林蓬勃

(中交（深圳）工程局有限公司)

0 前言

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。

1 工程背景

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。

2 地質(zhì)水文情況

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

3 技術(shù)特點(diǎn)

3.1“沖擊錘+旋挖鉆+氣舉反循環(huán)”組合成孔工藝

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。

3.2 一種新型牙輪鉆頭裝置

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

4 技術(shù)原理

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。

5 施工技術(shù)要點(diǎn)

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。

5.1 施工工藝流程

“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。

5.2 沖擊錘成孔

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

5.3 旋挖鉆成孔

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

5.4 泥漿制備

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)

6 結(jié)語

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)