張啟萌

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北 涿州072750)

圖1 廈門翔安海底隧道

中國大陸第一座海底隧道—廈門翔安海底隧道（見圖1），是廈門第三條進(jìn)出通道，是連接廈門翔安區(qū)陸地和市島的重要交通通道，其中海底隧道全長5.948km，海域段4.2km。隧道自廈門湖里區(qū)五通起，翔安區(qū)西濱止，最深處在海平面下70m，采用三孔隧道方案，中孔為服務(wù)隧道，兩側(cè)為行車主洞各設(shè)置3車道。隧道施工采取鉆爆法，該段施工有三大難點(diǎn)：淺灘全風(fēng)化層段、沙礫層段和海底風(fēng)化槽，從進(jìn)口到出口依次穿越海底F1、F4、F2、F3風(fēng)化深槽（見圖2），地質(zhì)條件極其復(fù)雜。涌水突泥風(fēng)險(xiǎn)極高，施工難度大。

圖2 海底F1、F4、F2、F3風(fēng)化深槽

圖3 隧道縱斷面設(shè)計(jì)（最大縱坡：3%）

隧道F1風(fēng)化槽（見圖3）位于YK8+322～YK8+470，全長 148m，高 13.3m，寬 18m，開挖面積186m2，距洞口1763m，洞頂距海平面約56m，該部位海水深度20～27m，頂板覆蓋層厚度28m～35m。超前探測最大水壓為0.3～0.5MPa，單孔最大涌水量45m3/h。地質(zhì)情況風(fēng)化嚴(yán)重，含水量大，呈軟塑砂質(zhì)粘性土狀，并含有中、粗砂。

為解決海底隧道安全通過風(fēng)化槽技術(shù)難題、確保施工安全，在對海底風(fēng)化深槽地層特性和加固機(jī)理研究后，決定采用具國際先進(jìn)水平的全斷面帷幕注漿技術(shù)。該工法成熟、安全、環(huán)保、高效，但對設(shè)備的先進(jìn)性和穩(wěn)定性也提出了更高要求。

1 RPD多功能鉆機(jī)在F1風(fēng)化槽施工中的優(yōu)缺點(diǎn)

對宜萬線齊岳山隧道工地的RPD150型鉆機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場考察，主要了解RPD150型鉆機(jī)在隧道中的鉆孔速度、孔徑范圍、能否實(shí)現(xiàn)隨鉆隨注等性能。隨后通過各種研究、對比分析，并結(jié)合翔安海底隧道F1風(fēng)化槽的實(shí)際特點(diǎn)，選取了日本礦研RPD多功能鉆機(jī)RPD-75SL-H2和RPD-150c。

1.1 RPD多功能鉆機(jī)的優(yōu)勢

RPD多功能系列鉆機(jī)，即全液壓旋轉(zhuǎn)沖擊式鉆機(jī)，采用“礦研”液壓沖擊動力頭，在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上增加后釘錘式的液壓打擊功能，配合其他功能可直接進(jìn)行鉆孔取芯、鉆桿注漿，后沖擊錘裝置也可輕松解決裂隙巖體和破碎帶巖體帶來的卡鉆問題[1]。RPD多功能鉆機(jī)先后在廈門翔安海底隧道、蘭新鐵路、滬昆鐵路、宜萬鐵路齊岳山隧道、祁連山隧道、大麗高速下山口隧道、渝利鐵路、引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧道、熊洞灣隧道、膠州灣隧道等工程中發(fā)揮了重要作用，得到用戶的一致好評。而國產(chǎn)鉆機(jī)主要依靠壓縮空氣驅(qū)動的空壓潛孔錘作業(yè)，無法完成F1風(fēng)化槽比較關(guān)鍵的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、鉆注一體等工序。RPD多功能鉆機(jī)與其他鉆機(jī)對比見表1。

1.2 RPD-150c多功能鉆機(jī)基本參數(shù)

RPD-150c以柴油發(fā)動機(jī)驅(qū)動，采用履帶行走，水平最大鉆孔深度為150m，鉆孔直徑在65～225mm之間，最大旋轉(zhuǎn)扭矩8000N·m，最大旋轉(zhuǎn)數(shù)80r/min，最大打擊數(shù)2200bp/m，最大爬坡角度30。，工作仰角45?！?0。，水平鉆孔最高3.6m，最低2.3m。

1.3 RPD多功能鉆機(jī)的特點(diǎn)

1.3.1 進(jìn)行長距離地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

針對翔安海底隧道F1風(fēng)化槽，RPD多功能鉆機(jī)掌握掌子面地質(zhì)主要通過MWD工法和沖擊式鋼絲繩取芯工法。①M(fèi)WD工法。通過測定、分析鉆機(jī)鉆孔時(shí)采集的數(shù)據(jù)（比如鉆孔速度、扭矩、旋轉(zhuǎn)壓力、深度、打擊壓力等），判斷掌子面前方地質(zhì)。②沖擊式鋼絲繩取芯工法。該工法非常適合軟弱破碎巖層，無需拔出鉆桿就可進(jìn)行水平、垂直取芯。

表1 F1風(fēng)化槽施工中RPD多功能鉆機(jī)與其他鉆機(jī)對比

1.3.2 實(shí)現(xiàn)鉆孔注漿一體化

RPD多功能鉆機(jī)可直接通過鉆桿實(shí)現(xiàn)注漿，不同地質(zhì)情況可采用不同注漿工法，比如孔口注漿、前進(jìn)式注漿、后退式注漿等?？纱蟠筇岣吖ぷ餍?，降低施工成本。

2 RPD鉆機(jī)在F1風(fēng)化槽施工中應(yīng)用

F1風(fēng)化槽作為翔安海底隧道施工中的重難點(diǎn)，其施工工法、施工工序及銜接都經(jīng)過了反復(fù)研究和論證，其主要施工工序都與RPD多功能鉆機(jī)緊密相關(guān)（見圖4）。

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

止?jié){墻施工完成后，用RPD多功能鉆機(jī)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，取芯孔的鉆進(jìn)鉆頭為Φ127mm，鉆桿直徑為Φ89mm。先安裝Φ108mm的孔口管，孔口管外端連接閘閥、法蘭盤和注漿止水裝置（見圖5），再安裝注漿壓力表。定位完成后開鉆，到設(shè)計(jì)位置后撤回鉆頭，然后更換Φ101mm鉆頭、Φ89mm的鉆桿，采用PS沖擊式鋼絲繩取芯工法，不需拔出鉆桿就可快速取芯，大大提高了取芯速度和質(zhì)量（見圖6）。

圖4 F1風(fēng)化槽帷幕注漿多功能鉆機(jī)工藝流程

圖5 注漿結(jié)構(gòu)及防突水裝置

圖6 多功能鉆機(jī)取芯樣品

2.2 鉆孔注漿

RPD多功能鉆機(jī)在F1風(fēng)化槽中進(jìn)行鉆注一體化施工，大大降低了成本，提升了工作效率。

2.2.1 鉆孔

鉆孔準(zhǔn)確定位后，RPD多功能鉆機(jī)盡量貼近巖面，以保證開孔質(zhì)量，按試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的定位準(zhǔn)確開孔。開孔時(shí)要輕加壓、慢速、大水量。孔深超過30m后，避免高壓、快速鉆進(jìn)，防止塌孔或斷桿事故。

2.2.2 后退式注漿

結(jié)合F1風(fēng)化槽地質(zhì)復(fù)雜性及RPD多功能鉆機(jī)的先進(jìn)性，F(xiàn)1風(fēng)化槽采用后退式注漿法（見圖7）。

圖7 后退式注漿法

后退式注漿法優(yōu)點(diǎn)是工效高，重復(fù)掃孔工作量小，能實(shí)現(xiàn)定位、控域注漿，操作較簡單，注漿效果較易保證。缺點(diǎn)是對孔口管的密封性要求較高，且注漿設(shè)備要足夠先進(jìn)。

后退式注漿過程如下：待鉆孔到預(yù)訂位置后，根據(jù)選定的參數(shù)配制漿液，檢查注漿管，確認(rèn)暢通后將注漿管路接頭和水轉(zhuǎn)換器連接好，進(jìn)行后退式注漿[2]，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，維持2-3min，進(jìn)漿量達(dá)到設(shè)計(jì)數(shù)量則停止注漿，清洗管路，關(guān)閉閥門，待雙液漿初凝后，退兩根鉆桿進(jìn)行下一段注漿，每段以3m為單位，直到該孔完全注漿完成[3]。在F1風(fēng)化槽第一循環(huán)的102個(gè)孔的注漿過程中，每孔長25-34m，鉆孔時(shí)間為1.5-2h/孔，注漿時(shí)間為4-9h/孔，這個(gè)速度是傳統(tǒng)注漿法的3倍，并且注漿效果良好[4]。通過檢測，注漿效果能使原單孔最大涌水量45m3/h降低到0.11L/min.m，注漿的堵水率達(dá)到95%以上，開挖時(shí)無水，漿液脈絡(luò)清晰可見（見圖8）。

圖8 F1風(fēng)化槽開挖時(shí)注漿效果及YK8+358一部開挖斷面情況

3 RPD多功能鉆機(jī)的不足

在F1風(fēng)化槽透水性強(qiáng)、易涌水突泥的惡劣地質(zhì)條件下，RPD多功能鉆機(jī)在取芯、鉆注一體等方面都展示了其先進(jìn)性，但同時(shí)不可避免存在一些不足之處[5]。

①極端環(huán)境下穩(wěn)定性需加強(qiáng)。F1風(fēng)化槽海水腐蝕性較強(qiáng)，隧道內(nèi)施工一段時(shí)間后，鉆機(jī)發(fā)動機(jī)及電路故障率較高，線路老化快。②鉆桿使用壽命短。在F1風(fēng)化槽第一循環(huán)施工過程中，就存在φ57鉆桿因磨損嚴(yán)重而出現(xiàn)斷裂的情況。

4 結(jié)語

事實(shí)證明，RPD多功能鉆機(jī)能適應(yīng)各種工況，用途多種。F1風(fēng)化槽作為廈門翔安海底隧道最具挑戰(zhàn)性的重難點(diǎn)工程，采用全斷面帷幕注漿工法，通過合理使用RPD多功能鉆機(jī)，攻克諸多技術(shù)難題，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、止水防突、鉆注一體化，有效改良F1風(fēng)化槽圍巖土體，提高了施工安全系數(shù)，加快了施工進(jìn)度，降低了成本。同時(shí)，也驗(yàn)證了新型高科技設(shè)備在解決重大工程難題中所起的重要性和決定性作用。