及性能参数

1.3 水平孔钻探成孔工艺及成果

1.3.1 测斜定向

大斜度及水平定向钻进测斜通常采用高精度随钻测斜仪[14-15]。随钻测斜仪配合螺杆定向钻具，可在黏土层及砂层中实现3°/10 m的造斜强度，使造斜段平滑过渡至水平段。首先，由无线随钻测斜仪将测量得到的倾角、方位角及工具面角等钻井参数，以泥浆脉冲的形式传至地面；然后，由地面泥浆压力传感器拾取并传输至计算机处理系统；最后，解码后即可得到井斜角、方位角及工具面角等参数[14]，及时为定向钻进提供参考。本工程采用的测斜设备为SMWD型无线随钻测斜仪，该设备由井下测量仪器及地面处理设备两部分组成。井下测量仪器主要包括测斜探管、主控制器、泥浆脉冲发生器及扶正器等[15]。

1.3.2 钻探工艺及成果分析

钻探设备采用TDX-150斜孔导向钻机。该钻机桅杆可在0°～25°范围内调整，可完全满足水平钻进入土角度要求。钻探工艺流程见图2。

图2 钻探工艺流程

钻探入土角控制为12°。开孔后进入增斜钻进，造斜率控制在(2.5°～3.0°)/10 m。造斜施工应根据测斜结果及时调整，确保在预定位置实现中靶着陆[16]。由于富水砂层结构松散，为保证水平钻孔壁稳定性，应及时进行泥浆置换。泥浆置换完毕后，开始水平钻进，直至设计井深终孔。本工程的4个钻孔均顺利中靶，钻孔三维轨迹详见图3。经计算，4个钻孔的全角变化率(狗腿度)均满足规范要求，井眼与设计轨迹符合，造斜段与水平段过渡平滑，满足注浆阀管下放要求。水平孔钻进完成后，应下入注浆阀管。注浆阀管为浆液单向通道，与袖阀管作用类似，既能防止泥砂涌入造成堵孔，又能在外部压力过大时自动封闭，实现安全注浆。

图3 三维钻孔轨迹图

2 水平注浆成果及地面变形监测

经过1个半月的紧张作业，4个钻孔累计注浆量为267.5 m3。其中，PAA泥浆为87.5 m3、普通膨润土水基泥浆为180 m3。施工之前，沿钻孔延伸方向布设了5排地面变形监测点，在加固区域的建筑物上设置了沉降监测点。根据监测情况，在钻探施工期间，地面及建筑物几乎没有沉降变形。这表明所注泥浆可明显减小钻探对原始地层的扰动。注浆初期，地表变形在-2～+2 mm范围内轻微波动；正式注浆开始后，地表有规律均匀抬升；注浆结束后，地表变形逐渐趋于稳定。测点最大抬升量仅为5.1 mm。可见，注浆较好地将地表隆起控制在设计规范允许范围之内。水平注浆加固完成3个月后，右线盾构到达加固区域。在盾构推进期间及后期，地面最大沉降值远小于警戒值，盾构顺利侧穿姓钟围房屋群。