陳樹(shù)禹

(中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司 北京 100018)

1 引言

近年來(lái)，鉆孔灌注樁采用的大扭矩旋挖機(jī)具本身十分龐大，自重近百噸，吊裝運(yùn)輸困難，且需要的操作空間大。暗挖地鐵車站由于空間限制，無(wú)法使用大型鉆孔設(shè)備進(jìn)行洞內(nèi)鉆孔樁施工。在暗挖導(dǎo)洞狹小空間內(nèi)，機(jī)械化施工大直徑鉆孔灌注樁，國(guó)內(nèi)外均無(wú)有效的施工機(jī)具，再加上砂卵石地層極易出現(xiàn)孔壁掉塊、坍塌、垮孔等不良現(xiàn)象，致使卡鉆、埋鉆甚至導(dǎo)致樁孔塌陷等事故，造成不良影響。杜萬(wàn)強(qiáng)[1]總結(jié)了深層地下狹小空間福田站利用鋼套筒作為護(hù)壁的施工要點(diǎn)，確保了安全施工，降低了施工成本。董志云等[2]結(jié)合洞樁法暗挖地鐵車站，提出單層導(dǎo)洞內(nèi)機(jī)械成樁和鋼管柱一次澆筑成型的工藝方法，取得了良好效果。何業(yè)勇等[3]結(jié)合北京地鐵10號(hào)線勁松站圍護(hù)樁施工，介紹了狹小空間“PBA”導(dǎo)洞內(nèi)基于成樁設(shè)備＋泥漿循環(huán)及處理系統(tǒng)進(jìn)行鉆孔樁的施工工藝。李賀[4]提出北京地鐵16號(hào)線紅蓮南里站洞內(nèi)機(jī)械成樁和鋼管柱一體化安裝技術(shù)，可以很好地控制地層沉降。

本文結(jié)合新建北京M16線二里溝車站，研發(fā)了典型砂卵石地層暗挖小導(dǎo)洞大直徑機(jī)械成樁設(shè)備，總結(jié)高效的砂卵石地層單層導(dǎo)洞大直徑中樁施工工藝流程，解決了狹小空間砂卵石地層成孔慢和難于成孔的問(wèn)題。

2 工程概況

新建北京M16二里溝車站全長(zhǎng)303 m，設(shè)計(jì)為側(cè)式全暗挖車站。車站每根鋼管混凝土柱下設(shè)置單樁樁基[5]，樁長(zhǎng)10.5～14 m，樁直徑1.8 m。樁基在施工導(dǎo)洞內(nèi)施作，一次澆筑，樁底采用壓漿工藝。洞內(nèi)樁地處砂卵石地層，最大粒徑300 mm，如圖1所示，粒徑大于20 mm的顆粒占總質(zhì)量的60%，呈亞圓形，中粗砂填充。

圖1 大粒徑砂卵石

3 狹小空間成樁設(shè)備研制

3.1 鉆機(jī)改進(jìn)

由于所處地層大多為卵石層，且卵石直徑較大，普通輪胎式鉆機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中底盤(pán)不穩(wěn)，鉆進(jìn)過(guò)程中搖擺不定，影響成樁質(zhì)量。使用履帶式鉆機(jī)代替普通輪胎式鉆機(jī)，大大加強(qiáng)了鉆機(jī)的配重，在鉆進(jìn)過(guò)程中穩(wěn)固了底盤(pán)。針對(duì)狹小暗挖導(dǎo)洞空間以及鉆探機(jī)械發(fā)展水平限制的難題[6]，研發(fā)了適用于砂卵石地層狹小空間內(nèi)的全液壓履帶自行式反循環(huán)鉆機(jī)，工作狀態(tài)外形尺寸為5.93×2.3×4.1 m(長(zhǎng)×寬×高)，液壓系統(tǒng)動(dòng)力160 kW，排渣泵通徑305 mm，泵量達(dá)800 m3/h，動(dòng)力頭可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，泵吸反循環(huán)流量可調(diào)。

3.2 鉆頭改進(jìn)

由于地層多為卵石層，鉆頭磨損嚴(yán)重。鉆頭經(jīng)過(guò)從普通的三翼鉆頭→筒鉆→復(fù)合鉆頭的多次優(yōu)化改進(jìn)，最終選擇具有高頻振動(dòng)功能的液壓沖擊鉆頭(見(jiàn)圖2)，通過(guò)液壓管路連接鉆機(jī)上的沖擊模塊與鉆頭上的振動(dòng)模塊，大粒徑卵石在高頻振動(dòng)沖擊力作用下發(fā)生碎裂，碎裂后的卵石通過(guò)螺旋片向上導(dǎo)入，實(shí)現(xiàn)鉆頭邊沖擊邊鉆進(jìn)。同時(shí)為了提高鉆進(jìn)效率，在原來(lái)鉆頭的基礎(chǔ)上增加合金頭的數(shù)量，還配備了專門(mén)用來(lái)打撈大粒徑卵石的筒鉆(見(jiàn)圖3)。

圖2 直徑1.8 m液壓沖擊鉆頭

圖3 打撈大粒徑卵石的筒鉆

4 導(dǎo)洞大直徑中樁施工工藝

4.1 工藝流程

砂卵石地層導(dǎo)洞內(nèi)大直徑中樁施工工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程

4.2 樁體護(hù)壁加固

(1)中樁護(hù)壁結(jié)構(gòu)最小內(nèi)徑為205 cm，底板鎖口圈外徑為256 cm，護(hù)壁厚度為10 cm。分節(jié)施工，每節(jié)高度1 m。

(2)導(dǎo)坑深度為3～5 m第一節(jié)護(hù)壁施工應(yīng)與導(dǎo)洞底板開(kāi)口加固同時(shí)澆筑，連接成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)其穩(wěn)定性[7]。

4.3 泥漿制備

鉆孔灌注樁采用泥漿護(hù)壁施工，在導(dǎo)洞內(nèi)設(shè)置泥漿儲(chǔ)漿池、循環(huán)池、廢渣池[8]。如果泥漿出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏現(xiàn)象，為確保不污染周圍環(huán)境，應(yīng)將其放置在鋼箱中。根據(jù)工程卵石地層條件，選用優(yōu)質(zhì)黏土制備泥漿，泥漿配合比如表1所示，必要時(shí)加入適量蒙脫石和膨潤(rùn)土等外加劑。

表1 __卵石地層泥漿配比

(1)泥漿運(yùn)輸及泥漿處理系統(tǒng)

將泥漿池及泥漿分離系統(tǒng)全部設(shè)于地面上，鉆機(jī)通過(guò)管道與地面泥漿池[9]、泥漿分離系統(tǒng)連接，通過(guò)大吸力泵送系統(tǒng)，將漿液輸送至地面渣土場(chǎng)，完成泥漿運(yùn)輸和分離工作，加快泥漿再生時(shí)間，提高泥漿再利用率。

(2)泥漿控制指標(biāo)

在鉆孔過(guò)程中，需經(jīng)常采集泥漿樣本來(lái)測(cè)定性能指標(biāo)[10]，如表2所示。同時(shí)為保持水頭壓力，不間斷利用循環(huán)水向孔內(nèi)補(bǔ)充一定濃度的泥漿。

表2 泥漿控制指標(biāo)

(3)廢泥漿處理

鉆孔排出的泥漿首先匯集在泥漿池中，經(jīng)泥漿凈化設(shè)備過(guò)濾后重復(fù)使用，過(guò)濾后的廢渣通過(guò)豎井轉(zhuǎn)運(yùn)。

4.4 反循環(huán)鉆孔

使用履帶式鉆機(jī)代替普通輪胎式鉆機(jī)，采用鉆吸法反循環(huán)鉆機(jī)成孔，中樁按順序鉆孔施工。成孔時(shí)，先向孔內(nèi)注入一定量的泥漿，啟動(dòng)砂石泵，待反循環(huán)正常后，啟動(dòng)鉆機(jī)并緩慢旋轉(zhuǎn)下放鉆頭[11]。開(kāi)始鉆孔時(shí)，輕輕按壓并緩慢旋轉(zhuǎn)。鉆頭正常工作后，逐漸提高速度，調(diào)整鉆壓，防止鉆頭吸入口堵塞。

(1)為解決卵石堵管的問(wèn)題，將原內(nèi)徑219 mm的管道增加至237 mm。

(2)注意觀察進(jìn)尺和砂石泵排渣情況，并根據(jù)排渣情況控制鉆進(jìn)速度?？足@出一定深度后在加接鉆桿前，將鉆具提離孔底20 cm左右，維持沖洗液循環(huán)1～2 min，以清洗孔底，并將管道內(nèi)的鉆渣攜出排凈，然后停泵加接鉆桿。

(3)當(dāng)出現(xiàn)孔內(nèi)涌砂、塌孔等異常情況時(shí)，應(yīng)迅速將鉆具提離孔底，控制泵量，保持沖洗液循環(huán)以抽出涌砂，同時(shí)不斷向孔內(nèi)輸送泥漿，保持水頭壓力。

(4)在鉆進(jìn)過(guò)程中，要加強(qiáng)泥漿的維護(hù)管理，泥漿的粘度和相對(duì)密度保持每半小時(shí)測(cè)一次，并根據(jù)泥漿成分變化采取相應(yīng)的處理措施。

(5)鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，為避免孔底收縮，仍需將鉆頭保持在原位繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。檢查孔深、孔徑、孔壁及垂直度，不合格及時(shí)采取措施處理。

4.5 清孔

清孔時(shí)，應(yīng)合理控制泥漿的含砂率和粘度兩項(xiàng)指標(biāo)。孔底懸浮鉆渣的泥漿由砂泵排出，凈化后通過(guò)回流泵進(jìn)入孔內(nèi)。鉆孔樁底渣厚度控制在300 mm以內(nèi)，若孔底沉渣超標(biāo)，應(yīng)進(jìn)行二次清孔。利用導(dǎo)管作為吸漿管，與吸泥泵連接。導(dǎo)管底距離孔內(nèi)沉渣面約10 cm，緩慢將管道置于孔底，啟動(dòng)吸泥泵進(jìn)行反循環(huán)排渣，時(shí)間約5 min。

4.6 鋼筋籠施工

(1)中樁成孔后，應(yīng)首先安裝鋼護(hù)筒(內(nèi)徑170 cm，壁厚10 mm)。鋼護(hù)筒每段長(zhǎng)度2 m采用法蘭連接，法蘭間加止水帶。鋼護(hù)筒固定完成后進(jìn)行鋼筋籠安裝。

(2)為方便鋼護(hù)筒安裝，護(hù)筒環(huán)向?qū)ΨQ焊接2個(gè)耳環(huán)，每個(gè)耳環(huán)兩孔，大孔用于穿杠孔口固定護(hù)筒，通過(guò)移動(dòng)式龍門(mén)架、吊裝扁擔(dān)及U型卡環(huán)連接緩慢下放鋼護(hù)筒，第二節(jié)與第一節(jié)連接后，緩慢下放，將第一節(jié)的2個(gè)耳環(huán)割除后下放入樁孔，依次下放第三節(jié)至最后一節(jié)，鋼護(hù)筒安裝至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，對(duì)鋼護(hù)筒定位固定[12]。

(3)根據(jù)導(dǎo)洞的高度和鋼筋籠長(zhǎng)度，按照不同樁長(zhǎng)調(diào)整每段長(zhǎng)度≤2.5 m。主筋連接采用鐓粗直螺紋連接，鋼筋籠下端0.8 m范圍內(nèi)的主筋應(yīng)略微向內(nèi)彎曲，形成傾斜形狀。

4.7 聲測(cè)管安裝

通過(guò)負(fù)載箱上下平面上的預(yù)留孔設(shè)置3根直徑為48 mm的聲測(cè)管，與樁底齊平。聲測(cè)管、位移計(jì)管、位移計(jì)鋼筋各段長(zhǎng)度與鋼筋籠長(zhǎng)度相同。每節(jié)鋼筋籠安裝完畢后安裝聲測(cè)管、位移計(jì)管及位移計(jì)鋼筋，鋼管連接采用管箍連接。所有鋼管連接完成后，管口應(yīng)與地面齊平，并用專用保護(hù)帽封堵，防止混凝土澆筑過(guò)程中泥漿或混凝土進(jìn)入管道，造成數(shù)據(jù)無(wú)法采集。

4.8 混凝土澆筑

澆筑混凝土前，首先檢查孔洞和鋼筋籠的質(zhì)量，合格后采用C30混凝土一次澆筑完成?；炷敛捎帽盟突炷?，坍落度180～220 mm。水下澆筑采用直徑300 mm的鋼管，導(dǎo)管使用前應(yīng)進(jìn)行試拼裝，接頭采用管箍連接，應(yīng)嚴(yán)密、牢固，隔水栓應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)。導(dǎo)管管底與鉆孔樁孔底的距離應(yīng)保持在300～500 mm。澆筑過(guò)程中，導(dǎo)管在混凝土中的埋深應(yīng)保持在2～6 m，并隨吊隨移。導(dǎo)管的吊放和提升不得與鋼筋籠碰撞。

4.9 樁底后注漿

4.9.1 注漿技術(shù)參數(shù)

(1)針對(duì)直徑1.8 m的樁，應(yīng)沿鋼筋籠對(duì)稱設(shè)置3根注漿導(dǎo)管[13]。

(2)采用P.O42.5級(jí)普硅水泥，水灰比為0.6～0.75。

(3)注漿量:嚴(yán)格按設(shè)計(jì)注漿，單樁設(shè)計(jì)注漿量為4 000 kg，實(shí)際注漿量需大于或等于設(shè)計(jì)注漿量。

(4)壓漿速度:50～75 L/min。

4.9.2 注漿施工

(1)將帶有絲扣的?32 mm鋼管加工成注漿管，每根注漿管與鋼筋籠采用五道燒絲綁扎，確保綁扎牢固。每節(jié)連接后，為防止泥漿流入，上端用棉紗堵塞。

(2)漿液采用J340型泥漿攪拌機(jī)攪拌，壓漿采用2SNS型高壓注漿泵，總功率14 kW。

(3)樁端與樁側(cè)應(yīng)同步注漿，將地面注漿系統(tǒng)與孔內(nèi)一根注漿管連接，打開(kāi)另一根注漿管的絲堵，壓入適量清水，沖洗孔底注漿腔室，注漿管內(nèi)有清水后，開(kāi)始注入配制好的水泥漿。當(dāng)水泥漿從另一根注漿管流出時(shí)，停止注漿，安裝絲堵后繼續(xù)注漿。當(dāng)壓力達(dá)到1.5 MPa時(shí)，先穩(wěn)壓約15 min后封堵注漿管，向另一根注漿管注入水泥漿，當(dāng)壓力達(dá)到1.8～2 MPa時(shí)，穩(wěn)壓15 min。

5 結(jié)論

針對(duì)含量高、粒徑大的砂卵石地層，在機(jī)械成孔過(guò)程中極易出現(xiàn)鉆頭損耗嚴(yán)重、堵管頻率高、成孔垂直度偏差大等問(wèn)題，通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)不斷改進(jìn)反循環(huán)鉆機(jī)和液壓鉆頭，優(yōu)化鉆進(jìn)工藝，實(shí)現(xiàn)了砂卵石地層中1.5 d完成1根直徑1.8 m，成孔25 m、成樁14 m長(zhǎng)中樁的施工效率，提高了成孔質(zhì)量和效率，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(1)研發(fā)了狹小空間內(nèi)的大功率成孔設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)速度和排渣流量無(wú)級(jí)變速調(diào)整，有效防止塌孔。

(2)總結(jié)了一種在砂卵石地層中快速成樁的工藝方法，減少施工對(duì)周圍環(huán)境的擾動(dòng)，降低了群洞效應(yīng)，控制了地表沉降量。