砂卵石地層凍結施工聯絡通道的鉆孔工藝研究★

張 松

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

·施工技術·

砂卵石地層凍結施工聯絡通道的鉆孔工藝研究★

張 松

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

為了研究凍結法施工聯絡通道在砂卵石地層中常見的斷管現象，對聯絡通道鉆孔施工的難點進行了分析，提出了改變凍結管尺寸，調整薄弱區域界面的改進方式，并通過現場驗證以及數值模擬計算，最終降低了斷管事故的發生風險。

聯絡通道，凍結法，鉆孔，卵石層

目前隨著城市軌道交通的發展，聯絡通道的凍結法施工越來越多，而大量的線路交叉、過大埋深線路的出現導致了大量的聯絡通道位于富水砂、卵石地層內，這類地層中土體對于鉆進中凍結管的磨損尤為嚴重，最終往往會出現鉆進過程中凍結管斷裂，或強度大幅降低最終在凍結期間引起管路斷裂鹽水泄露，最終造成極大損失。本文通過對北京地鐵6號線玉帶河大街站—郝家府站1號、2號聯絡通道鉆孔施工實際情況進行分析，針對砂、卵石地層施工經驗進行總結、分析，提出了一系列有利于聯絡通道鉆孔施工的改進措施。

1 工程概況

北京地鐵6號線二期工程玉帶河大街站—郝家府站區間聯絡通道工程位于北京市通州區，其中1號聯絡通道地表為京哈鐵路以及北運河區域，2號聯絡通道地表為空曠楊樹林。根據設計兩座聯絡通道均采用凍結法施工，施工區域根據地勘顯示，1號聯絡通道上部區域為部分礫石層，中下部區域為細砂層，2號聯絡通道全斷面為細中砂層(灰黃～灰色，密實，飽和，標貫擊數平均值為57，屬低壓縮性土，局部含粉細砂夾層)。根據施工情況觀測可以發現，施工中1號聯絡通道下部、2號聯絡通道部分區域大量存在卵石地層而非全部砂層施工，卵石直徑最大接近6 mm。

2 鉆孔施工難點

本工程兩座聯絡通道均位于承壓水層中，因此施工中需注意采取止水措施，避免施工打開管片后出現涌砂、冒泥。同時由于聯絡通道大部分鉆孔施工位于砂、卵石地層中，周圍土體對凍結管磨損較為嚴重，易對于管體強度產生影響。施工中如果加大對于砂、石的疏通，必然帶來大量的水土流失，對于地表產生較大變形，而如果不對于砂、石進行疏通，必然對凍結管產生極大的磨損，從而影響施工安全。

3 施工過程問題及分析

本工程施工中主要面對的問題為砂卵石地層對于凍結管的磨損。在維持正常泄壓的狀態下，透孔及普通凍結孔施工中普遍出現了斷管問題，成為了本工程最大的難點。根據斷孔情況分析可以發現，凍結管斷裂區域主要位于兩根凍結管之間的連接位置，根據現場測量，鉆進1 m～2 m后由于土層原因鉆進緩慢，同時通過泥漿的正循環帶動了大量的砂石堆積于靠近管片位置，使得凍結管磨損嚴重，一旦管路連接位置通過該區域，長時間的磨損使得連接處母扣位置本就薄弱的區域更加薄弱，最終形成了對于接口處的破壞，導致凍結管斷裂。

其中最為嚴重的1號聯絡通道透孔施工，由于其鉆進時間較長，雖然采用了加大泄砂通道的方法，但仍無法避免斷管，后期計劃使用地質鉆桿先進行首次導孔，然后下放凍結管，但在實際施工中發現對于砂、卵石地層，成孔后一旦鉆桿抽出成孔極易塌孔，最終選擇采用地質鉆桿導孔，然后跟進凍結管進行鉆進，從而避免了抽出鉆桿的工序，完成了整個透孔施工。

整體施工可以發現，雖然最后完成了1號聯絡通道的鉆進施工，但是大部分凍結管仍受到了較大的磨損，在低溫鹽水循環后仍有較大可能出現斷管現象，影響最終安全。

4 工藝改進

根據1號聯絡通道凍結管鉆進施工情況，為了有效避免后續鉆孔施工中繼續出現上述問題，項目部經分析決定針對薄弱環節進行改進，減少施工風險。

1)針對砂、卵石地層調整凍結管規格，以往施工中往往采用89 mm×8 mm低碳無縫鋼管進行凍結管的制作，在制作絲扣連接時，為了避免公扣過薄，因此母扣厚度一般不大于5 mm，扣去絲牙尺寸后往往僅有3 mm。因此在考慮了加工同心度等問題后凍結管管壁薄弱的問題在砂卵石地層中往往表現極為明顯，并且即使施工完成未出現斷管，但是由于凍結管在地層鉆進中磨損較大，凍結后的斷管幾率要極大的高于普通粘土層內施工的透孔凍結管。因此根據凍結管長度、經過地層情況可適當增加凍結管管壁厚度，達到有效減少磨損對管壁損害的目的，同時施工鉆孔前可以進行試鉆，探查凍結管在土體內1 h磨損量，從而判斷是否需要加強。同時由于開挖期間土體卸載的出現，凍結管往往產生變形，在磨損嚴重的凍結管位置，這種變形往往造成致命影響。若已知凍結管變形撓曲線方程為h=h(x)，則凍結面上某一截面處的最大彎曲應力σw，拉伸應力σ1和剪應力τ均可以用材料力學公式計算：

(1)

(2)

(3)

其中，A和I分別代表截面面積和中心軸的慣性矩；b為凍結管外徑[1]。可見最大彎曲應力σw，拉伸應力σ1和剪應力τ均與凍結壁的變形有關，且最大彎曲應力σw與凍結管外徑尺寸、凍結壁變化程度成正比例關系。因此在變形一定的情況下增大凍結管外徑可增加σw，減少凍結管破壞的幾率。

2)對于磨損較大地層施工中采用外節箍進行連接點加固，避免出現過度的凍結管焊口磨損。由于凍結管施工中透孔需穿透對側管片，因此其鉆進時間一般較長，且鉆進至對側管片位置由于混凝土管片在金剛石取芯鉆頭的磨損下進尺較小，因此凍結管長時間處在相同環境內受到磨損，磨損效果較不斷進尺中嚴重，且難以避免，因此選擇采用外節箍形式對于最為薄弱的接縫處進行處理，從而有效的避免焊口破損，造成凍結管斷裂(見圖1)。

表1 不同凍結管應力分析 kN/m2

5 改進效果驗證

為了驗證改進后相關效果，在2號聯絡通道凍結管施工時部分凍結管采用了增加外節箍保護凍結管，經對比發現在采取外節箍保護后，正常泄壓條件下所有凍結管均未出現斷管，而未采用外節箍保護的凍結管與1號聯絡通道斷裂效果基本一致。

同時，受工程實際施工所限，無法對于不同外徑的凍結管進行試驗，因此采用MIDAS數值模擬軟件對于不同形狀凍結管進行不同荷載條件下的模擬，確定在同等荷載作用下凍結管的受力縮減。根據計算可以發現，在采用95 mm直徑凍結管后各個界面應力減少了30%左右(見表1)。

6 結語

在砂、卵石地層內施工凍結管時，往往對于管體磨損較大，易產生施工中斷管的問題，即使凍結管并未斷裂，但隨著凍結時間的延長，凍結管產生的斷裂性也較大增加。經過分析計算發現通過采用外節箍或改變外徑情況下由于凍結管厚度增加，管體抗磨損能力增強，保證了鉆孔在凍結期間的安全，而外徑的改變可有效增加凍結管抗變形能力，保證了開挖過程的安全。

[1] 楊維好,黃家會.凍結管受力分析與試驗研究[J].冰川凍土,1999(21)：33-38.

[2] 崔廣心,楊維好.凍結管受力的模擬試驗研究[J].中國礦業大學學報,1990，19(2)：57-64.

[3] 李功洲.基于彈性基礎梁理論的凍結壁和凍結管變形與受力分析[J].煤炭學報,2001,26(3):258-264.

[4] 經來旺,程三友,郭奕娣.凍結管斷裂位置的確定[J].西安科技學院學報,2000,20(2):113-116.

Research on drilling craft for the contact passage at freezing construction at sandy cobble stratum★

Zhang Song

(BeijingChinaCoalMineEngineeringCo.,Ltd,Beijing100013,China)

In order to research the common tube breakage of the freezing construction’s contact passage in the sandy cobble stratum, analyzes the difficulties in the drilling construction of the contact passage, points out some improvement approaches by altering the sizes of the freezing pipe and adjusting the weak zone interface, so as to lower the risks of the breakage accidents according to the site calculation and numeric simulation.

contact passage, freezing method, drilling, cobble stratum

2015-05-23★：北京地鐵區間隧道聯絡通道凍結法關鍵技術研究項目資助

張 松(1987- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)22-0100-02

TU745

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