硬巖地層微型鋼管樁抑塵降噪綠色施工技術研究

馬天翔，王廣群，侯镕鎳

（中國建筑第五工程局有限公司，濟南 250000）

黨的二十大明確提出，要把我國建設成為交通強國。地鐵作為城市軌道交通的中流砥柱發(fā)揮著不可替代的作用。然而，地鐵車站建設位置通常處于城區(qū)鬧市區(qū)，周邊環(huán)境復雜，人口密集，地鐵施工從建設初期就面臨諸如噪音、揚塵等各種問題，成為項目施工階段面臨的突出問題。部分巖質(zhì)基坑地鐵車站圍護結構中采用的微型鋼管樁施工產(chǎn)生的噪聲、揚塵不僅影響周邊商鋪正常營業(yè)，也容易導致附近居民產(chǎn)生極度反感情緒，信訪隱患極大。不僅制約施工生產(chǎn)，也有損地鐵建設這一民生工程在人民群眾心中的形象。

為了減少施工過程中噪音、揚塵污染對周邊環(huán)境的影響，通過研究機械設備原理，對揚塵、噪音產(chǎn)生的原因、傳播途徑、抑制措施等進行了探索和研討，力求達到“文明清潔、施工高效、成本可控”的目的。應用鋼管樁樁機孔口加裝吸塵器進行揚塵控制；采用新型帶消音裝置的空壓機，使用聲屏障材料制作隔音棚及圍擋，從根源及傳播途徑上雙重控制噪音傳播，以達到施工抑塵降噪的效果，實現(xiàn)綠色文明施工。

1 工程背景

1.1 工程概況

青島地鐵7 號線二期工程分為2 段，南延段和北延段，全長約16.896 km，全部為地下線，共設14 座車站，均為地下車站。北延段自一期工程終點東郭莊站向北，沿S209 穿過青新高速轉(zhuǎn)向桃源河二路，沿桃源河二路向東至墨城路，在墨城路轉(zhuǎn)向北穿過即墨中心城區(qū)。

線路終點站營普路站是青島地鐵7 號線二期的第14 座車站，位于即墨區(qū)主干道墨城路與規(guī)劃三十二路交叉口附近，站位東側為沿街商鋪、中石化加油站及醉美江南酒店，西側為惠新苑小區(qū)、新都花園小區(qū)及3 層商鋪，現(xiàn)狀道路為雙向6 車道，為即墨區(qū)聯(lián)系南北的主干道。車站基坑范圍內(nèi)存在通信、雨污水、給水、燃氣及其他TV、路燈等線纜。車站周邊環(huán)境復雜，緊鄰住宅小區(qū)2 座，幼兒園2 座，沿街商鋪較多，對噪音、揚塵控制等安全文明施工要求較高。

1.2 工程及水文地質(zhì)

勘測結果顯示，勘測場區(qū)第四系厚度0.30～3.4 m，主要為全新統(tǒng)人工堆積層，下伏基巖為白堊系青山群八畝地組，以安山巖為主，部分火山角礫巖。安山巖與火山角礫巖平行產(chǎn)出，工程性狀相近。由于長期受內(nèi)外地質(zhì)營力的作用，場區(qū)巖體物理力學性質(zhì)從上到下形成了不同性質(zhì)的風化帶，并不同程度地發(fā)生了空間變化。不同巖性由于其礦物成分、結構構造不同，受內(nèi)外動力作用改造的程度不同，導致其風化程度及風化帶特征也有較大差異[1]。

中等風化安山巖主要分布于基巖淺部，揭露層厚1.3～6.30 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面平直、光滑、閉合，屬破碎-較破碎的較軟巖-較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級Ⅳ—Ⅴ級。揭露段巖體屬破碎-較破碎的較軟巖-較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級Ⅳ—Ⅴ級。

微風化安山巖穩(wěn)定分布于場區(qū)，揭露厚度1.60～35.80 m?；疑V物蝕變輕微，節(jié)理不發(fā)育，巖體較完整，錘擊聲脆，巖樣多呈短柱-柱狀，屬較完整-完整的較硬巖-堅硬巖，巖體基本質(zhì)量等級Ⅱ—Ⅲ級。節(jié)理發(fā)育帶巖體屬較破碎-較完整的較硬巖-堅硬巖，巖體基本質(zhì)量等級Ⅲ—Ⅳ級。

本車站地下水類型為基巖裂隙水，主要賦存于基巖強-中風化帶巖石中，呈現(xiàn)出不同的性狀，風化及裂隙程度較為發(fā)育，通常呈現(xiàn)為層狀，具統(tǒng)一水面，地下水位隨地形的升高而增大。風化裂隙水水量較小，富水性貧，其下伏微風化-未風化花崗巖為良好的隔水層，涌水量受季節(jié)性影響較大。構造裂隙水主要賦存于中等風化和微風化基巖構造破碎帶、后期侵入的脈狀巖脈擠壓裂隙密集帶中，呈脈狀、帶狀產(chǎn)出，地下水徑流深度較大，徑流方向復雜，具有一定的承壓性。

1.3 基坑圍護設計概況

基坑整體結構采用明挖法施工，加上本站較高的巖面線，所以采用了2 級鋼管樁+錨索+錨桿的支護方式進行施工。鋼管樁上部用直徑為168 mm 的6 mm 壁厚鋼管，間距為0.75 m，下部用直徑為127 mm 的5 mm 壁厚鋼管，間距為1 m。在樁頂設置冠梁，采用噴射混凝土的方式，將鋼筋網(wǎng)懸掛在坡面上。如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)橫剖面及圍護結構圖

2 機械設備選擇

施工區(qū)域上覆薄層第四系填土層，下伏中-微風化安山巖、微風化火山角礫巖，屬于硬巖。對于硬巖來說，使用潛孔錘鉆進更為有利，鉆頭與孔底巖石碰撞后，在孔底形成破碎區(qū)域，產(chǎn)生巖屑及揚塵，由于硬巖脆性比較大，因此更易形成破碎區(qū)，加快了鉆孔施工進度，提升了施工效率[2-3]。

對直徑127 mm/168 mm 的微型鋼管樁成孔來說，通常采用氣動潛孔錘，由空壓機提供壓縮空氣作為動力來實現(xiàn)活塞在氣缸內(nèi)的不斷往復運動，從而帶動柱齒硬質(zhì)合金鉆頭不斷往復沖擊回旋，實現(xiàn)巖石破碎，同時壓縮空氣將鉆孔內(nèi)破碎巖屑吹出，從而實現(xiàn)鉆孔鉆進。

3 存在問題

空壓機工作原理是通過將機械能轉(zhuǎn)化為空氣能來進行工作，壓縮后的空氣再作為動能實現(xiàn)機械運動，但是空壓機是大型噪音源；同時潛孔錘鉆頭在空壓機帶動下高速沖擊堅硬巖體，相互碰撞下會產(chǎn)生較大的噪音及振動，對周邊環(huán)境影響比較嚴重。

巖體被鉆頭破碎后，孔底鉆渣、巖屑等碎塊狀及粉塵等細小顆粒經(jīng)過高壓空氣吹掃，清出孔底后從孔口散出，因經(jīng)過高壓空氣吹掃，揚塵較大，工人需佩戴面罩施工，且對周邊空氣質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，尤其對于基本都在鬧市區(qū)施工的地鐵來說，將會嚴重影響周邊居民、商鋪、企事業(yè)等單位及作業(yè)人員身心健康。因此需要針對潛孔錘這種機械設備的工作原理進行研究，采取針對性措施進行揚塵、噪音的控制，實現(xiàn)綠色施工，助力青島建設世界一流地鐵目標體系的實現(xiàn)。

4 抑塵降噪措施研究

4.1 噪音控制

通過分析，從設備產(chǎn)生噪音的根源及傳播途徑上雙重控制噪音傳播，使用新型帶消音裝置的空壓機，采用聲屏障材料制作可移動式隔音棚及圍擋，物理手段二次阻斷傳播途徑，有效減小了噪音對環(huán)境的污染。

4.1.1 新型空壓機

為從源頭解決空壓機噪音較大問題，經(jīng)調(diào)查，選用低噪消音空壓機，該類型空壓機是在排氣口加裝阻抗復合式消音器，高壓氣體在消聲器內(nèi)經(jīng)過一次控流后進入降壓倉擴容，從而形成低壓氣體從小孔噴出，最后經(jīng)阻聲罩有效吸收剩余噪聲。經(jīng)實測，消音器可降低噪音30dB 以上。

4.1.2 裝配式聲屏障圍擋

除進行設備本身噪音控制外，聲屏障技術等物理手段阻斷傳播途徑是目前噪音控制最有效的措施之一，項目施工現(xiàn)場采用聲屏障材料制作圍擋，項目前期經(jīng)多方考證，施工圍擋決定采用裝配式聲屏障圍擋，聲屏障圍擋的應用為項目后期妥善解決噪聲問題奠定了一定基礎。

4.1.3 可移動式隔音屏

為更好地控制施工現(xiàn)場噪音，項目針對產(chǎn)生噪音的機械設備采取重點控制措施，發(fā)明可移動式隔音屏（圖2），使用隔音屏將機械設備圍蔽，從聲源處開始消音，起到較好降噪功能。其工作原理如圖3 所示。

圖2 可移動式隔音屏

圖3 可移動式隔音屏工作原理

隔音屏擋板采用與聲屏障圍擋同材質(zhì)降噪材料；擋板之間焊接20 cm×20 cm×0.5 cm 的連接鋼板，通過螺栓連接將擋板拼裝成型，內(nèi)部龍骨采用5 cm×5 cm×0.2 cm的鍍鋅方管，間距1 m×1 m 布置；底部安裝萬向輪；頂部設15 cm 寬收口邊檐，用于對聲源進行繞射衰減，降噪原理與聲屏障圍擋相似[4]。

隔音屏擋材質(zhì)：聲屏障圍擋采用百葉孔式結構，外層為厚度1 mm 的外層鍍鋅鋼板，起隔聲和支撐作用。

中部材料是一種以聲屏障降噪材料為主的吸收聲音能量的玻璃棉制品。噪音通過聲屏障的百葉孔進入吸音棉，一部分通過玻璃材質(zhì)棉絲的振動，轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉能量，另一部分則通過與外層鋼板的隔斷，達到共同吸收、共同使用的目的?？梢苿邮礁粢羝林饕槍υ谡Ｊ褂孟?，易產(chǎn)生噪音超限的機械設備，如空壓機、潛孔鉆機、發(fā)電機等，采用封閉隔音+消音原則進行控制噪聲擴散。通過現(xiàn)場實測，可有效降低聲源設備噪音10～15 dB。

4.2 揚塵控制

4.2.1 加裝吸塵器

針對微型管樁施工揚塵較為嚴重問題，發(fā)明樁機加裝吸塵器，吸塵器根據(jù)現(xiàn)場降塵要求自主加工制作，能有效降低空氣中粉塵濃度。在樁機打樁位置增加吸塵器，從而使揚塵在產(chǎn)生源頭就得到有效抑制，防止揚塵擴散后二次降塵。吸塵器可與樁機合并為一體，開啟后無須再次安排專人操作，并且操作簡單，人工、材料投入成本可控。

吸塵器包括外部結構和內(nèi)部結構，內(nèi)部結構用來控制外部結構。外部結構包括有橡膠墊圈的捕塵口、除塵盒，在除塵盒側壁上連接可拆卸風道，以及在除塵盒中設置除塵組部件用來進行除塵處理。內(nèi)部結構包括液壓油控制組件、連接控制組部件的液壓箱、連接控制組部件的提升式油缸，以及控制風管吸氣時連接控制組部件的液壓式電動機[5]。

高壓氣體從孔底吹出鉆渣和粉塵進入有膠墊的捕塵口，再由風管將含塵氣體引入除塵器后，由于氣流截面突然擴大，降低了氣流速度，在重力和慣性力的作用下，將其中顆粒較大的巖屑等沉降至一級濾清器[6]；粒度細、密度小的粉塵粒子進入濾腔后，經(jīng)布朗擴散、篩濾、碰撞、勾掛和靜電等綜合作用，使粉塵沉積在濾料表面，凈化后的氣體經(jīng)風機排出后，進入氣室，經(jīng)風機排出粉塵，過濾后的粉塵由風機排出。

吸塵器安裝（圖4）：①捕塵口安裝。把滑架上的2 個定位鐵塊割掉磨平，再把原潛孔鉆車的導向套割掉，最后安裝捕塵口。②提升油缸安裝。把油缸的液壓桿安裝在捕塵口上，之后將油缸全部拉出，在油缸的上端安裝油缸固定座，把油缸固定座焊接在滑架中心的偏后位置。③支架安裝。把支架焊接在鉆車大架上。④箱體安裝。用起重設備把箱體吊起安放在支架上，用螺栓固定好箱體。

圖4 樁機加裝吸塵器

4.2.2 輔助降塵措施

為徹底解決揚塵問題，項目又采取孔口覆蓋防護罩、霧炮機輔助降塵等一系列行之有效的措施配合吸塵器共同使用，徹底實現(xiàn)鋼管樁施工全過程無塵作業(yè)環(huán)境。如圖5 所示。

圖5 孔口防護罩及霧炮機輔助降塵

孔口防護罩采用方鋼管及鐵皮根據(jù)鉆機實際大小進行制作。為保證罩體強度及后續(xù)周轉(zhuǎn)使用次數(shù)，方鋼管尺寸采用40 mm×40 mm×1.5 mm，鐵皮采用0.5 mm 規(guī)格，防護罩底部留有約30 cm×30 cm 鏟渣口，未被吸塵器吸收的揚塵、渣土經(jīng)防護罩及霧炮降塵后，工人采用鐵锨等工具鏟除。

移動式小型霧炮機具有重量輕、體積小、機動性強等特點，通過高壓泵將水通過噴霧模組霧化，再由風機將霧化后的水噴出較遠距離，由于霧化后的水霧都是較為細小的微米級別，噴嘴噴出的水霧能與空氣中揚塵、灰塵及粉塵等細小顆粒結合、吸附，顆粒在重力作用下落至地面，從而達到除塵、凈化的顯著效果[7]。同時霧化水汽對夏季高溫天氣下的施工環(huán)境降溫具有較好的效果。

5 效果驗證

鋼管樁施工吸塵器降塵與聲屏障噪聲抑制已在青島市地鐵7 號線二期工程三標段營普路站成功應用。本車站為明挖裝配式車站，全長285.7 m，標準段寬20.5 m，基坑深20～22 m，采用二級鋼管樁+錨索+錨桿支護。

由于基坑開挖量較大，鋼管樁工程量多，且工程臨近周邊為住宅小區(qū)、沿街商鋪等居民區(qū)，抑塵降噪迫在眉睫。通過吸塵器降塵與聲屏障噪聲抑制，有效提高了環(huán)境保護和降低了擾民程度，得到了業(yè)主及監(jiān)理的好評，并且成功獲評青島地鐵集團2022 年度安全文明標準化示范工地，取得了良好的經(jīng)濟與社會效益。

經(jīng)現(xiàn)場實測，吸塵器在低鉆速鉆進時，在同等鉆進速度下可有效減少70%的粉塵生成，在低鉆速下，揚塵可基本被全部吸收。施工現(xiàn)場采取上述隔聲降噪技術后，通過長期對施工現(xiàn)場內(nèi)、外噪聲值進行監(jiān)測；統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，施工現(xiàn)場產(chǎn)生的噪聲經(jīng)過可移動式隔音屏、裝配式聲屏障圍擋阻隔后，噪聲值均在規(guī)范要求的允許值范圍內(nèi)，隔聲降噪效果良好。

6 結束語

鉆機加裝抑塵吸塵器從揚塵產(chǎn)生的源頭進行消除，防止揚塵擴散后二次降塵，除塵效果好，且設備操作簡便，同時再利用孔口防護罩及霧炮機輔助降塵；可移動式隔音屏從噪音源頭抑制噪音傳播，使用靈活，安裝成型后可在場地內(nèi)任意位置挪動，不受施工區(qū)域的限制。抑塵降噪措施實現(xiàn)鋼管樁施工全過程無塵、低噪音作業(yè)環(huán)境，極大地減少了施工揚塵噪音對周邊居民及作業(yè)人員的影響，實現(xiàn)微型鋼管樁成孔過程的抑塵降噪綠色施工。