林蓬勃
(中交(深圳)工程局有限公司)
隨著城市化的進(jìn)程不斷快速發(fā)展,城市生活節(jié)奏加快,城市地下空間得到大規(guī)模的開發(fā)及利用,城市軌道交通建設(shè)由此發(fā)展迅速。在珠三角地區(qū)普遍存在上軟下硬地層,且地下水位高,使得抗拔樁的施工過程面臨著泥砂、砂礫同時(shí)涌入樁孔,以致于抗拔樁成孔緩慢、泥砂及砂礫下沉速度快、孔身泥漿護(hù)壁難度大、塌孔頻次增加。在不同的地質(zhì)條件下選擇不同的成樁工藝差別較大,若工藝選擇不當(dāng),容易影響成樁質(zhì)量。
本案例以深圳市城市軌道交通8 號線小梅沙站為工程背景,集成創(chuàng)新了一種組合成孔施工工藝,實(shí)現(xiàn)了上軟下硬地層中地鐵車站抗拔樁成樁工藝的重大突破,能夠高效、快捷、安全、環(huán)保地進(jìn)行上軟下硬地層中抗拔樁施工。
小梅沙站是深圳地鐵8 號線二期工程的第四個(gè)站,位于大鵬灣海域。小梅沙站為地下雙層島式車站,全長377.5m,車站標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)凈寬20.1m,開挖深度15.94~17.04m,采用明挖順作法施工,采用地連墻+內(nèi)支撐的支護(hù)方式。基坑豎向布置三道內(nèi)支撐,第一道支撐為鋼筋混凝土支撐,第二、三道支撐采用直徑800mm 的鋼管支撐。
圖1 車站周邊環(huán)境航拍圖
小梅沙站東南方向約200m 為大鵬灣海域,地下水位埋深0.30~3.90m,地下水位受潮汐影響明顯,車站范圍內(nèi)地下水與海水存在一定的水力聯(lián)系。車站范圍內(nèi)地質(zhì)屬于復(fù)合地層,呈典型上軟下硬分布,上層分布透水性極強(qiáng)的砂層,且厚度達(dá)到13m,小里程端下層分布超硬巖層,入巖深度達(dá)到8~14m,巖性為微風(fēng)化花崗巖,單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到135MPa。
根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告,基坑施工范圍地層由上向下依次為人工填土、海陸交互沉積及沖洪積粘性土、砂層及卵石層、殘積層、基巖全風(fēng)化層、強(qiáng)風(fēng)化層、中等風(fēng)化及微風(fēng)化巖層。
圖2 地質(zhì)取芯微風(fēng)化花崗巖巖樣
在上部軟弱地層中使用沖擊錘成孔至軟硬交界面,充分利用沖擊錘在軟弱地層中施工孔壁質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),避免在深厚砂層中塌孔的風(fēng)險(xiǎn)。在下部超硬巖層中施工時(shí)換上旋挖鉆機(jī),利用旋挖鉆對土體擾動(dòng)小、施工速度快的特點(diǎn),直至成孔結(jié)束。組合工藝有效避免出現(xiàn)斜孔、孔壁坍塌等現(xiàn)象,能確??拱螛冻蓸顿|(zhì)量,有力地保證了主體結(jié)構(gòu)的安全,可在類似上軟下硬地層施工中廣泛推廣。
通過采用氣舉反循環(huán)工藝清孔,將壓縮的空氣沿氣管輸送到孔底的噴導(dǎo)管,與泥漿形成氣水混合物,由于氣水混合物的比重較低會(huì)自行在孔內(nèi)上浮,導(dǎo)致氣道的末端與噴導(dǎo)管底部區(qū)域形成負(fù)壓,將孔內(nèi)的泥漿和孔底沉渣排送至泥漿池。該工藝能提高在深厚砂層地質(zhì)條件下的成孔質(zhì)量,對提高抗拔樁成樁質(zhì)量有重要的意義。
提出一種新型牙輪鉆頭裝置。對于相同地層使用同一鉆進(jìn)扭矩,采用不同的斗齒刃前角度,其鉆進(jìn)效率也是不同的。因此,選用合適的刃前角,才能提高旋挖機(jī)的進(jìn)尺效率。對于硬度較小的巖層,斗齒刃前角選取45°~65°;在超硬巖地層中鉆進(jìn)時(shí),斗齒刃前角稍小些,選取25°~45°。
通過現(xiàn)場試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)將斗齒刃前角從45°改成28°,可減小阻力提升進(jìn)尺效率,助力加速復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)尺效率,鉆進(jìn)能力顯著提高,功效高,有效節(jié)省工期。
圖3 普通的截齒鉆斗刀具
圖4 優(yōu)化后牙輪鉆斗刀具
本技術(shù)主要利用沖擊錘、旋挖鉆組合成孔工藝以及鉆頭選型優(yōu)化。在軟弱地層中使用沖擊錘成孔,成孔至軟硬交界面,隨后采用旋挖鉆機(jī)對硬巖部分進(jìn)行處理,使用優(yōu)化后的牙輪鉆頭在孔底連續(xù)地?cái)D壓、切削破碎巖石至設(shè)計(jì)要求深度,最后換上截齒鉆斗將底部破碎后的巖石取出。
結(jié)合本車站現(xiàn)場實(shí)際情況和技術(shù)特點(diǎn),本文重點(diǎn)從組合成孔、泥漿制備兩方面進(jìn)行分析。
“沖擊錘+旋挖鉆+氣舉反循環(huán)”組合成孔工藝施工流程:樁位放樣→埋設(shè)護(hù)筒→沖擊錘成孔→旋挖鉆成孔→一清→鋼筋籠吊裝→二清、驗(yàn)孔→澆筑混凝土→拔出護(hù)筒→空孔回填→下一孔位施工。
沖程控制:在淤泥層和黏土層沖擊時(shí),鉆頭應(yīng)采用中沖程(1.0~2.0m)沖擊;在砂層沖擊時(shí),應(yīng)添加小片石和黏土,采用小沖程(0.5~1.0m)反復(fù)沖擊,以加強(qiáng)護(hù)壁;在任何情況下,最大沖程不宜超過6.0m;為正確提升鉆錐的沖程,應(yīng)在鋼絲繩上作長度標(biāo)志(油漆標(biāo)注、綁扎布條等)。
沖擊鉆進(jìn)時(shí),機(jī)手要隨進(jìn)尺快慢及時(shí)放主鋼絲繩,使鋼絲繩在每次沖擊過程中始終處于拉緊狀態(tài),既不能少放,也不能多放。放少了,鉆頭落不到孔底,因此不僅無法獲得進(jìn)尺,反而可能造成鋼絲繩中斷、掉錘;放多了,鉆頭在落到孔底后會(huì)向孔壁傾斜,撞擊孔壁,造成擴(kuò)孔。
圖5 沖擊錘施工
垂直度控制:在鉆孔作業(yè)前需對鉆桿進(jìn)行垂直度調(diào)整。將旋挖鉆中電腦系統(tǒng)調(diào)節(jié)到顯示桅桿作業(yè)畫面,從桅桿工作畫面中可以實(shí)時(shí)觀察到桅桿的X 軸、Y 軸方向的偏移,將桅桿X 軸、Y 軸方向的偏移調(diào)節(jié)到正負(fù)零的位置,司機(jī)可在鉆進(jìn)過程中通過調(diào)整桅桿X 軸、Y 軸方向的偏移量來保證鉆桿的垂直度。
在整個(gè)鉆進(jìn)過程中,應(yīng)始終保持孔內(nèi)泥漿液面高出地下水位1~1.5m,并低于護(hù)筒頂面0.3m 以上,若在鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)泥漿液面掉落,應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充泥漿,防止孔壁坍塌。
鉆進(jìn)速度:需要根據(jù)地質(zhì)情況控制旋挖鉆進(jìn)尺速度。本工法在軟土地層中施工時(shí)采用的是沖擊錘成孔,旋挖鉆主要用于超硬巖地層中。鉆進(jìn)至巖層后,鉆進(jìn)時(shí)每次進(jìn)尺應(yīng)當(dāng)控制在50㎝左右。frk<60MPa 時(shí),旋挖鉆鉆進(jìn)速度為0.8~2m/h;60MPa≤frk≤130MPa 時(shí),旋挖鉆鉆進(jìn)速度為0.3~1m/h;frk≥130MPa 時(shí),鉆進(jìn)速度則為0.1~5m/h。
旋挖鉆鉆進(jìn)過程中根據(jù)巖層巖性特性應(yīng)選用不同的鉆具來起到提高功效的作用。鉆進(jìn)至脆性較軟巖層時(shí),可選擇截齒筒鉆作為鉆具,截齒在鉆頭帶動(dòng)公轉(zhuǎn)時(shí)自轉(zhuǎn),使截齒產(chǎn)生滑動(dòng),滑動(dòng)的出現(xiàn)使巖石在剪切條件下碎巖;當(dāng)鉆進(jìn)至中、微風(fēng)化花崗巖等硬巖基層時(shí),則選擇牙輪筒鉆,鉆機(jī)施加鉆壓使硬質(zhì)合金齒壓入巖石進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)碎巖,當(dāng)牙輪硬質(zhì)合金齒對巖石產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過巖石的抗壓強(qiáng)度后,使得巖石產(chǎn)生體積破碎。
圖6 旋挖鉆施工
圖7 牙輪鉆頭
泥漿池制作:泥漿循環(huán)系統(tǒng)由泥漿池、泥漿泵、進(jìn)出泥漿管等組成。
泥漿制作:泥漿采用膨潤土、純堿、纖維及水配制。采用專用的泥漿攪拌桶攪拌,拌好后倒入泥漿池,常溫膨化24 小時(shí)后進(jìn)行泥漿指標(biāo)檢測,合格后方可使用。
回收泥漿必須經(jīng)過泥沙分離器處理,性能指標(biāo)達(dá)到要求后才可循環(huán)利用。
本工法采用沖擊錘、旋挖鉆組合成孔工藝,由于旋挖鉆成孔不易形成泥皮,護(hù)壁性相對較差,容易縮徑、塌孔,因此旋挖鉆施工階段需采用泥漿護(hù)壁成孔,對泥漿配置要求相對較高。
泥漿管控要點(diǎn)主要為以下兩方面:
⑴泥漿液面控制。保證泥漿液面始終保持在地下水位1~1.5m 以上,護(hù)筒頂以下30~50cm,并且在鉆進(jìn)的同時(shí)及時(shí)向孔內(nèi)補(bǔ)漿,使孔內(nèi)水頭保持一定高度,防止孔壁坍塌。
⑵泥漿指標(biāo)控制。施工過程中應(yīng)多次測試泥漿指標(biāo),當(dāng)泥漿指標(biāo)不符合要求時(shí)及時(shí)調(diào)整,使泥漿指標(biāo)保持在規(guī)定范圍內(nèi)。
圖8 泥漿池
圖9 泥砂分離系統(tǒng)
結(jié)合臨海地鐵車站的地質(zhì)、水文及周邊環(huán)境等特點(diǎn),在深圳市城市軌道交通8 號線小梅沙站抗拔樁施工中采用“沖擊錘+旋挖鉆+氣舉反循環(huán)”組合成孔清孔工藝,解決了成孔質(zhì)量差、硬巖地層鉆進(jìn)效率低下等問題,獲得了良好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益,對于今后在臨海上軟下硬地層中進(jìn)行樁基施工有一定的指導(dǎo)意義和廣闊的應(yīng)用范圍。
表1 泥漿性能指標(biāo)