富水砂層長距離水平定向注漿孔成孔技術*

袁東鋒 高曉耕 周禹良 袁 輝 譚嘯峰

(1.天地科技股份有限公司，100013，北京；2.北京中煤礦山工程有限公司，100013，北京；3.中交二航局南方工程有限公司，518067，廣州//第一作者，副研究員)

富水砂層對開挖擾動敏感，地面變形控制難度大[1-2]。城市軌道交通隧道穿越富水砂層時，地面變形超限可能導致建筑物開裂、破損，從而造成嚴重經濟損失[3]。因此，必須采取控制地面不均勻變形的技術措施[4]。地層注漿加固技術能有效控制地面差異沉降，是目前富水砂層中隧道施工地面變形控制常用的方法[3-5]。傳統預注漿與跟蹤注漿一般采用地面直孔形式。其受地表建筑物及地下管線位置的影響，往往布孔困難，而且，注漿施工占用地面道路，會給交通和周邊居民正常生活帶來不便。地面遠距離水平定向注漿技術可較好地解決上述問題。遠距離水平定向注漿孔的成孔是這一技術的關鍵。近年來，水平定向鉆孔地面注漿技術已在煤礦巷道圍巖加固及煤礦底板防治水等領域得到成功運用[6-8]。在城市軌道交通建設中，富水砂層結構松散，鉆孔穩定性控制困難，除少量盾構始發與接收端頭加固工程中應用了短距離水平注漿[9-10]外，尚無地面長距離水平定向鉆孔注漿技術的應用。本文以廣州軌道交通14號線鄧村站—江浦段(以下簡為“鄧—江段”)為例，介紹長距離水平定向注漿孔成孔控制技術。該技術在建筑物基礎下伏富水砂層中形成注漿通道，有助于對變形敏感區域實施遠距離地面變形控制。

鄧—江段盾構隧道在里程YDK60+801—YDK61+088段下穿姓鐘圍房屋群。該段工程(以下簡為“姓鐘圍項目”)長度約為287 m，地面均為密集分布的村民自建房。房屋多為1～7層，采用磚混結構及條形基礎，基礎埋深1～3 m。盾構隧道穿越的主要地層為中粗砂層及礫砂層，基巖主要為砂巖及砂礫巖，覆土為雜填土。隧道直徑為6.0 m，采用泥水盾構推進，頂線埋深為10～13 m。隧道通過段地層為上軟下硬及全斷面砂層，其地下水與流溪河連通，且水位較高、涌水量大。姓鐘圍村民自建房抗變形能力差。該區域管線復雜，存在燃氣管、自來水管及通信線等多條管線，排污管、化糞池等分布不清。為避免傳統直孔注漿加固技術的場地限制，姓鐘圍項目采用了長距離水平定向注漿鉆孔技術，在富水砂層中形成水平注漿通道。

1 長距離水平定向注漿鉆孔技術分析

1.1 布孔設計

水平鉆孔共4個，鉆孔平面布置圖如圖1所示。由圖1可見，2#、3#鉆孔鉆探至B-19建筑物，可加固B-17～B-19房屋基礎；1#、4#鉆孔分別沿右線隧道邊線及頂線鉆進，鉆探至B-24建筑物，可加固右線隧道開挖輪廓以外的土體，提高其強度和自穩能力。鉆孔入土角為12°～15°。該段隧道頂線埋深為11.5 m，故鉆孔水平注漿段埋深取9.5 m。鉆孔總長392.2 m，其中造斜段長239.2 m，水平段長153 m。

1.2 泥漿控制

富水砂層結構松散，水平孔鉆探極易發生塌孔等鉆探事故[11-12]。為提高鉆孔質量、維護孔壁，避免卡鉆、埋鉆等情況，本工程選擇普通膨潤土水基泥漿和PAA(聚丙烯酸)泥漿[13]。造斜段鉆進采用普通膨潤土水基泥漿，水平段鉆進采用PAA泥漿。泥漿配方見表1。造斜段施工結束后，進行泥漿置換。鉆進過程中嚴密監測泥漿消耗量，并根據鉆孔情況微調泥漿性能。為保證鉆探效率，鉆探過程中需及時進行泥漿凈化。保證將鉆屑從泥漿中有效清除出去的關鍵是采用合理的固控系統。造斜段固控系統采用振動篩配合旋流除砂器。水平段由于在砂層中鉆進，泥漿黏度高，粉細砂狀鉆屑不易分離，泥漿凈化難度較大，固控系統采用離心機和密目篩網振動篩。

圖1 注漿鉆孔平面布置圖

表1 泥漿配比及性能參數

1.3 水平孔鉆探成孔工藝及成果

1.3.1 測斜定向

大斜度及水平定向鉆進測斜通常采用高精度隨鉆測斜儀[14-15]。隨鉆測斜儀配合螺桿定向鉆具，可在黏土層及砂層中實現3°/10 m的造斜強度，使造斜段平滑過渡至水平段。首先，由無線隨鉆測斜儀將測量得到的傾角、方位角及工具面角等鉆井參數，以泥漿脈沖的形式傳至地面；然后，由地面泥漿壓力傳感器拾取并傳輸至計算機處理系統；最后，解碼后即可得到井斜角、方位角及工具面角等參數[14]，及時為定向鉆進提供參考。本工程采用的測斜設備為SMWD型無線隨鉆測斜儀，該設備由井下測量儀器及地面處理設備兩部分組成。井下測量儀器主要包括測斜探管、主控制器、泥漿脈沖發生器及扶正器等[15]。

1.3.2 鉆探工藝及成果分析

鉆探設備采用TDX-150斜孔導向鉆機。該鉆機桅桿可在0°～25°范圍內調整，可完全滿足水平鉆進入土角度要求。鉆探工藝流程見圖2。

圖2 鉆探工藝流程

鉆探入土角控制為12°。開孔后進入增斜鉆進，造斜率控制在(2.5°～3.0°)/10 m。造斜施工應根據測斜結果及時調整，確保在預定位置實現中靶著陸[16]。由于富水砂層結構松散，為保證水平鉆孔壁穩定性，應及時進行泥漿置換。泥漿置換完畢后，開始水平鉆進，直至設計井深終孔。本工程的4個鉆孔均順利中靶，鉆孔三維軌跡詳見圖3。經計算，4個鉆孔的全角變化率(狗腿度)均滿足規范要求，井眼與設計軌跡符合，造斜段與水平段過渡平滑，滿足注漿閥管下放要求。水平孔鉆進完成后，應下入注漿閥管。注漿閥管為漿液單向通道，與袖閥管作用類似，既能防止泥砂涌入造成堵孔，又能在外部壓力過大時自動封閉，實現安全注漿。

圖3 三維鉆孔軌跡圖

2 水平注漿成果及地面變形監測

經過1個半月的緊張作業，4個鉆孔累計注漿量為267.5 m3。其中，PAA泥漿為87.5 m3、普通膨潤土水基泥漿為180 m3。施工之前，沿鉆孔延伸方向布設了5排地面變形監測點，在加固區域的建筑物上設置了沉降監測點。根據監測情況，在鉆探施工期間，地面及建筑物幾乎沒有沉降變形。這表明所注泥漿可明顯減小鉆探對原始地層的擾動。注漿初期，地表變形在-2～+2 mm范圍內輕微波動；正式注漿開始后，地表有規律均勻抬升；注漿結束后，地表變形逐漸趨于穩定。測點最大抬升量僅為5.1 mm?？梢?，注漿較好地將地表隆起控制在設計規范允許范圍之內。水平注漿加固完成3個月后，右線盾構到達加固區域。在盾構推進期間及后期，地面最大沉降值遠小于警戒值，盾構順利側穿姓鐘圍房屋群。

3 結論

(1) 富水砂層長距離水平孔鉆孔孔壁穩定性控制的關鍵是化學泥漿。在埋深10 m左右的砂層中，泥漿比重應控制在1.15～1.25范圍，漏斗黏度應控制在36～50 s范圍。這樣可較好地保證水平孔孔壁穩定性。

(2) 姓鐘圍項目采用的高精度隨鉆測斜技術是定向鉆進的基礎，配合螺桿定向鉆具，使造斜段平滑過渡到水平段。這是保障注漿閥順利下放的重點。

(3) 本次試鉆實現的水平段最大鉆進長度為60 m。鉆孔軌跡可控，精度高，可為長距離水平注漿、水平凍結及管棚等施工措施提供技術支持。此外，姓鐘圍項目成功下放注漿閥管作為單向注漿通道，能防止泥砂涌入鉆孔，為多次安全注漿提供保障。