北京地區(qū)工程施工鉆探技術(shù)進(jìn)展

張 勇，彭新明

(1.北京理工大學(xué)，北京100081；2.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048；3.北京市地質(zhì)工程公司，北京100143；4.北京市地?zé)嵫芯吭?，北?00143）

北京地區(qū)工程施工鉆探技術(shù)進(jìn)展

張 勇*1，2，彭新明3，4

(1.北京理工大學(xué)，北京100081；2.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京100048；3.北京市地質(zhì)工程公司，北京100143；4.北京市地?zé)嵫芯吭?，北?00143）

介紹了北京地區(qū)旋挖鉆進(jìn)、高壓旋噴與攪噴、氣（風(fēng)）動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)、盾構(gòu)、全液壓錨桿鉆進(jìn)、輻射井施工、壓灌超流態(tài)砼后插鋼筋籠施工、地下連續(xù)墻施工等工程施工鉆探技術(shù)方法概況。近年來(lái)，北京地區(qū)工程施工鉆探技術(shù)方法已形成較成熟體系，但在環(huán)境保護(hù)、鉆孔垂直度等方面相對(duì)不足，尤其是地鐵施工降水，浪費(fèi)了大量寶貴的地下水資源，近幾年才開(kāi)始探索采用帷幕止水代替施工降水。帷幕止水工藝需要?jiǎng)?chuàng)新性發(fā)展，應(yīng)研發(fā)環(huán)保鉆進(jìn)設(shè)備與工藝。

北京；工程施工鉆探技術(shù)；進(jìn)展

探礦工程是在地質(zhì)勘探工作中，為探明礦體或地質(zhì)體的形態(tài)、產(chǎn)狀、深度、規(guī)模、結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)量的工程技術(shù)，又稱勘探技術(shù)，包括鉆探工程和坑探工程。自改革開(kāi)放以來(lái)，探礦工程技術(shù)，尤其是工程施工鉆探技術(shù)在城市建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用及充分發(fā)展，已成為地基與基礎(chǔ)工程、基坑工程、軌道交通工程、市政工程、道橋工程等主要施工技術(shù)方法。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，工程施工鉆進(jìn)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，如水壩或其他工程建筑基礎(chǔ)的灌漿和固結(jié)處理、礦山豎井建設(shè)中凍結(jié)孔的鉆鑿，以及地下坑道的通風(fēng)孔、電纜孔等的鉆進(jìn)，都屬鉆探工程的范疇。

1992年南巡講話后，城市開(kāi)發(fā)與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面加快了發(fā)展步伐，北京建筑市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，工程施工隊(duì)伍迅速發(fā)展。工程施工鉆探隊(duì)伍有地礦、冶金、石油、煤炭、電子、化工、交通等各部屬單位，有北京城建、建工、市政、礦務(wù)等市屬單位，有中國(guó)人民解放軍、武警部隊(duì)等軍轉(zhuǎn)民和軍民種單位，還有部分省（區(qū)、市）在京的施工單位和個(gè)體戶等[1]。20世紀(jì)90年代中后期，工程施工鉆探設(shè)備大量增加，種類很多，有國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口的各種長(zhǎng)螺旋和短螺旋鉆機(jī)，各種正循環(huán)、泵吸反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機(jī)，YKC沖擊鉆機(jī)和各種錨桿鉆機(jī)，還有少量比較先進(jìn)的大口徑旋挖鉆機(jī)。

2001年7月13日北京獲得2008年奧運(yùn)會(huì)舉辦權(quán)，此后，北京開(kāi)始了規(guī)模宏大且優(yōu)質(zhì)高效的城市建設(shè)。工程施工鉆探隊(duì)伍專業(yè)化程度越來(lái)越高，有國(guó)有單位、股份公司、上市公司、民營(yíng)企業(yè)、合資企業(yè)等。巖土鉆掘設(shè)備更新?lián)Q代，大量使用先進(jìn)的旋挖鉆機(jī)、盾構(gòu)機(jī)、旋噴鉆機(jī)、液壓錨桿鉆機(jī)、地下連續(xù)墻成槽機(jī)等。北京地區(qū)工程施工鉆探技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，例如成樁工藝方法由以人工挖孔、泵吸反循環(huán)鉆進(jìn)、鋼絲繩沖擊鉆進(jìn)、打樁機(jī)施工等為主，逐漸發(fā)展為以旋挖鉆進(jìn)、壓灌超流態(tài)砼后插鋼筋籠施工技術(shù)等為主，并且引進(jìn)、開(kāi)發(fā)了多種工程施工鉆探技術(shù)方法。

1 旋挖鉆進(jìn)

早在1984年，天津探礦機(jī)械廠首次引進(jìn)了美國(guó)RDⅡ公司的旋挖鉆機(jī)并進(jìn)行消化吸收。20世紀(jì)80年代末至90年代初，我國(guó)的一些施工企業(yè)看到了旋挖鉆進(jìn)技術(shù)在施工中體現(xiàn)出的巨大優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始從國(guó)外進(jìn)口旋挖鉆機(jī)。此時(shí)，國(guó)外的一些旋挖鉆機(jī)制造商也紛紛在中國(guó)設(shè)立辦事處，向中國(guó)的基礎(chǔ)工程施工行業(yè)介紹、宣傳旋挖鉆機(jī)及旋挖鉆進(jìn)施工技術(shù)[2-3]。

北京旋挖鉆機(jī)的發(fā)展歷程：1988年北京城建工程機(jī)械廠仿制了意大利土力公司1.5m直徑附著式旋挖鉆機(jī)；2001年北京經(jīng)緯巨力工程機(jī)械有限公司第一臺(tái)旋挖鉆機(jī)試制成功，并應(yīng)用于青藏鐵路工程施工，該公司是國(guó)內(nèi)第一家專門生產(chǎn)旋挖鉆機(jī)的公司；2007年，國(guó)內(nèi)首臺(tái)巖石旋挖鉆機(jī)SR220R在北京三一重機(jī)有限公司下線，北京探礦工程研究所為此研制了鉆頭、鉆齒；2008年3月，亞洲最大的旋挖鉆機(jī)SR360在北京三一重機(jī)有限公司下線。

2000年11月～2003年10月，在北京五環(huán)路的基礎(chǔ)施工中，旋挖鉆機(jī)已占了絕大多數(shù)，最多時(shí)達(dá)到了30多臺(tái)；2004年，在北京奧運(yùn)國(guó)家體育館建設(shè)工地同時(shí)使用旋挖鉆機(jī)16臺(tái)；至2012年，旋挖鉆機(jī)已成為北京樁工行業(yè)常規(guī)設(shè)備。

2 高壓旋噴與攪噴

高壓旋噴的原理是利用鉆機(jī)等設(shè)備,把安裝在注漿管最底部的特殊噴嘴,置于土層預(yù)定的深度,以高壓的水流(或水泥漿)或壓縮空氣流在地下切碎軟弱土體后,再以高壓注入水泥漿體與切碎的土體混合形成加固柱體。根據(jù)施工過(guò)程中噴管旋轉(zhuǎn)與提升的方式不同可實(shí)現(xiàn)旋噴、擺噴和定向噴射,相應(yīng)地可形成旋噴樁、成片的止水帷幕和擋土墻等地下結(jié)構(gòu)[4]。

2007年1月23日，為加強(qiáng)北京市地下水資源的管理和保護(hù)，減少水資源的浪費(fèi)，防止相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害，根據(jù)《建設(shè)工程安全生產(chǎn)管理?xiàng)l例》及有關(guān)法律、法規(guī)，北京市建委、市水務(wù)局共同研究制定了《北京市建設(shè)工程施工降水管理辦法》。自2008年3月1日起，本市所有新開(kāi)工的工程限制進(jìn)行施工降水。建設(shè)單位或者施工單位應(yīng)當(dāng)采用連續(xù)墻、護(hù)坡樁+樁間旋噴樁、水泥土樁+型鋼等帷幕隔水方法，隔斷地下水進(jìn)入施工區(qū)域。近年來(lái)，高壓旋噴被廣泛應(yīng)用于深基坑工程止水帷幕，單管旋噴逐漸被淘汰，以雙重管旋噴、三重管旋噴為主。

北京中巖大地工程技術(shù)有限公司對(duì)長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)進(jìn)行了技術(shù)改造，相繼研究了“長(zhǎng)螺旋高壓噴射注漿攪拌成樁裝置”、“長(zhǎng)螺旋二重管高壓攪噴樁施工方法及其裝置”。采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)完成鉆孔及旋噴攪拌施工，將鉆孔及旋噴攪拌合二為一，省去了引孔設(shè)備。鉆孔時(shí)充分利用了長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)鉆進(jìn)速度快的特點(diǎn)，旋噴攪拌時(shí)又可控制提升、下降速度，整體施工便捷、快速。成樁直徑800～1600mm，樁體質(zhì)量比較均勻，水泥摻量為10%～20%。

3 氣（風(fēng)）動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)

2010年，北京市地質(zhì)工程公司在北京地鐵14號(hào)線降水工程中應(yīng)用風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)具有成井周期短、鉆進(jìn)效率高、鉆孔保直精度高、成井后無(wú)需專門洗井、施工占地小、噪聲小、污染小等特點(diǎn)，解決了其它施工工藝在漂、卵、礫石地層難于成孔，或成孔周期長(zhǎng)、對(duì)地面交通影響大、成孔過(guò)程中產(chǎn)生大量泥漿、洗井質(zhì)量差、施工成本高等一系列問(wèn)題，并應(yīng)用于北京地區(qū)其它降水施工[5]。

4 盾構(gòu)

盾構(gòu)實(shí)際上是盾構(gòu)機(jī)的簡(jiǎn)稱。它是一個(gè)橫斷面外形與隧道橫斷面外形相同、尺寸稍大，內(nèi)藏挖土、排土機(jī)具，自身設(shè)有保護(hù)外殼的暗挖隧道的機(jī)械。以盾構(gòu)機(jī)為核心的一整套完整的隧道施工方法稱為盾構(gòu)工法。

2003年3月，北京城建集團(tuán)盾構(gòu)公司斥巨資從德國(guó)引進(jìn)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)，拖著58m長(zhǎng)的巨大身軀，在地下20m的地層內(nèi)，打通了地鐵五號(hào)線的第一公里。這是北京首條采用“盾構(gòu)法”挖筑的地下軌道。

此后，北京地鐵4號(hào)線、6號(hào)線、9號(hào)線、10號(hào)線、14號(hào)線等采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。如今，盾構(gòu)法已經(jīng)成為北京地鐵隧道的主要施工方法。

5 全液壓錨桿鉆進(jìn)

早期錨桿鉆機(jī)主要用于礦山井巷等頂板及邊幫的錨桿支護(hù)。隨著技術(shù)發(fā)展,錨桿鉆機(jī)功能增多,應(yīng)用范圍顯著增大,現(xiàn)已應(yīng)用于抗浮錨桿、地下連續(xù)墻、土釘墻支護(hù)、防滲墻、深基坑錨固等施工工藝中,其可完成鉆孔成孔以及錨索和錨噴等。在城市現(xiàn)代化進(jìn)程中起著重要的角色[6]。

20世紀(jì)90年代初以前，在城市建設(shè)中，錨桿鉆機(jī)為機(jī)械傳動(dòng)，錨桿鉆進(jìn)工藝主要為長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)工藝，少數(shù)為潛孔錘鉆進(jìn)工藝；1995年北京市地質(zhì)工程公司引進(jìn)了德國(guó)HD90型液壓錨桿鉆機(jī)，采用全液壓動(dòng)力頭傳動(dòng)，跟管鉆進(jìn)，機(jī)械化程度高，鉆進(jìn)效率高，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。自20世紀(jì)90年代末至今,在北京城市建設(shè)中引進(jìn)了許多發(fā)達(dá)國(guó)家研發(fā)的全液壓履帶式錨桿鉆機(jī)進(jìn)行地下連續(xù)墻支護(hù)和深基坑錨固施工。

21世紀(jì)初,北京建筑機(jī)械化研究院、北京建研機(jī)械科技有限公司等單位開(kāi)始研發(fā)全液壓錨桿鉆機(jī),并形成系列化。國(guó)內(nèi)其他工程機(jī)械公司如三一重工、中聯(lián)重科、東方工礦、宣化英格索蘭、山河智能等也逐漸研發(fā)出相關(guān)錨桿鉆機(jī)。

6 輻射井施工

國(guó)外輻射井主要用于供水井，豎井井徑較大（5.0～6.0m），而深度一般不超過(guò)20m。國(guó)內(nèi)輻射井技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)及工礦企業(yè)供水。傳統(tǒng)輻射豎井主要施工方法為鉆機(jī)反循環(huán)成孔漂浮法下管，占地面積大；水平井應(yīng)用水沖頂進(jìn)法，適用于細(xì)顆粒軟土地層。此工藝方法操作簡(jiǎn)單，成本低，但是水沖法施工水平井遇砂層時(shí)涌砂大，孔壁擴(kuò)徑大，塌陷嚴(yán)重，易形成地下空洞，引起較大地面沉降，遇礫石、卵石地層時(shí)又無(wú)法成孔，且施工占地面積大，因此不適合市區(qū)建筑密集地段及復(fù)雜地層條件下的工程降水。所以，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)輻射井施工工藝及設(shè)備還不能滿足北京地鐵施工的要求。

2002年6月北京市地質(zhì)工程勘察院開(kāi)始進(jìn)行輻射井在淺埋暗挖地鐵降水中的應(yīng)用研究，經(jīng)過(guò)大量工程實(shí)踐后于2006年6月通過(guò)專家驗(yàn)收。主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)[7]：（1）成功研究了雙壁反循環(huán)水平井施工工藝及配套設(shè)備，施工水平井長(zhǎng)度可達(dá)80m以上。（2）北京地區(qū)沉井（直徑?3500mm）一般只能施工至20m深度，經(jīng)過(guò)引進(jìn)泥漿潤(rùn)滑套和分段高壓射水方法，大大減小了沉井過(guò)程中地層側(cè)摩阻力，使北京地區(qū)沉井深度達(dá)到28.5m，同時(shí)還應(yīng)用了錨噴倒掛壁豎井施工工藝，解決了傳統(tǒng)的機(jī)械成井方法占地面積較大的難題，使輻射井降水技術(shù)應(yīng)用范圍更廣。（3）在輻射井出水量計(jì)算過(guò)程中，打破了僅采用經(jīng)驗(yàn)近似公式法計(jì)算的常規(guī)，引進(jìn)了過(guò)水?dāng)嗝娣ê偷刃娲ǎ〉昧溯^合理的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，使計(jì)算結(jié)果更加接近工程實(shí)際。（4）水平井施工中，引進(jìn)偏心潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝，在卵石、漂石地層中施工工藝研究方面取得初步成果。

7 壓灌超流態(tài)砼后插鋼筋籠施工

超流態(tài)混凝土灌注樁由日本的CⅡP工法演變而來(lái)，采用專用長(zhǎng)螺旋鉆孔機(jī)鉆至預(yù)定深度，通過(guò)鉆頭活門向孔內(nèi)連續(xù)泵注超流態(tài)混凝土，至樁頂為止，然后插入鋼筋籠而形成的樁體，在壓灌混凝土到樁頂時(shí)，灌入的混凝土要超出樁頂50cm，以保證樁頂混凝土強(qiáng)度。一般施工流程為：長(zhǎng)螺旋鉆至設(shè)計(jì)深度→通過(guò)中心管壓灌超流態(tài)砼→放置鋼筋籠并振動(dòng)至設(shè)計(jì)標(biāo)高→成樁。

它是2005年建設(shè)部推廣的十大技術(shù)之一，近年來(lái)，在北京已廣泛應(yīng)用于護(hù)坡樁、基礎(chǔ)樁及抗浮樁施工。

8 地下連續(xù)墻施工

自1957年在山東月子口水庫(kù)成功建造第一道連鎖樁柱防滲墻以來(lái),地下連續(xù)墻施工技術(shù)在我國(guó)逐步得到應(yīng)用。改革開(kāi)放后,尤其是近二十年來(lái),這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,其施工技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展,開(kāi)始進(jìn)入世界先進(jìn)水平的行列，出現(xiàn)了多種新工藝,呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)。20世紀(jì)60、70年代沖擊式鉆機(jī)鉆劈法施工工藝的一統(tǒng)天下已被打破,現(xiàn)在常用的施工工藝有純抓法、純銑法、鉆吸法、射水法、連續(xù)開(kāi)槽法、擠壓成槽法等。以液壓抓斗為挖槽機(jī)械的純抓法在北京建筑、地鐵等行業(yè)中應(yīng)用最廣。

近年來(lái)，北京地區(qū)也開(kāi)始采用在護(hù)坡樁外施工薄壁地連墻作為止水帷幕，取得了良好的效果。

9 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，北京地區(qū)工程施工鉆探技術(shù)方法已形成較成熟體系，但在環(huán)境保護(hù)、鉆孔垂直度等方面相對(duì)不足，尤其是地鐵施工降水，浪費(fèi)了大量寶貴的地下水資源，近幾年才開(kāi)始探索采用帷幕止水代替施工降水。

9.1 研發(fā)環(huán)保鉆進(jìn)設(shè)備與工藝

目前北京的環(huán)境保護(hù)政策正越來(lái)越嚴(yán)格，尤其在中心城區(qū)施工，工程施工鉆探過(guò)程中產(chǎn)生一系列的環(huán)境污染，主要有：（1）噪聲。鉆機(jī)動(dòng)力噪聲，泥漿泵工作噪聲，快速放氣閥噪聲，轉(zhuǎn)盤及鉆臺(tái)工作面產(chǎn)生的噪聲，鉆具碰撞及其他操作噪聲等。（2）漿液污染。在工程施工鉆探中，因孔深較淺，一般不重視泥漿的性能、儲(chǔ)備、排放等。（3）鉆出來(lái)的泥土、巖屑等遺撒后形成污染。因而，需要研發(fā)集成式環(huán)保鉆探設(shè)備，解決當(dāng)前工程施工鉆探設(shè)備小、散、雜的情況。漿液、巖屑等形成封閉或半封閉系統(tǒng)。探索井臺(tái)降噪工藝措施。采用環(huán)保型泥漿，滿足施工地區(qū)的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，有益于當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，并適應(yīng)于鉆探需要。

9.2 帷幕止水工藝需要?jiǎng)?chuàng)新性發(fā)展

20世紀(jì)80年代以后，北京高層建筑如雨后春筍般地拔地而起，基坑開(kāi)挖深度不斷加深，面積增大。進(jìn)入21世紀(jì)，北京城市地價(jià)以驚人速度上漲，尤其中心城區(qū)土地資源非常緊張，可謂寸土寸金，正在大規(guī)模地從事地鐵、地下通道、地下停車場(chǎng)、地下人防、地下室等地下空間工程建設(shè)。北京市高層建筑較深的地下室已建到4～5層，基坑深度20m左右比較常見(jiàn)。北京未來(lái)將向更深的地下要空間，基坑深度將繼續(xù)增加，最關(guān)鍵的工序是帷幕止水。因北京的地層條件較好，如果采用地下連續(xù)墻將大幅度提高工程成本，但傳統(tǒng)的樁錨+樁間止水支護(hù)體系存在突出的問(wèn)題：（1）高壓旋噴或攪噴的鉆孔垂直度難于控制，如按1°/100m計(jì)算鉆孔傾角，樁深超過(guò)15m后，樁底會(huì)出現(xiàn)15cm以上的“分叉”,嚴(yán)重影響止水效果。（2）鉆遇護(hù)坡樁擴(kuò)散的混凝土固結(jié)體、漂石時(shí)，高壓旋噴或長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)不能鉆穿。（3）護(hù)坡樁的垂直度影響帷幕止水鉆孔的垂直度，如何確保旋挖、長(zhǎng)螺旋等鉆進(jìn)方法的垂直度，對(duì)20m以深的基坑工程止水帷幕施工具有重要意義。

[1]北京市地方志編纂委員會(huì).北京志·地質(zhì)礦產(chǎn)志[M].北京出版社，2001：259-268.

[2]劉偉.旋挖鉆機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用[J].建筑機(jī)械化，2004（11）：16-18.

[3]周紅軍.我國(guó)旋挖鉆進(jìn)技術(shù)及設(shè)備的應(yīng)用與發(fā)展[J].探礦工程，2003（2）：11-14.

[4]余暄平.國(guó)內(nèi)外高壓旋噴技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].成果應(yīng)用，2006（4）：185-189.

[5]李博.風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在北京地鐵降水中的應(yīng)用研究[J].探礦工程，2011（4）：45-48.

[6]文國(guó)臣，趙宏強(qiáng)，劉鵬.錨桿鉆機(jī)的應(yīng)用介紹及發(fā)展趨勢(shì)[C]//中國(guó)采選技術(shù)十年回顧與展望,2012：579-581.

[7]北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局.北京地質(zhì)工作五十年[M].中國(guó)大地出版社，2008.

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1004-5716(2015)03-0070-04

2014-03-28

張勇（1969-），男（漢族），山東日照人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事地?zé)峁こ獭⒌鼗c基礎(chǔ)工程的研究、設(shè)計(jì)、施工、管理工作。