全套管鉆機(jī)在砂卵石地層中成孔施工工藝初探

張利娜,楊 楓,呂 波

(北京城建五維市政工程有限公司,北京 100143)

1 工程概況

北京地鐵9號線東釣魚臺站—白石橋南站區(qū)間工程位于首都體育館南路主路下方,在區(qū)間靠東釣魚臺站側(cè)設(shè)盾構(gòu)始發(fā)井1座,負(fù)責(zé)南段礦山法停車線區(qū)間和北段盾構(gòu)法區(qū)間施工。盾構(gòu)始發(fā)井處在城市交通主干道上,鄰近一座天橋及多條市政管線。

盾構(gòu)井主體結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空尺寸14 m×9.2 m,基坑深度26.247 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用長31.747 m、φ1 000 mm@1 300 mm鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)體系。

2 施工區(qū)域地質(zhì)情況

由坑探資料可見,盾構(gòu)始發(fā)井深度6.5～14.0 m為第四紀(jì)沉積的砂卵石層(含黏性土夾層)；深度14.0～14.8 m為第四紀(jì)卵石和第三紀(jì)礫巖交界過渡層,該深度段漂石含量集中,以粒徑20～30 cm為主,粒徑30～60 cm漂石約占45%；深度14.8～19.0 m為大粒徑礫石集中分布深度,不但粒徑30～50 cm漂石含量達(dá)到總量的約20%,而且粒徑50～80 cm的漂石含量也較高,約20%,該深度段大粒徑漂石含量高、粒徑大；深度19.0～24.0 m礫石粒徑相對減小,但仍存在粒徑30～70 cm漂石,且膠結(jié)程度較好,整體強(qiáng)度相對較高。

根據(jù)實測數(shù)據(jù),盾構(gòu)始發(fā)井處水位較深,只有少量層間水。

3 打樁設(shè)備選型

根據(jù)卵礫石粒徑分布情況,針對不同深度段粒徑特征及其對基坑圍護(hù)樁的施工工藝和設(shè)備選型的影響劃分為4段,并對每段進(jìn)行如下綜合分析,為成樁工藝和設(shè)備選型時提供參考。

(1)深度6.5 m以上黏性土、粉土地層及6.5～14.0 m分布的砂卵石層對成樁工藝無明顯影響。

(2)深度14.0～14.8 m為第四紀(jì)卵石和第三紀(jì)礫巖交界過渡層,該深度段漂石含量集中,以粒徑20～30 cm為主,分布少量粒徑30～60 cm漂石(6塊、約45%),上述情況與海軍總醫(yī)院醫(yī)療大樓基槽揭示情況基本一致。

常規(guī)的機(jī)械成樁工藝在該段地層成孔有一定難度；地下水水量較小,在輔以必要排水措施后相對經(jīng)濟(jì)的人工成孔工藝是可行的。

(3)深度14.8～19.0 m為大粒徑礫石集中分布深度,不但粒徑30～50 cm漂石含量達(dá)到總量的約20%(20塊),而且粒徑50～80 cm的漂石含量也較高(7塊、約20%)。

該深度段大粒徑漂石含量高、粒徑大,常規(guī)的機(jī)械成樁工藝一般難以穿過此類地層；人工成孔工藝進(jìn)度較慢,且安全問題突出。

(4)深度19.0～24.0 m礫石粒徑相對較小,可見粒徑一般小于20 cm,僅在深度20.30～21.20 m段分布個別粒徑30～40 cm漂石及70 cm漂石1塊,但膠結(jié)程度較好,整體強(qiáng)度相對較高,現(xiàn)場開挖風(fēng)鎬施工效率很低。

該段地層雖然卵礫石粒徑相對其上地層較小,但由于膠結(jié)程度好,對適用于松散卵石地層的機(jī)械成孔(尤其是旋挖鉆)施工工藝成樁難度很大；人工成孔工藝在進(jìn)度和安全上可能無法完全滿足要求。

針對砂卵石地層硬度大、易擾動的特點,需選取承載力大,打樁擾動小的高性能鉆機(jī)。一般鉆機(jī)在砂卵石地層中鉆進(jìn)困難,很難成孔[1]。表1列舉了各成孔工藝優(yōu)缺點,通過對比,可以直觀地看出全套管鉆機(jī)有著在砂卵石地層中其他鉆機(jī)不可比擬的施工優(yōu)勢。

結(jié)合本工程特點,施工中選用了全套管鉆機(jī)進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)井的圍護(hù)樁施工。

表1 各成孔工藝優(yōu)缺點比較[2～5]

4 全套管鉆機(jī)施工技術(shù)

4.1 施工工藝

全套管鉆機(jī)是一種就地灌注的施工機(jī)械[6]。操作時裝有回轉(zhuǎn)鉆頭的套管(又稱套筒或護(hù)筒)垂直旋進(jìn)地基。旋進(jìn)過程中套管一邊保持孔壁,一邊作往復(fù)圓周旋轉(zhuǎn)以及垂直推進(jìn),進(jìn)行強(qiáng)力鉆削壓入地基。然后,借助于圓筒形錘式抓斗沖擊取出覆蓋在套管內(nèi)的土壤或巖石,并排除運走。當(dāng)套管逐級壓入到要求的灌注深度時,便吊放鋼筋籠。由汽車吊導(dǎo)管灌注混凝土,混凝土達(dá)到首次灌注深度后,在保證導(dǎo)管埋入混凝土深度的情況下邊澆筑混凝土邊拔出套管。灌注完成套管拔出即可成樁。

全套管鉆機(jī)施工工藝流程：場地平整→放線定樁位→樁機(jī)就位→壓入第一節(jié)套筒→校核垂直度→套筒旋進(jìn)→抓取套筒內(nèi)土→套筒跟進(jìn)→測量孔深→清孔→吊放鋼筋籠、導(dǎo)管→灌注混凝土、邊拔管→測混凝土面→結(jié)束、移樁位。

4.2 遇大漂石、孤石時施工措施

全套管鉆機(jī)最大的特點是有多種形式的沖錘和抓斗可供選擇,它們都由鋼絲繩帶動；根據(jù)樁孔深度不同,可以選用不同長度的伸縮式鉆桿以驅(qū)動鉆斗、短螺旋、空心鉆頭以及擴(kuò)底鉆頭進(jìn)行施工。在全套管鉆機(jī)鉆進(jìn)時最常用的鉆具是沖抓斗和沖錘。沖錘有十字形、一字形、空心圓筒形、楔形等形式。十字形、一字形沖錘的主要作用是擊碎巖石,空心圓筒形、楔形沖錘的主要作用是剪斷巖石,其中楔形沖錘還有掀起破碎的巖層的作用,針對砂卵石地層中卵石不同的分布情況,可選擇適當(dāng)?shù)臎_錘進(jìn)行碎巖。

套筒遇到大漂石、孤石無法旋進(jìn)時,需更換鉆頭,利用沖錘的重力及自由下落的勢能將卵石擊碎或沿護(hù)筒內(nèi)壁將卵石切斷,再用抓斗將破碎的卵石取出。卵石過于堅硬無法完全擊碎時,也可錘擊卵石使其松動,亦可用抓斗取出。以下介紹幾種典型狀態(tài)下沖錘的選擇。

(1)當(dāng)卵石位于套筒中心位置且粒徑小于套筒直徑時,可采用十字形或一字形沖錘將卵石擊碎取出。

(2)當(dāng)鉆入地層卵石密集且強(qiáng)度較大時,可采用空心圓筒形沖錘將卵石沿護(hù)筒內(nèi)壁切斷,再用十字形沖錘擊碎后取出。若擊碎后仍然無法取出,可用楔形沖錘沿護(hù)筒內(nèi)壁沖擊,將已破碎的巖石掀起后,再用抓斗將碎巖抓出。

(3)當(dāng)卵石暴露在套筒內(nèi)較少時,采用十字形或?qū)嵭臎_錘可能無法觸及到,此時應(yīng)該選用楔形沖錘將卵石剪斷取出。

運用該方法,在施工過程中取出的卵石最大直徑達(dá)到了70 cm。在遇到情況不明時,可人工探孔定位,針對地下實際情況選取鉆頭施工,機(jī)動靈活,在工程中方便實用。

5 施工要點

(1)鉆機(jī)就位后,必須嚴(yán)格控制首節(jié)套管垂直度,校正后,套管連續(xù)間斷進(jìn)行搖晃與推進(jìn)。在下沉到一定深度時,利用抓斗將套管內(nèi)的土取出,隨后連接加長各節(jié)套管。

(2)鉆進(jìn)過程中,孔深和抓斗升降所需時間決定成孔速度,故必須控制好卷揚(yáng)機(jī)的起升速度。鉆孔中還必須注意油壓表的指示。

(3)在漂石、卵石層成孔,必須采取先行超挖方法,先抓出大漂石,才能使套管壓進(jìn),遇個別大孤石,先沖碎后再壓進(jìn)。

(4)孔內(nèi)遇少量水時可就近將干燥的土壤放入孔內(nèi)吸水后,再抓出。套筒無法旋進(jìn)且情況不明時,可進(jìn)行人工探孔。

(5)鉆后需清孔和對樁孔深度進(jìn)行測量,如孔底處理不好,結(jié)構(gòu)會發(fā)生最初沉陷。

(6)清孔后吊放鋼筋籠,必須垂直且四周設(shè)定位塊,定位塊間距3 m,平面間隔45°。須檢查并記錄鋼筋籠的安裝高度及與套管高度的關(guān)系。吊車起吊高度不夠時可分節(jié)吊放,兩節(jié)鋼筋籠懸吊完成綁扎。

(7)澆筑混凝土高度需高出設(shè)計高程10 cm,以利于后續(xù)施工時鑿除樁頭浮漿層。

6 結(jié)語

東釣魚臺站—白石橋南站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)井共44根鉆孔灌注樁,工期75 d,經(jīng)低應(yīng)變反射波法對每根樁進(jìn)行檢測,檢測單樁樁身完整性均符合規(guī)范Ⅰ級要求,且混凝土28 d抗壓強(qiáng)度試驗報告顯示各樁體的強(qiáng)度均已達(dá)到設(shè)計值。

根據(jù)在砂卵石地層中全套管鉆機(jī)的應(yīng)用,總結(jié)出全套管鉆機(jī)的適用范圍及其優(yōu)缺點。

(1)利用全套管鉆機(jī)進(jìn)行施工噪聲低、振動小，對周圍環(huán)境小,特別適用于城市施工。

(2)能利用套管全長進(jìn)行護(hù)壁,不必?fù)?dān)心塌孔。

(3)備有各種鉆具,能適應(yīng)各種復(fù)雜地層,因此它的適應(yīng)性和通用性較其他鉆機(jī)都好。

(4)全套管鉆機(jī)施工速度快,而且可以進(jìn)行深基礎(chǔ)施工,一般可鉆深至50 m。對于本工程的砂卵石地層,圍護(hù)樁施工速度仍可以控制在平均2根/3 d。

(5)全套管鉆機(jī)屬大型施工機(jī)械,且機(jī)械自重大,需要足夠的作業(yè)場地,場地需要堅實平整。

(6)如果在施工過程中遇到巨礫、河卵石時,套管未被壓下,抓斗仍在抓土,有時會因局部掏空而形成深部塌方,但卻不易發(fā)現(xiàn)而形成隱患。

綜上所述,全套管鉆機(jī)在施工中顯示出了其他鉆機(jī)無可比擬的優(yōu)越性,也有了越來越多的使用者,有很好的應(yīng)用前景。但是施工前需考慮預(yù)留鉆機(jī)的作業(yè)空間,并且在砂卵石地層施工中應(yīng)采取預(yù)防深部塌方的施工措施。

[1]朱玉明,張繼明,李 力.砂卵石地層成孔施工工藝研究[C].北京：北京市政第一屆地鐵與地下工程施工技術(shù)學(xué)術(shù)研討會論文集,2005．

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[5]張麗娟.多功能全套筒鉆機(jī)的特點及國內(nèi)外的開發(fā)進(jìn)展[J].國外地質(zhì)勘探技術(shù),1994(1).

[6]劉建國,朱成杰,潘明亮.MZ型搖擺式全套管鉆機(jī)及其應(yīng)用[J].西部探礦工程,2002(增刊)．