地鐵富水大直徑卵石地層隧洞內(nèi)機械成樁難點及對策

李 棟

(中鐵十四局集團有限公司，山東濟南 250014)

近年來，北京市對地下水資源保護意識逐年增強，對地下水的抽排嚴格限制，與此同時采取了一系列回灌措施，使地下水位明顯上升。這給地鐵運營單位帶來嚴峻的考驗。如何保證運營線路不滲水、不漏水成為困擾運營單位的難題。此外地下水處理成為地鐵車站建設(shè)中面臨的重大難題。尤其是對暗挖車站，采用傳統(tǒng)的上下層導(dǎo)洞PBA工法無法實施，車站下層導(dǎo)洞開挖及樁柱施工因其全部位于地下水中，部分甚至進入承壓水，無法采用人工實施。因此取消下層導(dǎo)洞，采用洞樁法施工成為解決該問題的首選方案。

有限空間內(nèi)在富水、卵石多、粒徑大的地層中進行機械成孔，綜合考慮作業(yè)空間、機械設(shè)備動力、成孔工藝等多方面因素，目前只有反循環(huán)工藝能滿足要求。這方面國內(nèi)外有不少成功的實例，如北京地鐵15號線大屯路站，沈陽地鐵2號線崇山路站，北京地鐵16號線蘇州街站、二里溝站等，洞內(nèi)機械成樁最大直徑達2.08 m，深度達33 m，為洞樁法積累了豐富的經(jīng)驗。但是在富水、卵石多、粒徑大地層機械成樁過程中也會面臨成孔難、易塌孔、精度難以控制等難點。如何在洞樁法施工過程中對存在的各種難點制定有效對策，確保洞樁法施工工序銜接緊密，減少無效時間，規(guī)避各類安全質(zhì)量風(fēng)險值得深入研究。本文以北京地鐵16號線蘇州街站為工程背景針對此予以探討，旨在為后續(xù)類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計情況

蘇州街站為16號線(新建)與10號線(既有)換乘站，為雙層島式站臺車站，雙柱三跨框架結(jié)構(gòu)，覆土約14 m，軌面埋深約30 m，初步設(shè)計采用上下層8導(dǎo)洞PBA工法實施。進場后施工豎井開挖過程中實際揭露地層及地下水情況表明，主體下層導(dǎo)洞及樁柱全部位于地下潛水位以下。此外，該車站地處中關(guān)村，位于蘇州街與海淀南路十字交叉路口處，周邊多為商業(yè)寫字樓且距離車站較近，地下存在多條市政管線，地面降水施工條件苛刻，多種制約因素導(dǎo)致地下水處理極為困難，車站下層導(dǎo)洞及洞樁施工無法再采用傳統(tǒng)的人工開挖。經(jīng)過方案比選對主體雙層段方案進行了調(diào)整，由初步設(shè)計的上下層8導(dǎo)洞PBA工法調(diào)整為洞樁法。

方案調(diào)整后，取消了下層導(dǎo)洞，樁柱自上層導(dǎo)洞底板采用洞內(nèi)機械成孔，規(guī)避了地下水處理的難題。方案調(diào)整后邊樁設(shè)計參數(shù)如表1，中柱設(shè)計參數(shù)如表2，方案調(diào)整前后主體雙層段斷面見圖1。

表1 邊樁設(shè)計參數(shù)

1.2 水文地質(zhì)情況

車站主體結(jié)構(gòu)拱頂位于卵石⑤層，底板位于粉質(zhì)黏土⑧層或黏土⑧1層;邊樁及中樁鉆孔自上而下依次為卵石⑤、粉質(zhì)黏土⑥層、卵石⑦層、粉質(zhì)黏土⑧層、粉土⑧2層、卵石⑨層、卵石[11]層(邊樁未嵌入該層)。鉆孔施工各地層長度及所占樁長比例見表3。

表2 中柱設(shè)計參數(shù)

圖1 方案調(diào)整前后主體雙層段斷面示意

共勘測到2層地下水，分別為潛水、層間水～承壓水，其地下水水位特征見表4。

表3 鉆孔施工地層參數(shù)

表4 地下水水位特征

2 洞樁法施工工藝

反循環(huán)施工工藝原理為從鉆桿外將泥漿注入孔中，鉆孔，用真空泵將鉆渣從鉆桿中吸出。洞內(nèi)反循環(huán)工藝機械成樁流程見圖2。

圖2 洞內(nèi)反循環(huán)工藝機械成樁流程

3 洞樁法施工難點及對策

洞內(nèi)反循環(huán)機械成樁由于工序較多且為泥水作業(yè)，洞內(nèi)作業(yè)空間有限而增加了施工難度，加之本車站邊樁穿越地層以大直徑卵石為主(平均粒徑20～30 cm，最大粒徑達53 cm)，導(dǎo)致在施工過程中出現(xiàn)了各種難題，項目技術(shù)人員針對每個難題進行了深入的研究，提出了各種針對性的對策。

3.1 成孔困難

蘇州街站洞內(nèi)機械成樁需穿越卵石⑤層、卵石⑦層、卵石⑨層，中柱甚至需達到卵石[11]層，邊樁穿越卵石地層的比例約占總體穿越地層的57.08%，中柱穿越卵石地層比例達66.78%，且卵石地層中卵石含量高達75%，卵石粒徑最大達53 cm，給機械成孔造成了極大的困難。

傳統(tǒng)反循環(huán)成孔工藝一般采用三翼鉆(圖3(a))和筒鉆(圖3(b))兩種類型的鉆頭。三翼鉆外形呈錐形，有三個翼板，每個翼板上設(shè)置若干金剛齒鉆，在一般砂卵石地層、黏性地層及砂層中，通過轉(zhuǎn)動、下壓，將鉆渣旋轉(zhuǎn)到鉆桿中，通過真空泵抽出，達到成孔目的。其特點是無需頻繁安拆鉆桿，成孔快，塌孔風(fēng)險低。筒鉆外形呈筒形，在卵石含量多，粒徑大，采用三翼鉆鉆進困難時采用筒鉆成孔。其特點是需頻繁安拆鉆桿，占用大量的時間，塌孔風(fēng)險高。

洞樁施工伊始，采用傳統(tǒng)工藝進行施工，待鉆入卵石⑨層后，成孔異常困難，進尺緩慢，時常出現(xiàn)卡鉆、堵管等現(xiàn)象。邊樁成孔時間平均15 h，最長時間達40 h，其中約2/3的時間為卵石⑨層的鉆進時間及卡鉆、堵管的處理時間。中柱由于直徑較大，成孔平均時間約180 h，最長時間達235 h，其中約2/3的時間為卵石⑨層、卵石[11]層的鉆進時間及卡鉆、堵管的處理時間。如此長時間的鉆進，帶來了極大的塌孔風(fēng)險。

針對此難題，項目部會同專業(yè)隊伍、鉆頭加工廠家進行了深入研究，在充分集合三翼鉆與筒鉆兩者優(yōu)點的基礎(chǔ)上研發(fā)出了復(fù)合鉆頭。從外形上就可以看出該鉆頭是由兩種傳統(tǒng)鉆頭結(jié)合而成(圖3(c))，在各種地層中均適用。該鉆頭既克服了三翼鉆在卵石地層中鉆進難的缺陷，又克服了筒鉆需反復(fù)安拆鉆桿的缺陷，大大提高了成孔效率，降低了塌孔風(fēng)險。采用改進的復(fù)合鉆頭后，邊樁成孔時間縮短至平均約8 h，中柱約80 h。

圖3 鉆頭形式

3.2 鋼筋籠對接難度大

在地面采用各種成孔工藝成孔后，鋼筋籠的安裝難度較小，可在地面整體加工吊裝，或者分節(jié)加工，地面拼裝，整體吊入孔內(nèi)。即使采用分節(jié)吊入、孔口拼裝，由于地面作業(yè)條件好，鋼筋籠對接次數(shù)有限，通過焊接即可實現(xiàn)。但在暗挖車站導(dǎo)洞內(nèi)，由于導(dǎo)洞空間有限(凈寬4.0 m，凈高4.8 m，邊樁中心部位凈高僅4.5 m)，加之洞內(nèi)吊裝機械本身要占用一定的高度，鋼筋籠無法像地面那樣整體加工，需分節(jié)加工，且每節(jié)長度僅為2.5 m。這就意味著邊樁平均長度按25 m算，鋼筋籠需要分10節(jié)加工，需要在孔口進行9次對接，若都采用焊接連接，每根邊樁共有16根主筋，因為均為立焊，焊接時間較長。每次對接按照1.5 h計算，則每根邊樁僅對接時間就要13.5 h，加上吊運時間每根邊樁完成鋼筋籠安裝時間需要約15 h。在這15 h內(nèi)由于孔內(nèi)泥漿不是處于循環(huán)狀態(tài)，而是處于沉淀狀態(tài)，長時間的沉淀會使泥漿失去護壁作用，導(dǎo)致塌孔。

針對此難題，項目技術(shù)人員對各種鋼筋籠對接技術(shù)進行了廣泛的調(diào)研。通過焊接、普通套筒、正反絲套筒、分體式套筒及墩粗工藝各種連接技術(shù)的比對(見表5)，從可行性、可操作性、工效等多方面比選后，最終確定了適合洞內(nèi)有限空間內(nèi)鋼筋籠對接的墩粗工藝連接方案，成功解決了此難題，大大提高了現(xiàn)場鋼筋籠對接工效。采用墩粗工藝連接后，邊樁鋼筋籠對接時間控制在5 h左右。

3.3 地層孔隙大，樁底注漿難

由于本車站埋深較大，拱頂覆土厚度約14 m，軌面埋深達30 m，為提高樁柱承載能力，在樁底進行注漿。按照設(shè)計要求，在邊樁施工完成后對樁底進行壓漿，漿液采用水泥漿，由于樁底所處地層為卵石⑨層(中柱樁底位于卵石[11]層)，地層孔隙大，注漿施工過程中發(fā)現(xiàn)無論壓注多少漿液都無法達到設(shè)計及規(guī)范要求的注漿終壓，注漿終壓均為0。

表5 鋼筋籠對接工藝比選

針對此現(xiàn)象，會同建設(shè)、設(shè)計、監(jiān)理單位進行了深入研究，制定了一系列的注漿試驗方案，如全部壓注水泥—水玻璃雙液漿、全部壓注水泥漿、先注水泥—水玻璃雙液漿再注水泥漿等方案。通過試驗，最終找到了能達到注漿雙控指標(注漿量、注漿終壓)的方案，即先注水泥—水玻璃雙液漿再注水泥漿。先注水泥—水玻璃雙液漿可在樁底局部形成一個保壓的區(qū)域，再壓注水泥漿后即可確保漿液不會順著地層孔隙流失，從而達到提高樁底承載力的目的。

4 結(jié)語

洞樁法工藝與傳統(tǒng)PBA工法相比，不用施作下層小導(dǎo)洞，而是在上層導(dǎo)洞內(nèi)機械成樁，成功規(guī)避了地下水。但是在大直徑卵石地層中，有限空間內(nèi)機械成樁由于作業(yè)條件限制、地層復(fù)雜性等原因不可避免會出現(xiàn)各種難題。文中以北京地鐵16號線蘇州街站為例研究和探討了成孔難、鋼筋籠對接難、樁底注漿難等難題，并給出了相應(yīng)的工程措施，效果良好，可為后續(xù)類似工程提供借鑒。

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