松软含水地层水平钻进

　　摘　要　结合北京大北窑地铁的水平冻结钻孔实例，介绍了冻结水平孔打钻的关键技术问题和打钻所采取的技术措施。最后指出，在松软含水地层中，在现有技术基础上，可钻成长度达80～100m的水平冻结钻孔。

　　关键词　水平钻进　松软含水地层　水平冻结　钻孔方位

1　概　述

　　北京地铁复-八线南隧道在大北窑车站段，由东向西掘砌至东隔断门(里程约为B248+12.08)附近时，隧道顶部遇到了粉砂层，发生流砂坍塌，并造成地表沉陷，使得施工受阻中断。据勘测，此段地层有1～2m厚的粉砂层，呈鸡窝状赋存，用降水法难以疏干，而且，该段有2条地下排水管线泄漏，致使土体含水饱和。该段隧道正处在国贸立交桥下，是建外大街与东三环的交汇处。
　　上海阳高路至中央花园段地质情况也极其复杂，地表下即松软的淤泥带，地铁要在这样的地层下建隧道。
　　煤炭科学研究总院北京建井研究所根据多年来煤矿在松软含水地层建竖井的研究与实践，并参考国外有关资料，提出在上述地层中用水平冻结法施工隧道的技术方案。该方案被建设单位采纳。
　　冻结法施工通常是煤矿在过松软含水地层时建竖井的施工方法，我国从未用这种方法开凿过水平隧道。在国外，据资料介绍，有用冻结法建水平隧道的实例，水平冻结长度约40m，但有关的关键技术资料报道很少。
　　隧道水平冻结与竖井冻结第1道工序都是打钻，打钻包括：①钻出符合质量要求的冻结孔，钻孔直度和方位均要满足要求；②下入密封的冻结管，并进行打压试验。这两项工作不论在任何环节上出现问题，都要影响冻结施工，严重的情况甚至无法实施冻结，因此，打钻一直是冻结法施工的关键技术问题。
　　与竖井打钻相比，水平孔打钻更具难度，具体表现在以下方面：
　　(1)钻具的重力方向与钻进的方向发生了变化。竖孔钻进时，钻具的重力方向与打钻方向一致，在顶角及方位上起约束作用；水平钻进则不同，钻具重力方向与钻进方向成90°角，这自然会使钻具走向变斜，从而偏离打钻方位。
　　(2)松软地层抗力小，对竖孔从理论上讲不会影响垂直度与方位的变化；而对水平孔，由于地层抗力小，克服钻具下垂力就小，因此，打出的钻孔如不采取措施必成下抛状。
　　(3)竖孔可以做到由钻铤加压，上部钻杆处于受拉状态；而水平钻孔必须由钻机通过钻杆向钻头施加压力方可产生钻压，这就有钻杆受压而变弯的问题。
　　(4)竖井钻完孔起出钻具后钻孔内仍保留着泥浆，由泥浆护壁，可以从容地下入冻结管；水平孔则不同，在含饱和水的松软地层中打钻时要用泥浆护壁，如钻完孔后起出钻具，水平孔是无法保留住泥浆的，无泥浆护壁，钻孔会马上坍塌，根本无法下入冻结管。
　　解决好上述技术问题，下步的冻结才可进行。

2　水平钻进技术措施

　　(1)为克服钻具固有的下垂作用，在打钻过程中，在钻具转数n、钻孔加压P、洗井液流量Q及顶管与正反转方面进行有效配合，协调钻进参数，在钻进工艺方面采取有效措施。
　　(2)在钻机上加导向扶正装置，力求尽可能减小钻具下垂力。
　　(3)尽量减轻钻具前部重量，以减少钻具的悬臂作用。
　　(4)钻头设计成“咬土”形状，使钻孔尽可能沿水平直线钻进。
　　(5)用旋塞式可逆止钻头装置解决钻杆代冻结管问题，因此，也解决了起钻后因地层坍塌而无法下入冻结管的问题。用该装置打钻时可正常洗孔，钻完后立即密封钻具系统，避免砂土涌入管内；经过简单洗孔，旋上旋塞，完全可以满足冻结时所需要的密封性。该装置不论是水平钻孔还是上斜孔，不论是淤泥还是流砂，实践证明都是有效的。

3　水平孔钻进施工

　　北京大北窑与上海阳高路段之水平冻结孔都已施工完毕，质量符合设计要求，现以大北窑工程为例介绍如下：
　　大北窑隧道顶部水平冻结的冻结孔布置见附图。水平冻结孔开孔间距为0.68m，所钻孔为1^#～8^#和C₁，C₃。

附图　水平冻结钻孔布置

　　钻进所需主要设备：水平道坑钻机、泥浆泵、搅拌机、配电器、钻管、钻具等。
　　为保证钻机打钻所需的空间，从隧道设计断面外衬外缘向外扩挖1 200mm，沿隧道方向开挖15m。为保证扩大断面内钻工施工安全，对扩大面的拱顶、底拱及两侧采用横栅网锚喷支护，支护厚度400mm，所用锚杆为水泥砂浆锚杆，长6m，间排距800mm。
　　水平道坑钻机钻孔工作面布置于隧道端部。由于水平钻孔布置于隧道上拱部位，距隧道下部拱底5.5～7.0m，需搭设钻机空间平台，以便钻机底座能够支撑稳固。操作平台主体采用32号和40号工字钢，长7～8m，横向搭设，间距800mm。斜撑用32号工字钢，长7.5m。为保证施工人员安全，必须铺设纵向钢模板及木板。
　　钻孔施工前，　用长2m的φ146mm×4.5mm无缝钢管做孔口管，并备有控制装置。
　　钻进中泥浆护壁。钻杆采用φ108mm×6mm的20号无缝钢管，每段长2.5～3.0m，丝扣连接并焊成一整体。钻孔一次施工到预定长度。
　　从1997-10-30开始打钻到1997-12-06结束，共钻成10个水平钻孔，其中，孔身最长45.6m，最短40.2m。钻孔总长度410.5m，实际工期为16.5d。
　　钻孔的实测结果，水平偏率最大值为0.55%，垂直偏率最大值为0.64%。
　　钻孔的密封打压检验，最低打压值为0.65MPa，最高打压值为0.74MPa，均无渗漏现象，满足了设计要求。
　　大北窑冻结工程已完竣，隧道施工顺利通过了松软含水地层。

4　结　语

　　(1)实践表明，在无法护壁的松软含水地层中，用旋塞式可逆止钻头装置，成孔后可不起出钻杆，并可将钻杆用作冻结管，从而解决了水平钻进下冻结管的问题。
　　(2)用铝合金材质可减轻钻具的重量。
　　(3)利用钻具受力综合关系找出弯曲变形临界点，在该点上加扶正器，可解决钻杆下垂问题。
　　(4)应改进现有的坑道钻机，使其具有扶正、顶管给进、正反转、打钢筋混凝土管壁等功能，以满足冻结水平钻进的特殊需要。
　　(5)要认真总结打钻施工工艺，针对不同地层合理确定P，n,Q的关系。
　　(6)在松软、含水地层中，在现有技术基础上，解决好有关技术问题，在要求的精度范围内，可以钻成长度80～100m的水平冻结钻孔。

第1作者简介

　　吕继昌，男，1935年生，研究员，享受政府特殊津贴。1960年毕业于北京石油学院，从事煤炭科研工作30多年，研究开发近10个项目，其中多个项目获部级奖和国家科技进步二等奖，发表论文多篇。