RPD多功能钻机在翔安海底隧道F1风化槽施工中的应用

张启萌

(中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州072750)

图1 厦门翔安海底隧道

中国大陆第一座海底隧道—厦门翔安海底隧道（见图1），是厦门第三条进出通道，是连接厦门翔安区陆地和市岛的重要交通通道，其中海底隧道全长5.948km，海域段4.2km。隧道自厦门湖里区五通起，翔安区西滨止，最深处在海平面下70m，采用三孔隧道方案，中孔为服务隧道，两侧为行车主洞各设置3车道。隧道施工采取钻爆法，该段施工有三大难点：浅滩全风化层段、沙砾层段和海底风化槽，从进口到出口依次穿越海底F1、F4、F2、F3风化深槽（见图2），地质条件极其复杂。涌水突泥风险极高，施工难度大。

图2 海底F1、F4、F2、F3风化深槽

图3 隧道纵断面设计（最大纵坡：3%）

隧道F1风化槽（见图3）位于YK8+322～YK8+470，全长 148m，高 13.3m，宽 18m，开挖面积186m2，距洞口1763m，洞顶距海平面约56m，该部位海水深度20～27m，顶板覆盖层厚度28m～35m。超前探测最大水压为0.3～0.5MPa，单孔最大涌水量45m3/h。地质情况风化严重，含水量大，呈软塑砂质粘性土状，并含有中、粗砂。

为解决海底隧道安全通过风化槽技术难题、确保施工安全，在对海底风化深槽地层特性和加固机理研究后，决定采用具国际先进水平的全断面帷幕注浆技术。该工法成熟、安全、环保、高效，但对设备的先进性和稳定性也提出了更高要求。

1 RPD多功能钻机在F1风化槽施工中的优缺点

对宜万线齐岳山隧道工地的RPD150型钻机进行了现场考察，主要了解RPD150型钻机在隧道中的钻孔速度、孔径范围、能否实现随钻随注等性能。随后通过各种研究、对比分析，并结合翔安海底隧道F1风化槽的实际特点，选取了日本矿研RPD多功能钻机RPD-75SL-H2和RPD-150c。

1.1 RPD多功能钻机的优势

RPD多功能系列钻机，即全液压旋转冲击式钻机，采用“矿研”液压冲击动力头，在传统旋转基础上增加后钉锤式的液压打击功能，配合其他功能可直接进行钻孔取芯、钻杆注浆，后冲击锤装置也可轻松解决裂隙岩体和破碎带岩体带来的卡钻问题[1]。RPD多功能钻机先后在厦门翔安海底隧道、兰新铁路、沪昆铁路、宜万铁路齐岳山隧道、祁连山隧道、大丽高速下山口隧道、渝利铁路、引汉济渭秦岭输水隧道、熊洞湾隧道、胶州湾隧道等工程中发挥了重要作用，得到用户的一致好评。而国产钻机主要依靠压缩空气驱动的空压潜孔锤作业，无法完成F1风化槽比较关键的超前地质预报、钻注一体等工序。RPD多功能钻机与其他钻机对比见表1。

1.2 RPD-150c多功能钻机基本参数

RPD-150c以柴油发动机驱动，采用履带行走，水平最大钻孔深度为150m，钻孔直径在65～225mm之间，最大旋转扭矩8000N·m，最大旋转数80r/min，最大打击数2200bp/m，最大爬坡角度30。，工作仰角45。～90。，水平钻孔最高3.6m，最低2.3m。

1.3 RPD多功能钻机的特点

1.3.1 进行长距离地质超前预报

针对翔安海底隧道F1风化槽，RPD多功能钻机掌握掌子面地质主要通过MWD工法和冲击式钢丝绳取芯工法。①MWD工法。通过测定、分析钻机钻孔时采集的数据（比如钻孔速度、扭矩、旋转压力、深度、打击压力等），判断掌子面前方地质。②冲击式钢丝绳取芯工法。该工法非常适合软弱破碎岩层，无需拔出钻杆就可进行水平、垂直取芯。

表1 F1风化槽施工中RPD多功能钻机与其他钻机对比

1.3.2 实现钻孔注浆一体化

RPD多功能钻机可直接通过钻杆实现注浆，不同地质情况可采用不同注浆工法，比如孔口注浆、前进式注浆、后退式注浆等。可大大提高工作效率，降低施工成本。

2 RPD钻机在F1风化槽施工中应用

F1风化槽作为翔安海底隧道施工中的重难点，其施工工法、施工工序及衔接都经过了反复研究和论证，其主要施工工序都与RPD多功能钻机紧密相关（见图4）。

2.1 超前地质预报

止浆墙施工完成后，用RPD多功能钻机进行超前地质预报，取芯孔的钻进钻头为Φ127mm，钻杆直径为Φ89mm。先安装Φ108mm的孔口管，孔口管外端连接闸阀、法兰盘和注浆止水装置（见图5），再安装注浆压力表。定位完成后开钻，到设计位置后撤回钻头，然后更换Φ101mm钻头、Φ89mm的钻杆，采用PS冲击式钢丝绳取芯工法，不需拔出钻杆就可快速取芯，大大提高了取芯速度和质量（见图6）。

图4 F1风化槽帷幕注浆多功能钻机工艺流程

图5 注浆结构及防突水装置

图6 多功能钻机取芯样品

2.2 钻孔注浆

RPD多功能钻机在F1风化槽中进行钻注一体化施工，大大降低了成本，提升了工作效率。

2.2.1 钻孔

钻孔准确定位后，RPD多功能钻机尽量贴近岩面，以保证开孔质量，按试验方案设计的定位准确开孔。开孔时要轻加压、慢速、大水量。孔深超过30m后，避免高压、快速钻进，防止塌孔或断杆事故。

2.2.2 后退式注浆

结合F1风化槽地质复杂性及RPD多功能钻机的先进性，F1风化槽采用后退式注浆法（见图7）。

图7 后退式注浆法

后退式注浆法优点是工效高，重复扫孔工作量小，能实现定位、控域注浆，操作较简单，注浆效果较易保证。缺点是对孔口管的密封性要求较高，且注浆设备要足够先进。

后退式注浆过程如下：待钻孔到预订位置后，根据选定的参数配制浆液，检查注浆管，确认畅通后将注浆管路接头和水转换器连接好，进行后退式注浆[2]，当注浆压力达到设计值时，维持2-3min，进浆量达到设计数量则停止注浆，清洗管路，关闭阀门，待双液浆初凝后，退两根钻杆进行下一段注浆，每段以3m为单位，直到该孔完全注浆完成[3]。在F1风化槽第一循环的102个孔的注浆过程中，每孔长25-34m，钻孔时间为1.5-2h/孔，注浆时间为4-9h/孔，这个速度是传统注浆法的3倍，并且注浆效果良好[4]。通过检测，注浆效果能使原单孔最大涌水量45m3/h降低到0.11L/min.m，注浆的堵水率达到95%以上，开挖时无水，浆液脉络清晰可见（见图8）。

图8 F1风化槽开挖时注浆效果及YK8+358一部开挖断面情况

3 RPD多功能钻机的不足

在F1风化槽透水性强、易涌水突泥的恶劣地质条件下，RPD多功能钻机在取芯、钻注一体等方面都展示了其先进性，但同时不可避免存在一些不足之处[5]。

①极端环境下稳定性需加强。F1风化槽海水腐蚀性较强，隧道内施工一段时间后，钻机发动机及电路故障率较高，线路老化快。②钻杆使用寿命短。在F1风化槽第一循环施工过程中，就存在φ57钻杆因磨损严重而出现断裂的情况。

4 结语

事实证明，RPD多功能钻机能适应各种工况，用途多种。F1风化槽作为厦门翔安海底隧道最具挑战性的重难点工程，采用全断面帷幕注浆工法，通过合理使用RPD多功能钻机，攻克诸多技术难题，通过超前地质预报、止水防突、钻注一体化，有效改良F1风化槽围岩土体，提高了施工安全系数，加快了施工进度，降低了成本。同时，也验证了新型高科技设备在解决重大工程难题中所起的重要性和决定性作用。