摘 要 对地层水平冻结孔施工工艺、钻孔偏斜测量与控制作了较全面阐述，并分析了水平冻结孔偏斜规律及钻孔对地表沉降的影响，提出预防地表沉降的措施，为今后水平冻结工程钻孔施工提供经验。
关键词 水平冻结 钻孔偏斜测量 地表沉降 控制与措施
我国在矿山工程中，利用冻结法凿井已有40多年历史。工程实践表明，冻结法施工具有封水性好、可保持原始地层整体性、无环境污染等优点，是解决地下工程穿越淤泥、流砂等不稳定地层最为可靠的施工技术。1997年第4季度至1998年，北京建井研究所先后在北京地铁“复-八”线大北窑车站南隧道段、上海地铁2号线中央公园站至杨高路站旁通道工程中，成功地应用了水平冻结加固技术。
从施工过程来看，水平冻结施工中首先要解决的问题即是水平冻结孔施工技术。
1 机具选型
1.1 钻机选型
由于钻孔作业在隧道内施工，钻机作业工作面较小，而且需不影响隧道内其它交叉作业的进行，因此，钻机结构尺寸要体积小、分解简单、移动方便。通过对目前水平钻机能力分析、比较，最后选用与钻进土层相适应的水平坑道钻机，其性能参数为：主轴直径75mm，转速10～375r/min，输出扭矩为2 000kN*m，给进和起拔力50kN。其次，由于上海地铁冻结孔开孔处为厚350mm、C50预制钢筋混凝土管片，坑道钻机不能满足技术要求，因此，施工中选用金刚石工程钻机取芯开孔，与坑道钻机配合使用，平行作业。其钻进参数为：回转速900r/min，钻口直径28～127mm，行程480mm。
1.2 钻杆配置
采用φ108mm×6mm和φ85mm×6mm无缝钢管作钻杆，丝扣连接，单根长度2.0～4.0m。
1.3 钻头选型
钻头为专门设计的φ112mm×120mm的单面出液并具逆向止土功能的十字形无芯合金钻头。
2 冻结孔施工方法
2.1 水平钻孔工法选择
在水平冻结孔钻进过程中，由于土层变化较为复杂，钻杆拔出后很容易塌孔，导致冻结管下放困难或不能送至设计深度，而且更严重的是钻孔完成后，钻杆拔除或冻结管下放过程中，很可能有水或泥砂涌出，导致地面沉陷，因此，传统的立井冻结孔施工方法不能满足工艺要求，需采用适合水平钻孔工艺要求的钻孔方法。
目前水平孔施工主要有两种：
(1)双套管钻进方法。即内外两层带钻头的套管(套管也作钻杆)同时钻进，内外管转速同步，外管起保护孔壁的作用，内管起钻进和取土的作用，钻进时内管要比外管超前10cm左右。这种方法在日本地铁隧道施工中进行地质调查时大量使用；
(2)跟管钻进。即钻杆兼作冻结管，钻进至设计深度时钻杆即留置孔内作冻结管，钻头则留在土中，故施工采用成本较低的合金钻头。在北京、上海地铁水平冻结施工中即采用这种方法。
2.2 冻结孔口密封
隧道内水平钻进或管片开口后，壁后泥砂受压可能会沿孔口涌出，很易造成地面沉陷，使道路下沉、建筑物沉降，严重的情况可能引起隧道管片变形过大，局部受力集中，导致管片破坏。因此，在钻进过程中，要特别注意土层变化，掌握好钻机给进力，采用慢转快进，尽量减少土层扰动，成孔后要立即用速凝水泥将孔口密封，减少其暴露时间。而解决上述问题最有效的方法，就是钻进中加孔口密封装置，防止突然涌水、涌砂。
2.3 冻结器密封
(1)冻结管连接密封。冻结器密封首先是冻结管即钻杆连接密封，钻杆一般是丝扣连接，冻结管一般采用焊接。丝扣连结同心度好，而焊接密封效果和可靠性较好，但同心度较差，易导致钻孔偏斜，故施工采用丝扣加焊接综合方法，确保钻杆的密封与质量。
(2)冻结管端部密封。因施工中采用跟管钻进，钻杆端部敞口，而冻结管由冻结工艺要求必须端部密封，且承受一定压力，因此，冻结孔钻进至设计位置需立即清洗，及时下放封口装置。在实际施工操作中，由于采用了北京建井研究所研制的机械式组合封堵装置，冻结管打压验收全部合格。
3 钻孔偏斜与测斜
3.1 钻孔偏斜规律
水平冻结孔钻进中，主要发生的质量问题是钻孔偏斜，主要有两种：
(1)平面上的偏斜。除由于土层软弱的原因向软弱土层方向偏斜外，一般顺钻杆右旋方向偏斜；
(2)剖面垂直方向的偏斜。一般受自重影响向下偏斜。
3.2 土层性质对钻孔偏斜的影响
土性对钻孔偏斜有较大影响。一般在砂质土层中钻进，砂粒由泥浆循环带出过程中，粒径较大的逐步在孔下部淤积，使钻杆逐步抬高，最终导致钻孔向上偏斜，因此，砂质土层中钻进对泥浆性能要求较高；而在粘土层中钻进时，泥浆不断沿孔壁下方冲刷，带走部分土体，加之随着钻进长度增加，钻杆刚度变小，钻进受钻杆自重影响较大，因此，钻孔一般向下偏斜。
3.3 钻孔偏斜的处理
影响钻孔偏斜的因素很多，应根据不同原因采用适当的措施，控制钻孔偏斜在设计范围之内。
(1)钻机固定需抄平找正，尽量减少钻机震动对钻孔偏斜的影响；
(2)要做好钻进泥浆循环，选用标准泥浆；
(3)冻结孔开孔后加设孔口管，控制冻结管钻进方向；
(4)事先推测钻孔偏斜量，绘出与钻孔长度相应的钻孔轨迹，一般垂直轨迹是抛物线，即Y=aX2+bX+c，钻进中可通过调整a值，按一定仰角适当抬高钻杆，使钻孔终止位置不致偏离轴线太大，防止冻结管向开挖断面偏斜，造成冻土进入荒径过多，开挖冻土量增大。水平面的偏斜轨迹为Z=KX+S，它可通过精确开孔孔向、孔位得到控制。
3.4 灯光测斜
在水平冻结孔施工中，利用电磁原理进行随钻探测是不行的，高精度水平陀螺测斜国内还未见报道，唯一现实可行的测斜方法就是利用光学原理测斜。目前水平冻结工程一般开挖长度不大，采用灯光-经纬仪方法能满足测斜要求，其基本原理见图1。
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图1 灯光测斜原理 测点C相对孔中心点O的位移为
冻结孔偏斜直接影响冻结壁发展，影响冻结工期，因此，钻孔施工过程中，完孔后要及时探测，掌握成孔的偏斜情况，以确定下一冻结孔的孔位和开孔角度。
从曲线分析，隧道沉降很少，钻孔对其几乎无影响；而地面沉降较明显，且开始沉降较小，钻孔结束后明显增大，这说明地面沉降是一时间滞后变化过程。从沉降原因分析，主要是钻孔施工采用φ108mm钻头，冻结管为φ89mm，冻结管与孔壁之间存在空隙，以及施工过程中个别孔孔口封堵不及时，有淤泥挤出。 作者单位：煤炭科学研究总院北京建井研究所，100013 |
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