劉雙武

摘要：在硬質(zhì)傾填石及基巖表面參差不平地層施工咬合樁時，常規(guī)套管鉆機穿透填石層困難，且難以切削硬質(zhì)基巖，葷樁入巖成孔時極易出現(xiàn)相鄰素樁“管涌”，故常規(guī)全套筒跟進“濕咬”咬合樁難以實施。通過對深圳地鐵6號線翰林站基坑防護咬合樁進行技術研究及科研創(chuàng)新，提出了硬質(zhì)填石地層嵌巖咬合樁“干咬”成樁法，并研究、總結了施工中的各項參數(shù)、方法及關鍵技術，為以后類似工程施工提供依據(jù)和參考。

Abstract： Conventional casing drilling rigs are difficult to penetrate the rockfill layer and difficult to cut hard bedrock when constructing bite piles on hard tilting rock and bedrock surface unevenness. When the piles are inserted into the rock to form hole， the adjacent plain piles are "pipebed"， so the conventional full sleeve follow-up "wet bite" bite pile is difficult to implement. Through the technical research and scientific innovation on the foundation pit protection pile of Hanlin Station of Shenzhen Metro Line 6， the "dry bite" pile method of rock-embedded pile in hard rock-filled stratum is proposed， and the parameters， methods and key technologies in the construction are studied and summarized， which provide basis and reference for similar engineering construction.

關鍵詞：地鐵車站防護;咬合樁;花崗巖;干咬;施工參數(shù)

Key words： subway station protection;bite pile;granite;dry bite;construction parameters

中圖分類號：TU753.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）30-0163-03

0 ?引言

鉆孔咬合樁起源于20世紀50年代的法國，我國于20世紀70年代引進該技術，并最初于1999年將鉆孔咬合樁應用于深基坑圍護結構。歷經(jīng)20年發(fā)展，鉆孔咬合樁施工工藝在粉土、粉砂、粘質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粘土等軟土地層運用相當成熟。但在硬質(zhì)巖傾填及基巖表面不平地層，常規(guī)套管鉆機穿透填石層困難，難以切削基巖，葷樁入巖成孔時相鄰素樁極易“管涌”。因此，需進行技術研究及創(chuàng)新，提出新的咬合樁施工方法，并進行施工關鍵技術的深入研究，以確保本項目順利實施。

1 ?工程概況

深圳市地鐵6號線翰林站全長216m，兩層島式車站，標準段寬20.2m，深16m，車站緊鄰周邊市政道路、學校及居民區(qū)。車站主體圍護結構為719根（入巖樁534根）咬合樁，樁徑1m，咬合0.15m。

車站地質(zhì)從上往下依次為雜填土、填碎石、填塊石、素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、中砂、強風化（砂土狀、塊狀）花崗巖、中等風化花崗巖、微風化花崗巖。填石層厚度2～9m，填石粒徑0.1～2m，填石含量約50%?；鶐r巖面起伏較大，巖石單軸抗壓強度60～120MPa。

2 ?將傳統(tǒng)咬合樁施工工藝應用于本項目的試驗、研究

2.1 施工機械組合方案

結合車站地質(zhì)情況，通過理論計算，傳統(tǒng)鉆孔咬合樁施工工藝在本項目的適用性進行研究。素樁采用超緩凝砼灌注，素樁初凝前成孔葷樁。施工設備按以下2種組合方案：

方案1：磨樁機+沖抓斗或旋挖鉆機成孔;

方案2：DTR2005H全套筒全回旋機+沖抓斗成孔。

按方案1試施工p19、p17、p15、P18、P16共5根樁。

按方案2試施工D9號“葷樁”及d2號“素樁”共2根樁。

2.2 試樁結果及分析

①磨樁機套管不能在強度超過30MPa巖層中連續(xù)鉆進。②全套筒全回轉(zhuǎn)鉆機轉(zhuǎn)速慢、鉆具單一，套管靴底鉆頭不能及時更換，在強度大于30～45MPa中風化花崗巖中平均鉆速僅為3cm/h，工效極低，巖石強度超過60MPa幾乎沒有進尺。③對高強度基巖，上述2種傳統(tǒng)咬合樁施工工藝的套管入巖效率低，套筒切削巖石能力有限，高強度巖石地層套管不能超前，“素樁”未初凝超緩凝砼涌入“葷樁”孔內(nèi)，葷樁被迫終孔，無法滿足“葷樁”設計孔深。故均不適用于本項目硬質(zhì)巖傾填石地層及嵌巖咬合樁施工。

3 ?咬合樁成樁技術創(chuàng)新

經(jīng)過理論分析、模擬計算、現(xiàn)場試驗及對傳統(tǒng)鉆孔咬合樁施工工藝及設備進行研究分析后提出：硬質(zhì)巖填石地層嵌巖咬合樁宜采用“干咬”成孔，即先采用旋挖鉆成孔“素樁”，灌注普通水下砼，待“素樁”砼達到一定強度后，旋挖鉆干切相鄰素樁成孔葷樁，徹底避免“管涌”現(xiàn)象發(fā)生。

4 ?嵌巖咬合樁施工機械及鉆具的選型

因本項目樁基入巖深、巖石強度高（基巖單軸抗壓強度達100～120MPa）。選擇合適機型及并針對硬質(zhì)巖選擇適當鉆具、鉆進參數(shù)等來提升施工工效為本項目另一需解決的技術難題。

經(jīng)研究分析，本項目擬根據(jù)地質(zhì)鉆機取芯原理進行硬巖成孔。即旋挖鉆先環(huán)向切削基巖，當切削至一定深度后，通過彎、扭、拉、拔綜合作用力作用在巖芯上，剪斷巖芯。

先通過模擬計算確定機械選型范圍，再通過現(xiàn)場試驗合理優(yōu)化。

4.1 施工機械選型

4.1.1 理論計算

①分析。

微風化花崗巖變形模量E0=12000MPa，泊松比ν=0.432。根據(jù)《巖土鉆鑿工藝學》文中的推薦值及相關工程經(jīng)驗，其組合破壞強度?。?MPa。工程實際中考慮機械振動、沖擊效應;機械設備持續(xù)沖擊剪切、構件疲勞等，實際剪斷扭矩值會適當降低。

1m樁徑的巖心直徑約80cm。因此計算模型為直徑D=0.8m，高H=1m圓柱體，底部固定，在其頂部施加豎直Z軸拉力F和繞Z軸扭矩T，計算在巖體在受拉和受扭的組合變形下，該模型的破壞荷載。

根據(jù)不同旋挖鉆機主卷揚的提升力大小，按拉力F分別為50kN、100kN、200kN計算3種工況下模型發(fā)生破壞的扭矩T。

②計算過程。

1）理論計算：根據(jù)材料力學，選用第四強度理論進行計算。2）有限元計算：采用通用有限元軟件Abaqus進行計算，選取實體單元建立模型（如圖1）。其中工況一（拉力F為50kN）mises應力云圖如圖2所示。

③計算結果。

計算結果見表1。

4.1.2 機械配置

根據(jù)計算結果選用SR-360、XR-1050，XR-460型旋挖鉆機進行試樁，深入探究嵌巖咬合樁施工工效及施工機械的適用性。

4.1.3 不同型號旋挖鉆機鉆進工效研究

為探究不同型號旋挖鉆機鉆進工效率，對強度30MPa～60MPa中風化花崗巖E、N、M、L型樁試樁實驗。

①不同旋挖鉆機鉆速試驗結果。

1）XR-460D旋挖鉆機最大鉆速0.79m/h，最小鉆速0.7m/h。鉆速在0.73m/h趨于穩(wěn)定。2）SR-360旋挖鉆機最大鉆速0.6m/h，最小鉆速0.39m/h，鉆速在0.5m/h處趨于穩(wěn)定。3）XRS-1050旋挖鉆機最大鉆速0.47m/h，最小鉆速0.3m/h，鉆速在0.38m/h處趨于穩(wěn)定。

②機械選型。

現(xiàn)場實施試驗數(shù)據(jù)表明3種鉆機均能滿足施工要求。

SR-360與XRS1050旋挖鉆機購置價格基本相同，但SR-360施工工效要略優(yōu)于XRS-1050。

XR-460D鉆速明顯大于SR-360，但是XR-460D旋挖鉆機存在以下兩點問題：

1）購置價格高、耗油高，施工成本高。且翰林站咬合樁總入土深度遠大于入巖深度，XR-460D旋挖鉆機無法最大程度發(fā)揮機械工效，獲取最大經(jīng)濟效益。2）鉆桿直徑為680mm，鉆桿伸縮時導致泥漿流失嚴重，拔出鉆桿后泥漿液面常低過護筒底部，無法有效護壁，易塌孔。

結論：對比3種鉆機鉆速、工效、效益，SR-360旋挖鉆機成孔？覫1000mm嵌巖咬合樁為首選。

4.2 嵌巖咬合樁施工鉆具的選型

4.2.1 施工鉆具的選擇

硬質(zhì)巖樁施工時機械、鉆具磨損大。合理選擇鉆具能加快施工進度，減少機械磨損，提高經(jīng)濟效益。硬巖掘進鉆具類型包括截齒鉆和牙輪鉆（如圖3）。

4.2.2 理論分析

①截齒鉆。

截齒鉆合金鉆頭對巖石產(chǎn)生剪切破壞而鉆進。剪切破巖時，截齒既要受到鉆具旋轉(zhuǎn)時運行阻力，又受加壓荷載壓入阻力，因此需合理布齒，探究截齒最優(yōu)切入角度，使齒間相互為對方創(chuàng)造自由面，確保高效破巖。

現(xiàn)場截齒磨損試驗表明。切入角45～60°時截齒磨損嚴重，且合金鉆頭利用率低。切入角度20～45°時截齒更換頻率較慢且鉆頭利用率高。因此，巖層強度大于60MPa微風化花崗巖中截齒切入角宜20～45°。

②牙輪鉆。

牙輪鉆的牙輪掌既能繞鉆桿柱公轉(zhuǎn)，又能繞牙掌心軸自轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)動是以阻力較小的滾動形式進行，所以能承受較大鉆壓。牙輪鉆頭與孔底巖石接觸時，牙掌上合金鑲齒與巖石接觸面積?。ǔ芍c接觸），容易獲得較高單位軸心壓力，以利壓碎巖石。牙輪轉(zhuǎn)動時除受鉆柱軸心壓力外，還受到因回轉(zhuǎn)時錐中心高度變化而產(chǎn)生的沖擊載荷作用，提高了碎巖效果。且牙掌鑲齒在孔底滾動交替碎巖，有效提高鉆進效率，降低鉆具磨損率，提高鉆頭壽命。

4.2.3 不同鉆具鉆進工效研究

為研究不同鉆具鉆進工效，分別進行強度30～60MPa中風化巖層及60～120MPa微風化巖層鉆進速度的試驗研究。

①30～60MPa中風化巖層中鉆進施工。

1）截齒鉆施工7根樁，鉆巖27.09m，損壞鉆頭34個，平均每鉆進1m損壞1.3個鉆頭。2）牙輪鉆施工7根樁，鉆巖9.3m，損壞牙輪鉆1個，基本無損耗。3）截齒鉆平均鉆速約0.69m/h，牙輪鉆平均鉆速約0.35m/h。

施工工效對比：在強度30MPa～60MPa的中風化巖層中，使用截齒鉆的鉆速、施工效益均遠超過牙輪鉆。

②60MPa～120MPa巖層中鉆進施工。

1）截齒鉆施工4根樁，鉆巖2.5m，損壞鉆頭37個，平均鉆進1m損壞15個鉆頭。2）嵌巖牙輪鉆施工8根樁，鉆巖10.1m，損壞牙輪鉆3個。平均3～4m耗費1個鉆頭。3）牙輪鉆平均鉆速0.17m/h。截齒鉆鉆速極慢且鉆具耗費嚴重，因此僅施工了3根樁，鉆進速度0.1m/h。如圖4。

③施工工效對比及總結。

1）強度30MPa～60MPa巖層中鉆進時，截齒鉆施工工效、經(jīng)濟效益均遠超牙輪鉆。2）強度60MPa～120MPa巖層中鉆進時，截齒鉆速度慢且鉆具損耗嚴重，牙輪鉆鉆速較截齒鉆快、磨損較小、經(jīng)濟效益超截齒鉆。3）在咬合樁施工前認真研究分析地質(zhì)詳勘資料、補勘資料，了解不同部位地質(zhì)情況，若強度為30～60MPa中風化花崗巖層，使用截齒鉆能最大提升施工效益。若強度60MPa巖層，則使用牙輪鉆更經(jīng)濟，為最優(yōu)施工鉆具。

5 ?嵌巖咬合樁施工參數(shù)選擇

翰林站基巖強度高達120MPa，如此強度巖層，正確選擇施工參數(shù)會大幅降低機械及鉆具磨損，提高施工進度及經(jīng)濟效益。

5.1 理論分析

XR-360旋挖鉆機具有鉆孔轉(zhuǎn)速及扭矩自適應控制技術功能。即根據(jù)不同地質(zhì)對鉆桿施加壓力產(chǎn)生的阻力情況，能夠利用自適應控制技術功能動改變動力頭轉(zhuǎn)速及扭矩，最大限度地提高鉆進效率。

旋挖鉆機鉆進時不同壓力對應不同轉(zhuǎn)速。壓力越大，鉆機的輸出扭矩越大、動力頭轉(zhuǎn)速越小。由于牙輪鉆鉆頭既能繞鉆桿柱公轉(zhuǎn)，又能繞牙掌心軸自轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)動是以滾動形式進行，運轉(zhuǎn)阻力較小，因此所需扭矩較小，而為保證掌心軸承的使用壽命，牙輪鉆頭不能承受過大的鉆桿壓力及動力頭轉(zhuǎn)速。

因此下文中僅對截齒鉆所需的工作參數(shù)進行對比。探究不同工作參數(shù)對旋挖鉆機施工鉆進速度的影響。

5.2 不同工作參數(shù)鉆進工效研究

選取3組微風化花崗巖中鉆進，進行截齒鉆試樁試驗，如圖5。

①由圖5可得，當鉆桿壓力5.5～6.6MPa時平均鉆速0.35m/h。鉆桿壓力7.5～9.5MPa時平均鉆速0.45m/h。鉆桿壓力10～11.6MPa時平均鉆速0.52m/h。因此鉆速與鉆桿壓力及輸出扭矩大小成正比，與動力頭轉(zhuǎn)速成反比。

②試驗表明，隨著鉆桿壓力增加，截齒鉆鉆頭耗費也逐漸增多，噪音也越大。鉆桿壓力5.5～6.5MPa時每米耗費鉆頭4.15個，噪音在94～96分貝之間。鉆桿壓力7.5～9.5MPa時每米耗費鉆頭5.43個，噪音提升至98～102分貝。鉆桿壓力10～11.6MPa時平均每米耗費鉆頭7個，噪音變?yōu)?04～110分貝。即鉆桿增壓越大，更換鉆頭越頻繁，更換鉆頭時間越多，施工噪音越大。

③分析表明，鉆桿壓力在7.5～9.5MPa時，既能保持一定鉆進速度，又能適當減少鉆具損耗，施工效益最好。

6 ?結束語

依據(jù)上述研究成果組織本項目的咬合樁施工，并根據(jù)不同地質(zhì)情況，記錄不同施工參數(shù)對旋挖鉆機施工工效的影響，選擇最優(yōu)施工參數(shù)，確保了施工進度及質(zhì)量，保障了施工效益。

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