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,負責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為第四紀沉積的砂卵石層(含黏性土夾層)；深度14.0～14.8 m為第四紀卵石和第三紀礫巖交界過渡層,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為第四紀卵石和第三紀礫巖交界過渡層,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)的機械成樁工藝一般難以穿過此類地層；人工成孔工藝進度較慢,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,整體強度相對較高,現(xiàn)場開挖風鎬施工效率很低。

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。一般鉆機在砂卵石地層中鉆進困難,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有著在砂卵石地層中其他鉆機不可比擬的施工優(yōu)勢。

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

表1 各成孔工藝優(yōu)缺點比較[2～5]

4 全套管鉆機施工技術(shù)

4.1 施工工藝

全套管鉆機是一種就地灌注的施工機械[6]。操作時裝有回轉(zhuǎn)鉆頭的套管(又稱套筒或護筒)垂直旋進地基。旋進過程中套管一邊保持孔壁,一邊作往復圓周旋轉(zhuǎn)以及垂直推進,進行強力鉆削壓入地基。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。由汽車吊導管灌注混凝土,混凝土達到首次灌注深度后,在保證導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。

全套管鉆機施工工藝流程：場地平整→放線定樁位→樁機就位→壓入第一節(jié)套筒→校核垂直度→套筒旋進→抓取套筒內(nèi)土→套筒跟進→測量孔深→清孔→吊放鋼筋籠、導管→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、空心鉆頭以及擴底鉆頭進行施工。在全套管鉆機鉆進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?shù)臎_錘進行碎巖。

套筒遇到大漂石、孤石無法旋進時,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)當鉆入地層卵石密集且強度較大時,可采用空心圓筒形沖錘將卵石沿護筒內(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,機動靈活,在工程中方便實用。

5 施工要點

(1)鉆機就位后,必須嚴格控制首節(jié)套管垂直度,校正后,套管連續(xù)間斷進行搖晃與推進。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,故必須控制好卷揚機的起升速度。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,遇個別大孤石,先沖碎后再壓進。

(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。套筒無法旋進且情況不明時,可進行人工探孔。

(5)鉆后需清孔和對樁孔深度進行測量,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抗壓強度試驗報告顯示各樁體的強度均已達到設(shè)計值。

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

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

(2)能利用套管全長進行護壁,不必擔心塌孔。

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

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

(5)全套管鉆機屬大型施工機械,且機械自重大,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,全套管鉆機在施工中顯示出了其他鉆機無可比擬的優(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)學術(shù)研討會論文集,2005．

[2]武漢華威GZY系列高質(zhì)全液壓靜力壓樁機[M].長沙：建設(shè)機械技術(shù)與管理,2008.

[3]宋孚鵬,莊忠義,趙愛波.鉆孔灌注樁反循環(huán)工藝探討[J].工業(yè)建筑,2008(9).

[4]談妙泉,張錄林,黃 勇,等.旋挖樁機和旋挖樁工藝市場發(fā)展初探[J].資源環(huán)境與工程,2007，21(5).

[5]張麗娟.多功能全套筒鉆機的特點及國內(nèi)外的開發(fā)進展[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及其應(yīng)用[J].西部探礦工程,2002(增刊)．