富水砂層水平凍結孔鉆孔工藝研究

陳 紅 蕾

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

富水砂層水平凍結孔鉆孔工藝研究

陳 紅 蕾

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

通過不排渣保壓鉆進與混合造孔工藝鉆進試驗，分析了阻礙鉆孔施工的關鍵因素，提出了保壓鉆進泥漿循環工藝，實現了保壓系統的有效排渣，為水平鉆孔施工提供了保障。

凍結法，鉆孔施工，保壓鉆進，泥漿循環系統

1 背景

隨著社會經濟的發展以及人口數量的急劇增長，城市化的進程不斷加快，大規模的房屋和道路建設使得地面的可利用空間越來越小，開發地下空間成為擴展人們生活空間的重要手段和發展趨勢。目前全國48個百萬人口以上的特大城市中25個城市正在進行軌道交通的前期工作，總規劃里程超過5 000 km，總預算超過8 000億元。在今后的20年內，軌道交通將始終處于高速發展時期[1]。

由于軌道交通穿過的部分地層水文地質條件和施工環境復雜，特別是含承壓水地層，礦山法降水困難，凍結法以其良好的封水和加固效果，環境適應性強等優勢，給疑難軟土地層地下結構施工提供了安全有效手段[2]。凍結法在京津翼地區以及全國所有建設軌道交通的城市均有廣闊的應用前景。

造孔施工是凍結法施工關鍵工序[3]。操作不當不僅影響施工質量、造孔施工困難等，而且在富水砂層有可能引發較大水土流失，影響周圍結構物的安全。

利用凍結法施工的水平凍結工程一般處于富水土層中，土體不能夠自穩，鉆孔完成拔出鉆桿后，水平孔立即縮頸或完全閉合，故水平凍結孔施工目前主要有兩種方法[4]：1)夯管法。北京中煤礦山工程有限公司自2005 年以來，采用夯管法施工凍結管，取得突破。2)跟管鉆進法。即鉆桿兼作凍結管,鉆進至設計深度時鉆桿即留置孔內作凍結管,鉆頭則留在土中。

夯管法雖然有許多優點，但對于標貫值大于35的土層，夯進速度慢，施工困難，同時隨夯入長度的增加，鉆孔精度相對較差?？梢?，廣泛應用的夯管法施工凍結孔在砂層這種低壓縮性地層受到較大限制。

2 鉆孔保壓試驗

鄭州08標機場線6號聯絡通道主要開挖土層為⑥層細砂層、⑥1粉土層。6號聯絡通道埋深約19.6 m(該埋深為隧道頂部至地面的高度)，聯絡通道正上方為機場捷運通道相對凈距約為8.7 m(該埋深為隧道頂部至捷運通道結構底部的高度)，地下水穩定水位埋深約8.2 m。地面上方為機場二期正在修建的機場跑道。

根據地質資料，鉆孔施工主要穿過⑥層細砂層，該地層標貫42，夯管施工困難，工程優先選用跟管鉆進法施工。工程選用MD-80型水平鉆機1臺，電機功率37 kW，選用BW-250/50型泥漿泵1臺，電機功率14.5 kW。施工中對部分孔進行了鉆進試驗。

2.1 不排渣保壓鉆進

在造孔過程中，對個別凍結鉆孔施工采用不排渣保壓鉆孔工藝，并進行了參數記錄。D3-1孔在粉砂層中造孔施工，泥漿中加入少許膨潤土，自始至終壓入泥漿。

從D3-1鉆孔記錄數據中可以看出，隨著鉆孔深度的增加，鉆孔與凍結管摩擦力增加、凍結管自重增加，轉動凍結管的扭矩與凍結管前進的推力必然增加，反映在施工參數上，體現為提供鉆機扭矩和推力的液壓系統總壓力迅速增大；因將孔口管泄壓閥關閉，采用不排渣壓漿鉆進，摻入膨潤土的泥漿雖然對凍結管起到一定的潤滑作用，但是膨潤土也具有很好的封水效果，形成漿液壓入地層越來越差的封閉系統，必然造成泥漿壓力逐漸增大，而隨鉆進過程增加，鉆頭切削的土屑在孔內堆積越來越多，增加鉆孔施工的扭矩和推力，造成鉆機成孔越來越難，效率逐漸減低(見圖1，圖2)。

2.2 混合鉆孔工藝鉆進

混合鉆孔施工工藝：鉆孔施工過程中首先在富水砂層中開孔采用純無循環液鉆進(干鉆)，邊回轉邊給進，并來回給進起拔鉆具以松動土層減小摩擦阻力，由于地層本身為含水地層，而并不是真正意義上的干鉆，鉆機的回轉和給進主要克服土層抱緊鉆桿時對鉆桿的擠壓張力和相互之間的摩擦阻力。一般當鉆機在干鉆鉆到一定深度后，繼續鉆進施工困難，不能繼續大量的進尺，當轉不動也頂不動時，將鉆機回轉手把置于正轉檔位并打開泥漿泵，調小排量至20 L/min，泵壓1 MPa左右，持續數秒當鉆桿能轉動后停泵，邊回轉邊給進繼續鉆進，鉆進速度明顯加快。當間歇泵入泥漿作用不明顯時，可在泵壓作用下，慢慢開啟孔口管卸壓孔對孔內砂渣進行清理，但避免過量泥砂涌出。然后關閉卸壓孔繼續鉆進。

采用混合鉆孔施工工藝，當D3-2孔開始鉆進時，鉆機液壓系統總壓力不大，在16 MPa左右，而鉆進效率非常高，達到1 m/min，而鉆進到深度6 m左右時，鉆進困難、液壓系統總壓力偏大時，鉆孔轉動阻力增大，鉆進效率低，此時調整鉆進工藝，開啟泥漿泵給壓持續數秒，關閉泥漿泵，再繼續鉆進，此時鉆進阻力迅速減小，鉆機液壓系統總壓力僅為16 MPa左右，鉆進效率也增加。當鉆進到13 m時，再次遇阻，開啟泥漿泵給壓持續數秒效果不明顯，開啟卸壓孔排渣后，鉆進略有改善，鉆孔再次鉆進(見圖3，圖4)。

在整個鉆進工藝措施轉換后，鉆進阻力略有改善，但隨深度增加，鉆進效率逐漸減小，鉆進阻力逐漸增大的總趨勢沒有變化。

3 鉆孔施工改進的保壓鉆進泥漿循環工藝

鉆孔施工中排渣是重點，從工業性鉆孔試驗得到了充分的體現。如何在保壓系統中能有效排渣成為鉆孔施工的關鍵。

在砂卵石地層鉆孔施工中，傳統的非閉式保壓泥漿循環系統常常造成砂卵石地層塌孔而砂石置換不出形成鉆桿旋轉阻力，或鉆進過程中噴砂造成地層水土流失過大，地面沉降過大，對周圍結構及成品凍結孔造成安全威脅。

保壓泥漿循環工藝是一種既不造成水土流失又不影響鉆孔在泥漿保護的情況下正常推進的泥漿循環系統。該循環系統是利用在閉式循環系統的保壓作用下改變流體流速和流動方向實現固(砂石)液(泥漿)分離的泥漿保壓循環系統(見圖5)。

保壓鉆進要選取合適的壓力，該壓力不能太小，既能支撐鉆孔孔殼內形成完整的泥皮，也不能過大，使地層劈裂，破壞泥皮，保壓壓力宜選用范圍：

γ1H

式中：P——保壓壓力；γ1——水的比重；γ2——水土的比重；H——鉆孔區域埋深。

4 結語

由鉆孔工業性試驗可知，無論傳統的不排渣保壓鉆進，還是混合造孔工藝鉆進，雖然在整個鉆進工藝措施實施后，鉆進阻力略有改善，但隨深度增加，鉆進效率逐漸減小，鉆進阻力逐漸增大的總趨勢沒有變化。主要原因是無法在保壓系統中有效排渣，成為阻礙鉆孔施工的關鍵。為保證在保壓系統下有效排渣，首次提出了保壓泥漿循環系統，為水平鉆孔施工提供保障。

[1] 曹 沖.城市地鐵建設發展戰略探索[J].科技展望,2016(14):47.

[2] 岳 敏,蔣國盛.大連路越江隧道連接通道水平凍結孔的鉆進[J].西部探礦工程,2004(2):103-113.

[3] 李慶禹,張 建,岳 鵬.圓礫地層中地鐵聯絡通道水平凍結孔施工技術[J].現代隧道技術,2013(6):189-194.

[4] 朱 徑,馬 進.長距離水平凍結孔施工技術在廣州地鐵的應用[J].安徽建筑工業學院學報(自然科學版),2006(5):12-15.

Research on the drilling process of water rich sand horizontal freezing

Chen Honglei

(BeijingChinaCoalMineEngineeringLimitedCompany,Beijing100013,China)

Through the drilling experiment of un-slag pressure maintain drilling and mixed drilling technology, this paper analyzed the key factors hindering the drilling construction, put forward the pressure maintain drilling mud circulation process, realized the effective slag of pressure maintain system, provided guarantee for horizontal drilling construction.

freezing method, drilling construction, pressure maintain drilling, mud circulation system

1009-6825(2017)01-0111-03

2016-10-25

陳紅蕾(1981- )，男，助理研究員

TD265.34

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