信息化糾偏在水平MJS工法超長距離鉆進中的運用

李慕涵

（上海隧道工程有限公司，上海市 200082）

0 引言

隨著我國社會主要矛盾轉化為人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾。人民群眾對出行方式及施工建設方法都有了較高的期盼及要求。在軌交建設過程中不封交、少擾民越來越受到各級政府的重視，不得不采用暗挖施工車站的需求已經出現，急需對配套的施工設備、施工技術等進行研究，以滿足日益復雜的施工要求。

通過對國內外地鐵車站施工工藝的比選，根據上海軟土地區特有的地質特性，確定了以管幕法作為上海軟土地區的主要暗挖工法來實施車站。該工法在國際上也應用廣泛。但目前在我國乃至世界上尚無在飽和軟粘土地層中進行暗挖軌道交通地下車站施工的先例。

為實現管幕法在未來上海城市軌道交通建設中的運用，上海隧道公司自2015年始，進行了一系列技術研究，掌握了管幕法施工的關鍵技術，為管幕法車站的施工奠定了基礎。本文所介紹的就是這一系列科研中的《超長50 m水平MJS工法鉆進糾偏技術》[1-4]。

1 研究內容

1.1 面臨的問題

與豎直鉆孔相比，水平鉆進更具難度，特別是超長水平鉆進，具體表現在如下幾個方面：

（1）鉆具的重力方向改變

在豎直鉆孔時，鉆具的重力方向與鉆孔方向一致，受自重及重力影響，鉆具在頂角及方位上受到約束，鉆孔垂直度主要受到鉆管自身剛度、操作人員水平、地層變化等因素的影響。而水平鉆進則不同，鉆具重力方向與鉆進方向成90°角，鉆具會受重力影響，從而偏離鉆進方向。

（2）飽和軟黏土地層承載力不足

飽和軟黏土地層承載力不足，對豎直鉆孔垂直度或方位角不會產生大的影響，而對于水平鉆孔，由于飽和軟黏土地層無法提供足夠的承載力來克服鉆具自重，因此從理論上來說，水平鉆進的孔，如不采取措施必成下拋狀。MJS鉆管每延長米達到57 kg，50 m鉆桿自重2.85 t，此情況更為明顯。

（3）鉆進方式改變

豎直鉆孔時，可由工程鉆機預先成孔，鉆孔完成取出鉆具后，孔內仍保留有護壁泥漿或留置外套管，可以從容的下入MJS鉆管，而無需擔心孔壁坍塌。飽和軟粘土地層水平鉆進則不同，因存在地下水、土涌入工作井的可能性，其它設備代替鉆孔后，護壁泥漿難以留置，孔壁極易坍塌等問題，鉆孔只能由MJS工法設備自行完成。

（4）鉆進精度控制方式改變

豎直鉆孔時，可通過擴大鉆孔直徑、多次自由落體、鉆頭加壓等方式保證鉆孔垂直度。而飽和軟粘土地層中水平鉆進受制于工作井墻體開孔直徑、防水等影響，鉆孔直徑應在滿足工程施工后盡可能小，且開孔直徑增大容易塌孔，導致地面沉降變形。鉆頭加壓后，鉆管容易受壓而變彎。

（5）對鉆進設備要求高

豎直鉆孔時，因鉆管與土體之間充滿護壁泥漿，摩擦力較小，出現抱管等情況時，自救、它救的方式較多。而水平鉆進時，鉆管與土體密貼，摩擦力與鉆管表面積成正比，隨著鉆進長度的增加，摩擦力不斷增大，對鉆管的扭矩要求也隨之提高。一旦發生斷管，在加固斷面里就形成人工障礙物，無法自救與它救，增加施工難度。

只有解決了上述問題，暗挖法關鍵工藝---50 m超長水平MJS工法才能順利實施。

1.2 解決方法

1.2.1 鉆具姿態監控

MJS鉆管中部有一個直徑6 cm的回漿管路直達鉆頭底部，可以通過回漿管路放入直徑6 cm以內的測斜儀器對鉆進姿態進行監控。通過調研，采購了日本村田制作所的水平孔彎曲測量器。該測量器測量精度達到1/300～1/400，測量方向為水平（上下方向）±15°，耐水度2 MPa，工作溫度10～60°，直徑45 mm，該儀器在放入回漿管路后，每延米采集一個水平傾角，通過三角函數計算，可得知整個鉆具在土體中的姿態，見圖1。

圖1 水平孔彎曲測量器（單位:mm）

1.2.2 鉆頭姿態修正

通過科研，首創了一種小斷面多孔管旋噴鉆具，該鉆具與MJS鉆頭連接，一起鉆入土體，通過調整鉆管旋轉角度，使鉆進過程中切削的土體填充至需要鉆進方向背面的鉆管底部，利用切削土體增加鉆管底部承載力，達到調整鉆頭姿態的作用。

1.2.3 控制鉆管扭矩

根據設備性能，對設備扭矩表進行密切監控，將設備扭矩表達到數值7定為警戒數值，一旦達到警戒數值，開啟切削水、前后抽動鉆具，如無法低于警戒值，拔出鉆管，在二次鉆進。

1.2.4 兩次噴射兩次鉆進

淺層覆土中土體松軟，鉆進一定長度后鉆管在自身重力作用下頂端下垂，糾偏也仍不能達到要求，則先噴漿施工已經鉆進完成部分，待加固部分硬化具有較強支撐面后繼續鉆進，直到鉆頭到達設計長度。

2 鉆進試驗

本次試驗在上海市軌道交通14號線工程23標---桂橋路車站及出入場線土建工程場地內進行。試驗進行了2根50m超長水平MJS工法樁。事先在車站主體結構與北工作井之間設立了一道封堵墻，由已開挖到底的主體結構向未開挖的北工作井鉆進，見圖2。

圖2 試驗樁平面位置圖

2.1 鉆進方案

為結合工程，鉆進在地面以下12 m，④灰色淤泥質粘土層中進行，為避免在結構墻體上鉆孔導致的地下水、土等涌入基坑，采用喜利得鉆機在結構墻體上鉆孔至距原狀土10 cm左右，回拔鉆具，安裝孔口密封裝置，然后鉆具通過防噴裝置鉆穿結構墻體，鉆穿結構墻體后，回拔鉆頭至防噴裝置閘閥處，關閉閘閥后，取出鉆具。之后連接電源，數據線，開啟油泵，樁機就位，鉆頭和地內壓力檢測顯示器連接，確認在鉆頭無荷載的情況下清零，對接鉆桿和鉆頭，對接時認真檢查密封圈情況，看是否缺失或損壞。地內壓力是否顯示正常，動力頭旋轉一定角度，具體角度視情況而定，將鉆頭鉆入孔口密封裝置橡膠圈內，打開孔口密封裝置閘閥，開啟削孔水，用削孔水切割土體，然后動力頭旋轉，將鉆頭鉆入土體，每鉆進3米進行水平測量，測量鉆頭偏斜情況，若鉆頭偏斜在可控范圍內，則繼續鉆進，若超出可控范圍，則拔出鉆管，糾偏重新引孔，淺層覆土中土體松軟，鉆進一定長度后鉆管在自身重力作用下頂端下垂，糾偏也仍不能達到要求，則先噴漿施工已經鉆進完成部分，待加固部分硬化具有較強支撐面后繼續鉆進，直到鉆頭到達設計長度。

（1）鉆進施工流程（見圖3）

（2）信息化糾偏情況

在超長水平鉆進過程中，鉆頭姿態的控制尤為關鍵，通過數字化測斜儀對鉆具姿態的監控，技術人員根據測量數據，及時對鉆頭旋轉角度進行調整，鉆頭姿態始終在受控范圍內。以下為水平50 m超長鉆進鉆具姿態監控數據，見圖4、圖5,。

從圖4、圖5可以看出，通過對信息化數據的及時分析，對鉆頭姿態的鉆進全過程控制，50 m超長水平鉆進一次成功，避免了兩次噴射兩次鉆進這一費時費力方法的采用，MJS1號樁水平鉆進偏差為+18 cm，鉆進精度達到0.36%，MJS2號樁水平鉆進偏差為+4 cm，鉆進精度達到0.08%。兩次鉆進均超過了1%的控制要求。通過兩根50米水平超長鉆進，證明該經驗完全可復制，50 m水平超長鉆進技術難題得到了圓滿攻克。

圖3 鉆進施工流程

圖4 MJS1號樁50 m超長水平鉆進測斜曲線

圖5 MJS2號樁50 m超長水平鉆進測斜曲線

3 結語

我國在旋噴施工領域起步較晚，特別是在軟土水平旋噴領域，施工設備缺乏，理論研究滯后，始終制約著水平旋噴的發展，近幾年隨著MJS工法的引進才開始有成功施工的工程案例出現，本次科研的成果，希望能給同行提供有益的借鑒，共同推進水平旋噴的發展。

[1]呂繼昌,周曉敏.松軟水平地層水平鉆進[J].建井技術,1998（6）:35-37.

[2]孫國慶,殷九榮.水平旋噴加固在富水未成巖粉細砂層中的應用[J].隧道建設,2012,32（2）:213-217.

[3]劉俊成.水平旋噴技術在城市地鐵富水砂層中的應用[J].鐵道建筑技術,2010（4）:51-54.

[4]黃均龍.多孔管旋噴設備[A].第三屆深基坑工程新技術與新設備發展論壇論文集[C].西安:知識產權出版社,2013.