２２０管理施工 ＤＯＩ：１０．１６７９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｓｄｑｙｆｈ．２０１８．０６．０６２ 城市道桥与防洪 ２０１８年６月第６期 信息化纠偏在水平ＭＪＳＩ法超长距离钻进中的运用 李慕涵 （上海隧道工程有限公司，上海市２０００８２） 摘要：为实现管幕法在未来上海城市轨道交通建设中的运用，进行了一系列技术研究，掌握了管幕法施工的关键技术，为 管幕法车站的施工奠定了基础。介绍了超长５０ ｍ水平ＭＪＳ工法钻进纠偏技术，有关经验可供相关专业人员参考。 关键词：纠偏；水平旋喷；浅埋暗挖；ＭＪｓ工法 中图分类号：Ｕ４５５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９—７７１６（２０１８）０６—０２２０—０３ ０引言 随着我国社会主要矛盾转化为人民日益增长 的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛 盾。人民群众对出行方式及施工建设方法都有了 较高的期盼及要求。在轨交建设过程中不封交、少 扰民越来越受到各级政府的重视，不得不采用暗 挖施工车站的需求已经出现，急需对配套的施工 设备、施工技术等进行研究，以满足日益复杂的施 工要求。 通过对国内外地铁车站施工工艺的比选，根 据上海软土地区特有的地质特性，确定了以管幕 法作为上海软土地区的主要暗挖工法来实施车 站。该工法在国际上也应用广泛。但目前在我国乃 至世界上尚无在饱和软粘土地层中进行暗挖轨道 交通地下车站施工的先例。 为实现管幕法在未来上海城市轨道交通建设 中的运用，上海隧道公司自２０１５年始，进行了一 系列技术研究，掌握了管幕法施工的关键技术，为 管幕法车站的施工奠定了基础。本文所介绍的就 是这一系列科研中的《超长５Ｏ ｍ水平ＭＪＳ工法钻 进纠偏技术》¨＿４Ｊ。 超长水平钻进，具体表现在如下几个方面： （１）钻具的重力方向改变 在竖直钻孔时，钻具的重力方向与钻孔方向 致，受自重及重力影响，钻具在顶角及方位上受 到约束，钻孔垂直度主要受到钻管自身刚度、操作 人员水平、地层变化等因素的影响。而水平钻进则 不同，钻具重力方向与钻进方向成９０。角，钻具会 受重力影响，从而偏离钻进方向。 （２）饱和软黏土地层承载力不足 饱和软黏土地层承载力不足，对竖直钻孔垂直 度或方位角不会产生大的影响，而对于水平钻孔， 由于饱和软黏土地层无法提供足够的承载力来克 服钻具自重，因此从理论上来说，水平钻进的孔，如 不采取措施必成下抛状。ＭＪＳ钻管每延长米达到 ５７ ｋｇ，５０ １３１钻杆自重２．８５ ｔ，此情况更为明显。 （３）钻进方式改变 竖直钻孔时，可由工程钻机预先成孔，钻孔完 成取出钻具后，孔内仍保留有护壁泥浆或留置外 套管，可以从容的下人ＭＪＳ钻管，而无需担心孔壁 坍塌。饱和软粘土地层水平钻进则不同，因存在地 下水、土涌人工作井的可能性，其它设备代替钻孔 后，护壁泥浆难以留置，孔壁极易坍塌等问题，钻 一１研究内容 １．１面临的问题 与竖直钻孔相比，水平钻进更具难度，特别是 收稿日期：２０１８—０４—１１ 基金项目：上海市科学技术委员会科学计划项目（１７ＤＺ１２０３８００）。 作者简介：李慕涵（１９７７－－），男，上海人，高级工程师，从事地下工 程施工工作。 孔只能由ＭＪＳ工法设备白行完成。 （４）钻进精度控制方式改变 竖直钻孔时，可通过扩大钻孔直径、多次自由 落体、钻头加压等方式保证钻孑Ｌ垂直度。而饱和软 粘土地层中水平钻进受制于工作井墙体开孑Ｌ直 径、防水等影响，钻孑Ｌ直径应在满足工程施工后尽 可能小，且开孔直径增大容易塌孔，导致地面沉降 变形。钻头加压后，钻管容易受压而变弯。 ２０１８年６月第６期 （５）对钻进设备要求高 城市道桥与防洪 管理施工２２１ 标——桂桥路车站及出入场线土建Ｔ程场地内进 行。试验进行了２根５０ｍ超长水平ＭＪＳ工法桩。事 竖直钻－ｆＬ￣，－Ｊ，因钻管与土体之间充满护壁泥 浆，摩擦力较小，出现抱管等情况时．自救、它救的 方式较多。而水平钻进时，钻管与土体密贴，摩擦 力与钻管表面积成正比，随着钻进长度的增加，摩 擦力不断增大，对钻管的扭矩要求也随之提高。一 先在车站主体结构与北 作井之间设立了一道封 堵墙，由已开挖到底的主体结构向未开挖的北Ｔ 作井钻进，见图２。 旦发生断管，在加固断面里就形成人＿Ｔ障碍物，无 法自救与它救，增加施工难度。 只有解决了上述问题，暗挖法关键＿Ｔ艺—— ５０ ｍ超长水平ＭＪＳ Ｔ法才能顺利实施。 １．２解决方法 １．２．１钻具姿态监控 ＭＪＳ钻管中部有一个直径６ ｅｍ的回浆管路直 达钻头底部，可以通过回浆管路放入直径６ ｅｍ以 内的测斜仪器对钻进姿态进行监控。通过调研，采 购了日本村田制作所的水平孑Ｌ弯曲测量器。该测 量器测量精度达到１／３００～１／４００，测量方向为水平 （上下方向）±１５ｏ，耐水度２ ＭＰａ，工作温度 ｌ０ ６０。，直径４５ ｍｍ，该仪器在放人回浆管路后， 每延米采集一个水平倾角，通过三角函数计算，可 得知整个钻具在土体中的姿态，见图１。 ７６０ ． 图２试验桩平面位置图 ２．１钻进方案 为结合工程，钻进在地面以下１２ ＩＴＩ，④灰色淤 泥质粘土层中进行，为避免在结构墙体上钻孑Ｌ导 致的地下水、土等涌人基坑，采用喜利得钻机在结 构墙体上钻孔至距原状土１０ ｅｍ左右，回拔钻具， 安装孔口密封装置，然后钻具通过防喷装置钻穿 结构墙体，钻穿结构墙体后，回拔钻头至防喷装置 闸阀处，关闭闸阀后，取出钻具。之后连接电源，数 据线，开启油泵，桩机就位，钻头和地内压力检测 显示器连接，确认在钻头无荷载的情况下清零，对 ～一ｊ蓉－■二一 一 ＿一一ｌｌＩ ’■ ～…． ＿ｌ二 懈 · 一一目 ■ ６２２ 暑 鲁 接钻杆和钻头，对接时认真检查密封圈情况，看是 否缺失或损坏。地内压力是否显示正常，动力头旋 图１水平孔弯曲测量器（单位：ｍｍ） 转一定角度，具体角度视情况而定，将钻头钻入孑Ｌ 口密封装置橡胶圈内，打开孔口密封装置闸阀，开 启削孔水，用削孔水切割土体，然后动力头旋转， 将钻头钻入土体，每钻进３米进行水平测量，测量 钻头偏斜情况，若钻头偏斜在可控范围内，则继续 钻进，若超出可控范围，则拔 钻管，纠偏重新引 孔，浅层覆土中土体松软，钻进一定长度后钻管在 自身重力作用下顶端下垂，纠偏也仍不能达到要 求，则先喷浆施工已经钻进完成部分，待加同部分 硬化具有较强支撑面后继续钻进，直到钻头到达 设计长度。 （Ｉ）钻进施Ｔ流程（见图３） １．２．２钻头姿态修正 通过科研，首创了一种小断面多孑Ｌ管旋喷钻 具，该钻具与ＭＪＳ钻头连接，一起钻入土体，通过 调整钻管旋转角度，使钻进过程中切削的土体填 充至需要钻进方向背面的钻管底部，利用切削土 体增加钻管底部承载力，达到调整钻头姿态的作 用。 １＿２＿３控制钻管扭矩 根据设备性能，对设备扭矩表进行密切监控， 将设备扭矩表达到数值７定为警戒数值，一旦达 到警戒数值，开启切削水、前后抽动钻具，如无法 低于警戒值，拔ｍ钻管，在二次钻进。 １－２．４两次喷射两次钻进 浅层覆土中土体松软，钻进一定长度后钻管 在自身重力作用下顶端下垂，纠偏也仍不能达到 要求，则先喷浆施工已经钻进完成部分，待加固部 分硬化具有较强支撑面后继续钻进，直到钻头到 达设计长度。 （２）信息化纠偏情况 在超长水平钻进过程中，钻头姿态的控制尤 为关键，通过数字化测斜仪对钻具姿态的监控，技 术人员根据测量数据，及时对钻头旋转角度进行 调整，钻头姿态始终在受控范围内。以下为水平 ５０ ｍ超长钻进钻具姿态监控数据，见图４、图５，。 从图４、图５可以看出，通过对信息化数据的 及时分析，对钻头姿态的钻进全过程控制，５０ ｍ超 长水平钻进一次成功，避免了两次喷射两次钻进 这一费时费力方法的采用，ＭＪＳ１号桩水平钻进偏 ２钻进试验 本次试验在上海市轨道交通１４号线Ｔ程２３ ２２２管理施工 城市道桥与防洪 ２０１８年６月第６期 结构墙地下连续墙 结构墙地下连续墙 （１）放样后安装喜利得钻机水平开孔 （２）喜利得开孔完成 （３）安装孑Ｌ口防喷装置并关闭闸阀 状 一 —ｈ ．．’，，，，＾ｌ，丹 土 壶浆 兰兰 工作井底板 侔 结构墙地下连续墙 （４）ＭＪＳ主机就位拼接钻管，准备钻进 （５）ＭＪＳ钻管钻进至放喷装置内 （６）拼接ＭＪＳ钻管，钻进土体后，打开防喷闸阀 （７）￣ＶｔｌＳ钻管钻进后测斜 （８）根据测斜结果进行纠偏钻进 （９）钻进至设计深度后开始喷射成桩 ＭＪｓ水垩童旦 机 原 Ｊｓ水平专用钻机水泥浆 广＿ｒ］原 ）—＿． ／＇／／＃／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／Ｌ／／／／ 工作井底板 状 土 面臻 Ｌ 状 土 儿． 蛙 瞄 啮 盛 ￣— 工作井底板 甾 ／／／／／／／／Ｉ／／／／／／／Ｉ／／／， （１０）喷浆至设计长度后。关闭防喷闸阀 （１１）钻管拔出后．从防喷装置前端泄压孔中进行注浆填充 图３钻进施工流程 图４ ＭＪＳ１号桩５Ｏ ｍ超长水平钻进测斜曲线 图５ ＭＪＳ２号桩５０ ｍ超长水平钻进测斜曲线 （下转第２４１页） ２０１８年６月第６期 城市道桥与防洪 置加强钢筋。 科技研究２４１ 构件的变形不协调使两者之间产生相互约束所 致。温度作用对柱轴力的影响很小，对柱弯矩影响 较大。地下一层柱中由温度效应产生的弯矩最大 为６５２．３ ｋＮ·ｉｎ，相对正常使用下的弯矩约占４２％ 左右，因此考虑温度效应将大大增加柱配筋。 本工程中，地下室外墙是结构中的主要抗侧 力构件，它的存在大大提高了结构的抗侧移刚度。 温度作用下，地下室外墙构件能在很大程度上限 （２）在建筑物长向每隔４０ ｉｎ左右设置若干道 混凝土施工后浇带。浇捣后浇带的时间应在主体 完工６０ ｄ后，且要求尽可能在低温季节浇筑。 （３）地下室主体混凝土结构应采用低水化热的 水泥拌制，以减少单位体积的水化热量。混凝土的 配合比应合理选择骨料品种规格，严格控制含泥 量。控制混凝土的浇筑时间和浇筑温度，改进混凝 制建筑物的自由变形，导致结构中产生约束压 土的振捣工艺并加强养护。 （拉）应力，在图４中也可明显看出靠近地下室外 墙一侧的顶板温度应力最大。在设计中，考虑温度 ７结语 应力影响，提高混凝土外墙水平分布钢筋的配筋 本文讨论了超长地下混凝土框架结构在温度 率，同时水平分布钢筋的间距控制在１００～１２０ ｍｍ， 作用下计算工况的确定方法，对具体工程实例中 靠近顶板区域设暗梁，以加强纵向抵抗温度作用 的温度应力进行了计算。计算结果表明，采用本文 的能力。 设计的超长地下结构温度作用计算工况，可以满 ６裂缝控制技术措施 足实际超长结构温度的计算需要，具有一定工程 适用性和可操作性。同时对地下一层梁板柱采取 为了有效解决本工程结构超长引起的开裂问 的技术措施能有效防止结构超长引起的混凝土开 题，本工程从结构设计和施工技术措施人手，主要 裂问题 采取以下措施： （１）设计中考虑温度应力的影响，框架梁一般 参考文献： 通过增加腰筋来抵抗温度作用，设计时纵向腰筋 …１ ＧＢ５０７３６－－２０１２，民用建筑供暖通风与空气调节设计规范【Ｓ】。 间距控制在１００ １２０ ｍｍ。地下一层结构顶板配筋 ［２］王铁梦，工程结构裂缝控制【Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社， １９９７． 考虑温度作用增量，迎水面另加铺双向ｑｂ６＠１５０ ［３］韩重庆，冯健，吕志涛．大面积混凝土梁板结构温度应力分析的 钢筋网。在结构平面的凹凸转角和阴阳角部位配 徐变应力折减系数法【Ｊ］．工程力学，２００３，２０（１）：７－１４． 七七 ｔｔ七七七七 七七七电七 七七七七七七七々七七七七七七 七七七七七七七七七电七七七七七七电七七 七七七七七七 七七七七皇七七七七七七七电七七七七七七电七七七ｔ七七七七七七七七七七七七七七 （上接第２２２页） 差为＋１８ ｃｍ，钻进精度达到Ｏ．３６％，ＭＪＳ２号桩水 次科研的成果，希望能给同行提供有益的借鉴。共 平钻进偏差为＋４ ｃｍ，钻进精度达到Ｏ．０８％。两次 同推进水平旋喷的发展。 钻进均超过了ｌ％的控制要求。通过两根５Ｏ米水 平超长钻进，证明该经验完全可复制，５０ ｉｎ水平超 参考文献： 长钻进技术难题得到了圆满攻克。 ［１】吕继昌，周晓敏．松软水平地层水平钻进【ＪＪ．建井技术，１９９８（６）： ３５—３７． ３结语 ［２］孙国庆，殷九荣．水平旋喷加固在富水未成岩粉细砂层中的应用 我国在旋喷施工领域起步较晚，特别是在软 『ＪＪ．隧道建设，２０１２，３２（２）：２１３—２１７． 土水平旋喷领域，施工设备缺乏，理论研究滞后， 【３］刘俊成．水平旋喷技术在城市地铁富水砂层中的应用【Ｊ］．铁道建 筑技术，２０１０（４）：５ｌ一５４． 始终制约着水平旋喷的发展，近几年随着ＭＪＳ工 【４】黄均龙．多孔管旋喷设备【Ａ】．第三届深基坑工程新技术与新设 法的引进才开始有成功施工的工程案例出现，本 备发展论坛论文集［ｃ］．西安：知识产权出版社，２０１３．