新型低凈空鉆機(jī)在“PBA”洞樁工法中的應(yīng)用

王立偉

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101399）

0 引言

“PBA”工法洞樁傳統(tǒng)施工方法為開(kāi)挖上下雙層導(dǎo)洞，采用人工挖孔方式成樁，通過(guò)眾多開(kāi)挖施工案例統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)施工方法存有許多不足：①當(dāng)?shù)叵滤桓邥r(shí)，下層導(dǎo)洞的開(kāi)挖支護(hù)與沉降難以控制；②底縱梁較窄，在軟弱地層，難以保證承載力；③逆作開(kāi)挖落底時(shí)，側(cè)壁樁會(huì)出現(xiàn)水平位移，需增加橫通道和橫梁；④降水周期長(zhǎng)，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重；⑤人工挖孔風(fēng)險(xiǎn)大，且效率低下。在以上工程背景下亟需洞內(nèi)成孔機(jī)械，而地面上成熟的灌注樁機(jī)械成孔工藝多有旋挖鉆機(jī)成孔、長(zhǎng)螺旋成孔、沖擊鉆成孔、全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔等工藝，但由于洞內(nèi)空間狹小，地面常用機(jī)械無(wú)法直接應(yīng)用于導(dǎo)洞內(nèi)施工。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)概況

北京地鐵3 號(hào)線朝陽(yáng)公園站為暗挖地下兩層/三層雙柱三跨島式站臺(tái)車站，與地鐵14 號(hào)線朝陽(yáng)公園站呈三通道“T”形換乘，主體結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)295.7 m。車站三層段總長(zhǎng)44 m，總寬23.3 m，頂板覆土約6.53 m，底板埋深約25.15 m，為三層雙柱三跨箱形框架結(jié)構(gòu)；車站二層段總長(zhǎng)251.7 m，總寬23.3 m，頂板覆土約9.94 m，底板埋深約25.15 m，為二層雙柱三跨箱形框架結(jié)構(gòu)。車站采用PBA工法暗挖逆筑施工。

根據(jù)北京市重大辦安全工作專題會(huì)議紀(jì)要“PBA 工法車站不使用或盡量減少使用人工挖孔作業(yè)的要求”，降低施工作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)項(xiàng)目管理中心，3 號(hào)線總體組研究同意，朝陽(yáng)公園站由8 導(dǎo)洞PBA法變更為6 導(dǎo)洞洞樁法施工，取消下邊導(dǎo)洞及條基，邊樁由人工挖孔樁改為鉆孔灌注樁，中柱人工挖孔護(hù)壁改為倒掛井壁小豎井施工。變更后三層雙柱三跨段導(dǎo)洞內(nèi)圍護(hù)樁，圍護(hù)樁直徑1.0 m，樁長(zhǎng)27.9～29.5 m，共83 根。二層雙柱三跨段導(dǎo)洞內(nèi)圍護(hù)樁，圍護(hù)樁直徑1.0 m，樁長(zhǎng)27.83～29.5 m，共373 根。車站洞樁樁位平面布置如圖1 所示。車站變更后，邊樁均在凈空3.5 m×3.04 m（起拱線）的導(dǎo)洞內(nèi)施工，常規(guī)成孔設(shè)備均不能應(yīng)用。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

洞樁施工主要地層為細(xì)中砂⑥層、圓礫卵石⑥1層、粉質(zhì)黏土⑦層、細(xì)中砂⑧層、圓礫卵石⑨層。車站主體結(jié)構(gòu)施工范圍內(nèi)共勘測(cè)到三層地下水，分別為潛水（二）、層間水（三）和承壓水（四）。

2 成孔工藝選型

目前應(yīng)用較多的鉆機(jī)有沖擊鉆、全套管回轉(zhuǎn)鉆、旋挖鉆和反循環(huán)鉆機(jī)，鉆機(jī)性能對(duì)比見(jiàn)表1。

工程在覆土厚度不足10 m，3.5 m×3.04 m 凈空的導(dǎo)洞內(nèi)進(jìn)行，因此選擇鉆機(jī)的主要原則是體積小、重量輕、振動(dòng)小、護(hù)壁好、成孔質(zhì)量高。結(jié)合各種鉆機(jī)的特性，優(yōu)先選擇反循環(huán)鉆機(jī)。

表1 鉆機(jī)性能對(duì)比

圖1 車站洞樁樁位平面布置

3 工程重難點(diǎn)

（1）成樁地層為圓礫、卵石、黏土、細(xì)中砂層，在保證鉆進(jìn)速度以及控制鉆孔垂直度的同時(shí)要節(jié)約用水。

（2）排樁間距較小，要控制鉆孔過(guò)程中塌孔及減小塌孔對(duì)臨近邊樁造成的影響。

（3）地層復(fù)雜、成樁深度長(zhǎng)，且機(jī)械成樁施工工藝復(fù)雜，控制沉渣厚度，保證成樁質(zhì)量，確保樁基滿足承載要求。

（4）洞內(nèi)機(jī)械成孔類似工程經(jīng)驗(yàn)少，要保證成孔工效，確保工序時(shí)間。

4 鉆機(jī)的研發(fā)及施工工藝

4.1 鉆機(jī)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有導(dǎo)洞尺寸及地質(zhì)條件，通過(guò)不斷試驗(yàn)及改進(jìn)，最終研發(fā)出低凈空履帶式液壓反循環(huán)鉆機(jī)，經(jīng)過(guò)試樁證實(shí)，新鉆機(jī)成孔時(shí)間為8 h，完全可滿足施工要求。

鉆機(jī)尺寸4500×1500×3100 mm；整機(jī)重14 t，可分解組合；主泵功率132 kW，最大排量800 m3/h；最大鉆深150 m，鉆孔最大直徑3000 mm；動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速8 r/min，動(dòng)力頭扭矩40 kN·m

4.2 成孔施工流程（圖2）

圖2 成孔流程

4.3 施工順序

圍護(hù)樁樁心間距1.3 m，為保證結(jié)構(gòu)安全，采用隔三鉆一的跳打方式順序進(jìn)行施工。

4.4 導(dǎo)坑施工

按照設(shè)計(jì)圖紙采用全站儀放出樁位，并加以保護(hù)，在人工破孔前在現(xiàn)場(chǎng)放樣時(shí)將控制點(diǎn)引至導(dǎo)洞拱頂懸掛線繩并做好標(biāo)記。

洞內(nèi)機(jī)械樁開(kāi)口段利用人工挖孔護(hù)壁作為鉆進(jìn)護(hù)筒，護(hù)壁厚度10 cm，深度2 m，開(kāi)口直徑1.4 m，高度與工作面平齊?？孜唤?jīng)測(cè)量放樣后做好保護(hù)，施工過(guò)程中加強(qiáng)保護(hù)。按照測(cè)量點(diǎn)位用風(fēng)鎬或電鎬以樁中心為圓心破除導(dǎo)洞底板初支結(jié)構(gòu)混凝土，邊樁破除半徑為700 mm，破除仰拱格柵與環(huán)向及縱向鋼筋連接，邊樁開(kāi)孔鎖口及導(dǎo)坑護(hù)壁采用C20 自拌混凝土。

為保證在破孔時(shí)邊導(dǎo)洞的穩(wěn)定性及安全性應(yīng)間隔開(kāi)挖，不應(yīng)連續(xù)破除仰拱格柵，仰拱格柵破除完成后及時(shí)施做環(huán)形鋼筋并與格柵主筋焊接牢固，開(kāi)口處初支格柵與開(kāi)口環(huán)形鋼筋及格柵主筋連接牢固，環(huán)向設(shè)置4 C 25 搭接成環(huán)與導(dǎo)洞底板格柵縱筋點(diǎn)焊牢固，每格柵鋼架間設(shè)置兩道A8 箍筋。

孔內(nèi)作業(yè)時(shí)，孔口上面必須有人監(jiān)護(hù)。挖出的土方及時(shí)運(yùn)離孔口，砼圍圈上不得放置工具和站人，孔內(nèi)提升設(shè)備采用自制提升架，高度1.2～1.4 m，手搖式設(shè)備（需設(shè)限位裝置）。提升設(shè)備必須安裝牢固符合相關(guān)要求，且使用狀態(tài)良好?？變?nèi)作業(yè)人員必須頭戴安全帽、身系安全帶?？咨钔谥脸^(guò)挖孔人身高時(shí)，在樁孔口或孔內(nèi)裝設(shè)靠周壁略低的半圓防護(hù)板（網(wǎng)）。吊渣桶上下運(yùn)土?xí)r，孔下作業(yè)人員應(yīng)避于護(hù)板（網(wǎng)）下，做好安全防護(hù)，以防落物傷人。施工中應(yīng)隨時(shí)檢查垂直運(yùn)輸設(shè)備的完好情況和孔壁情況。挖孔班組人員撤離時(shí)孔口必須用硬質(zhì)蓋板防護(hù)完成，避免人員墜落。

4.5 泥漿制備

（1）鉆孔樁采用泥漿護(hù)壁施工，配備泥漿循環(huán)系統(tǒng)。泥漿儲(chǔ)漿池、循環(huán)池、廢碴池等均放在導(dǎo)洞內(nèi)，若滲漏情況嚴(yán)重則采用鋼箱放置，確保泥漿不污染周圍環(huán)境。根據(jù)工程地質(zhì)情況，選用優(yōu)質(zhì)粘土造漿，必要時(shí)摻入適量蒙脫石含量高的膨潤(rùn)土外加劑及鋸末。

（2）泥漿控制指標(biāo)。①泥漿控制指標(biāo)：比重1.15～1.2，黏度17～22 s，含砂率＜8%，膠體率＞95%，失水量＜1 mL/min。泥漿配比為水∶膨潤(rùn)土∶火堿∶CMC=100∶20∶1∶0.6（質(zhì)量比）；②鉆進(jìn)中定時(shí)采集泥漿樣品，測(cè)定性能指標(biāo)，不間斷給孔內(nèi)補(bǔ)充一定稠度的泥漿，保持水頭壓力。

（3）排出的泥漿首先匯集在泥漿池，通過(guò)凈化設(shè)備將泥漿過(guò)濾后重新使用，廢渣運(yùn)到豎井調(diào)走。

4.6 鉆進(jìn)成孔

（1）鉆機(jī)配備及安裝：為保證鉆機(jī)穩(wěn)定，鉆機(jī)四角液壓支撐必須在同一平面上，支腿應(yīng)穩(wěn)固，鉆機(jī)就位后底座和頂端應(yīng)平穩(wěn)、牢固。在鉆機(jī)鉆進(jìn)前根據(jù)測(cè)量點(diǎn)位校核樁中心，鉆頭中與樁中心位置對(duì)應(yīng)后方可鉆進(jìn)；鉆進(jìn)過(guò)程中使用鉆機(jī)頂部的起吊滑輪轉(zhuǎn)盤中心與鉆孔中心保持在同一鉛垂線上，另外使用吊錘輔助控制鉆機(jī)立桿垂直度，鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常檢查，嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度，如有問(wèn)題及時(shí)糾正。

（2）鉆孔開(kāi)始時(shí)要減壓、慢速鉆進(jìn)。待鉆頭和導(dǎo)向部位全部進(jìn)入地層后，方可加速鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中要進(jìn)尺均勻，地層交界處要慢速鉆進(jìn)。鉆孔作業(yè)要連續(xù)進(jìn)行，作好鉆孔施工記錄。每2 h對(duì)泥漿指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，不符合要求及時(shí)調(diào)整。鉆進(jìn)過(guò)程中采用增重減壓鉆進(jìn)，保持孔底承受壓力≤鉆具重量之和（扣除浮力）的80%，以避免斜孔、彎孔和擴(kuò)孔現(xiàn)象。鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，對(duì)孔底孔徑、孔深進(jìn)行自檢，合格后進(jìn)行清孔，為使沉渣及樁端注漿管安裝符合設(shè)計(jì)要求在鉆孔時(shí)刻適當(dāng)超鉆150～200 mm。

4.7 成孔檢查

成孔達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，對(duì)成孔質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，采用智能超聲波成孔檢測(cè)儀，檢測(cè)樁徑、樁深、垂直度等內(nèi)容。在鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常性按照圍護(hù)樁測(cè)量點(diǎn)位復(fù)核鉆桿來(lái)控制，合格后進(jìn)行下道工序。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)試樁測(cè)試，最新研發(fā)的低凈空履帶式液壓反循環(huán)鉆機(jī)可在低矮空間中施工鉆孔灌注樁，通過(guò)統(tǒng)計(jì)一根圍護(hù)樁的成樁時(shí)間為6～8 h，預(yù)計(jì)將在6 個(gè)月的時(shí)間保質(zhì)保量的完成站內(nèi)全部圍護(hù)樁作業(yè)，為整個(gè)車站的施工進(jìn)度打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，降水周期縮短1/3，節(jié)約大量水資源。機(jī)械化施工在安全保障、質(zhì)量控制、文明施工、施工效率以及施工成本方面為工程提供巨大優(yōu)勢(shì)。