张利娜,杨 枫,吕 波

(北京城建五维市政工程有限公司,北京 100143)

1 工程概况

北京地铁9号线东钓鱼台站—白石桥南站区间工程位于首都体育馆南路主路下方,在区间靠东钓鱼台站侧设盾构始发井1座,负责南段矿山法停车线区间和北段盾构法区间施工。盾构始发井处在城市交通主干道上,邻近一座天桥及多条市政管线。

盾构井主体结构内净空尺寸14 m×9.2 m,基坑深度26.247 m,围护结构采用长31.747 m、φ1 000 mm@1 300 mm钻孔灌注桩+内支撑支护体系。

2 施工区域地质情况

由坑探资料可见,盾构始发井深度6.5～14.0 m为第四纪沉积的砂卵石层(含黏性土夹层)；深度14.0～14.8 m为第四纪卵石和第三纪砾岩交界过渡层,该深度段漂石含量集中,以粒径20～30 cm为主,粒径30～60 cm漂石约占45%；深度14.8～19.0 m为大粒径砾石集中分布深度,不但粒径30～50 cm漂石含量达到总量的约20%,而且粒径50～80 cm的漂石含量也较高,约20%,该深度段大粒径漂石含量高、粒径大；深度19.0～24.0 m砾石粒径相对减小,但仍存在粒径30～70 cm漂石,且胶结程度较好,整体强度相对较高。

根据实测数据,盾构始发井处水位较深,只有少量层间水。

3 打桩设备选型

根据卵砾石粒径分布情况,针对不同深度段粒径特征及其对基坑围护桩的施工工艺和设备选型的影响划分为4段,并对每段进行如下综合分析,为成桩工艺和设备选型时提供参考。

(1)深度6.5 m以上黏性土、粉土地层及6.5～14.0 m分布的砂卵石层对成桩工艺无明显影响。

(2)深度14.0～14.8 m为第四纪卵石和第三纪砾岩交界过渡层,该深度段漂石含量集中,以粒径20～30 cm为主,分布少量粒径30～60 cm漂石(6块、约45%),上述情况与海军总医院医疗大楼基槽揭示情况基本一致。

常规的机械成桩工艺在该段地层成孔有一定难度；地下水水量较小,在辅以必要排水措施后相对经济的人工成孔工艺是可行的。

(3)深度14.8～19.0 m为大粒径砾石集中分布深度,不但粒径30～50 cm漂石含量达到总量的约20%(20块),而且粒径50～80 cm的漂石含量也较高(7块、约20%)。

该深度段大粒径漂石含量高、粒径大,常规的机械成桩工艺一般难以穿过此类地层；人工成孔工艺进度较慢,且安全问题突出。

(4)深度19.0～24.0 m砾石粒径相对较小,可见粒径一般小于20 cm,仅在深度20.30～21.20 m段分布个别粒径30～40 cm漂石及70 cm漂石1块,但胶结程度较好,整体强度相对较高,现场开挖风镐施工效率很低。

该段地层虽然卵砾石粒径相对其上地层较小,但由于胶结程度好,对适用于松散卵石地层的机械成孔(尤其是旋挖钻)施工工艺成桩难度很大；人工成孔工艺在进度和安全上可能无法完全满足要求。

针对砂卵石地层硬度大、易扰动的特点,需选取承载力大,打桩扰动小的高性能钻机。一般钻机在砂卵石地层中钻进困难,很难成孔[1]。表1列举了各成孔工艺优缺点,通过对比,可以直观地看出全套管钻机有着在砂卵石地层中其他钻机不可比拟的施工优势。

结合本工程特点,施工中选用了全套管钻机进行盾构始发井的围护桩施工。

表1 各成孔工艺优缺点比较[2～5]

4 全套管钻机施工技术

4.1 施工工艺

全套管钻机是一种就地灌注的施工机械[6]。操作时装有回转钻头的套管(又称套筒或护筒)垂直旋进地基。旋进过程中套管一边保持孔壁,一边作往复圆周旋转以及垂直推进,进行强力钻削压入地基。然后,借助于圆筒形锤式抓斗冲击取出覆盖在套管内的土壤或岩石,并排除运走。当套管逐级压入到要求的灌注深度时,便吊放钢筋笼。由汽车吊导管灌注混凝土,混凝土达到首次灌注深度后,在保证导管埋入混凝土深度的情况下边浇筑混凝土边拔出套管。灌注完成套管拔出即可成桩。

全套管钻机施工工艺流程：场地平整→放线定桩位→桩机就位→压入第一节套筒→校核垂直度→套筒旋进→抓取套筒内土→套筒跟进→测量孔深→清孔→吊放钢筋笼、导管→灌注混凝土、边拔管→测混凝土面→结束、移桩位。

4.2 遇大漂石、孤石时施工措施

全套管钻机最大的特点是有多种形式的冲锤和抓斗可供选择,它们都由钢丝绳带动；根据桩孔深度不同,可以选用不同长度的伸缩式钻杆以驱动钻斗、短螺旋、空心钻头以及扩底钻头进行施工。在全套管钻机钻进时最常用的钻具是冲抓斗和冲锤。冲锤有十字形、一字形、空心圆筒形、楔形等形式。十字形、一字形冲锤的主要作用是击碎岩石,空心圆筒形、楔形冲锤的主要作用是剪断岩石,其中楔形冲锤还有掀起破碎的岩层的作用,针对砂卵石地层中卵石不同的分布情况,可选择适当的冲锤进行碎岩。

套筒遇到大漂石、孤石无法旋进时,需更换钻头,利用冲锤的重力及自由下落的势能将卵石击碎或沿护筒内壁将卵石切断,再用抓斗将破碎的卵石取出。卵石过于坚硬无法完全击碎时,也可锤击卵石使其松动,亦可用抓斗取出。以下介绍几种典型状态下冲锤的选择。

(1)当卵石位于套筒中心位置且粒径小于套筒直径时,可采用十字形或一字形冲锤将卵石击碎取出。

(2)当钻入地层卵石密集且强度较大时,可采用空心圆筒形冲锤将卵石沿护筒内壁切断,再用十字形冲锤击碎后取出。若击碎后仍然无法取出,可用楔形冲锤沿护筒内壁冲击,将已破碎的岩石掀起后,再用抓斗将碎岩抓出。

(3)当卵石暴露在套筒内较少时,采用十字形或实心冲锤可能无法触及到,此时应该选用楔形冲锤将卵石剪断取出。

运用该方法,在施工过程中取出的卵石最大直径达到了70 cm。在遇到情况不明时,可人工探孔定位,针对地下实际情况选取钻头施工,机动灵活,在工程中方便实用。

5 施工要点

(1)钻机就位后,必须严格控制首节套管垂直度,校正后,套管连续间断进行摇晃与推进。在下沉到一定深度时,利用抓斗将套管内的土取出,随后连接加长各节套管。

(2)钻进过程中,孔深和抓斗升降所需时间决定成孔速度,故必须控制好卷扬机的起升速度。钻孔中还必须注意油压表的指示。

(3)在漂石、卵石层成孔,必须采取先行超挖方法,先抓出大漂石,才能使套管压进,遇个别大孤石,先冲碎后再压进。

(4)孔内遇少量水时可就近将干燥的土壤放入孔内吸水后,再抓出。套筒无法旋进且情况不明时,可进行人工探孔。

(5)钻后需清孔和对桩孔深度进行测量,如孔底处理不好,结构会发生最初沉陷。

(6)清孔后吊放钢筋笼,必须垂直且四周设定位块,定位块间距3 m,平面间隔45°。须检查并记录钢筋笼的安装高度及与套管高度的关系。吊车起吊高度不够时可分节吊放,两节钢筋笼悬吊完成绑扎。

(7)浇筑混凝土高度需高出设计高程10 cm,以利于后续施工时凿除桩头浮浆层。

6 结语

东钓鱼台站—白石桥南站区间盾构始发井共44根钻孔灌注桩,工期75 d,经低应变反射波法对每根桩进行检测,检测单桩桩身完整性均符合规范Ⅰ级要求,且混凝土28 d抗压强度试验报告显示各桩体的强度均已达到设计值。

根据在砂卵石地层中全套管钻机的应用,总结出全套管钻机的适用范围及其优缺点。

(1)利用全套管钻机进行施工噪声低、振动小，对周围环境小,特别适用于城市施工。

(2)能利用套管全长进行护壁,不必担心塌孔。

(3)备有各种钻具,能适应各种复杂地层,因此它的适应性和通用性较其他钻机都好。

(4)全套管钻机施工速度快,而且可以进行深基础施工,一般可钻深至50 m。对于本工程的砂卵石地层,围护桩施工速度仍可以控制在平均2根/3 d。

(5)全套管钻机属大型施工机械,且机械自重大,需要足够的作业场地,场地需要坚实平整。

(6)如果在施工过程中遇到巨砾、河卵石时,套管未被压下,抓斗仍在抓土,有时会因局部掏空而形成深部塌方,但却不易发现而形成隐患。

综上所述,全套管钻机在施工中显示出了其他钻机无可比拟的优越性,也有了越来越多的使用者,有很好的应用前景。但是施工前需考虑预留钻机的作业空间,并且在砂卵石地层施工中应采取预防深部塌方的施工措施。

[1]朱玉明,张继明,李 力.砂卵石地层成孔施工工艺研究[C].北京：北京市政第一届地铁与地下工程施工技术学术研讨会论文集,2005．

[2]武汉华威GZY系列高质全液压静力压桩机[M].长沙：建设机械技术与管理,2008.

[3]宋孚鹏,庄忠义,赵爱波.钻孔灌注桩反循环工艺探讨[J].工业建筑,2008(9).

[4]谈妙泉,张录林,黄 勇,等.旋挖桩机和旋挖桩工艺市场发展初探[J].资源环境与工程,2007，21(5).

[5]张丽娟.多功能全套筒钻机的特点及国内外的开发进展[J].国外地质勘探技术,1994(1).

[6]刘建国,朱成杰,潘明亮.MZ型摇摆式全套管钻机及其应用[J].西部探矿工程,2002(增刊)．