北京地區工程施工鉆探技術進展

張 勇，彭新明

(1.北京理工大學，北京100081；2.北京市地質工程勘察院，北京100048；3.北京市地質工程公司，北京100143；4.北京市地熱研究院，北京100143）

北京地區工程施工鉆探技術進展

張 勇*1，2，彭新明3，4

(1.北京理工大學，北京100081；2.北京市地質工程勘察院，北京100048；3.北京市地質工程公司，北京100143；4.北京市地熱研究院，北京100143）

介紹了北京地區旋挖鉆進、高壓旋噴與攪噴、氣（風）動潛孔錘鉆進、盾構、全液壓錨桿鉆進、輻射井施工、壓灌超流態砼后插鋼筋籠施工、地下連續墻施工等工程施工鉆探技術方法概況。近年來，北京地區工程施工鉆探技術方法已形成較成熟體系，但在環境保護、鉆孔垂直度等方面相對不足，尤其是地鐵施工降水，浪費了大量寶貴的地下水資源，近幾年才開始探索采用帷幕止水代替施工降水。帷幕止水工藝需要創新性發展，應研發環保鉆進設備與工藝。

北京；工程施工鉆探技術；進展

探礦工程是在地質勘探工作中，為探明礦體或地質體的形態、產狀、深度、規模、結構和儲量的工程技術，又稱勘探技術，包括鉆探工程和坑探工程。自改革開放以來，探礦工程技術，尤其是工程施工鉆探技術在城市建設中得到廣泛應用及充分發展，已成為地基與基礎工程、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方法。隨著生產技術的發展，工程施工鉆進的應用范圍不斷擴大，如水壩或其他工程建筑基礎的灌漿和固結處理、礦山豎井建設中凍結孔的鉆鑿，以及地下坑道的通風孔、電纜孔等的鉆進，都屬鉆探工程的范疇。

1992年南巡講話后，城市開發與基礎設施建設方面加快了發展步伐，北京建筑市場蓬勃發展，工程施工隊伍迅速發展。工程施工鉆探隊伍有地礦、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、礦務等市屬單位，有中國人民解放軍、武警部隊等軍轉民和軍民種單位，還有部分省（區、市）在京的施工單位和個體戶等[1]。20世紀90年代中后期，工程施工鉆探設備大量增加，種類很多，有國產或進口的各種長螺旋和短螺旋鉆機，各種正循環、泵吸反循環回轉鉆機，YKC沖擊鉆機和各種錨桿鉆機，還有少量比較先進的大口徑旋挖鉆機。

2001年7月13日北京獲得2008年奧運會舉辦權，此后，北京開始了規模宏大且優質高效的城市建設。工程施工鉆探隊伍專業化程度越來越高，有國有單位、股份公司、上市公司、民營企業、合資企業等。巖土鉆掘設備更新換代，大量使用先進的旋挖鉆機、盾構機、旋噴鉆機、液壓錨桿鉆機、地下連續墻成槽機等。北京地區工程施工鉆探技術方法實現了快速發展，例如成樁工藝方法由以人工挖孔、泵吸反循環鉆進、鋼絲繩沖擊鉆進、打樁機施工等為主，逐漸發展為以旋挖鉆進、壓灌超流態砼后插鋼筋籠施工技術等為主，并且引進、開發了多種工程施工鉆探技術方法。

1 旋挖鉆進

早在1984年，天津探礦機械廠首次引進了美國RDⅡ公司的旋挖鉆機并進行消化吸收。20世紀80年代末至90年代初，我國的一些施工企業看到了旋挖鉆進技術在施工中體現出的巨大優勢，開始從國外進口旋挖鉆機。此時，國外的一些旋挖鉆機制造商也紛紛在中國設立辦事處，向中國的基礎工程施工行業介紹、宣傳旋挖鉆機及旋挖鉆進施工技術[2-3]。

北京旋挖鉆機的發展歷程：1988年北京城建工程機械廠仿制了意大利土力公司1.5m直徑附著式旋挖鉆機；2001年北京經緯巨力工程機械有限公司第一臺旋挖鉆機試制成功，并應用于青藏鐵路工程施工，該公司是國內第一家專門生產旋挖鉆機的公司；2007年，國內首臺巖石旋挖鉆機SR220R在北京三一重機有限公司下線，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SR360在北京三一重機有限公司下線。

2000年11月～2003年10月，在北京五環路的基礎施工中，旋挖鉆機已占了絕大多數，最多時達到了30多臺；2004年，在北京奧運國家體育館建設工地同時使用旋挖鉆機16臺；至2012年，旋挖鉆機已成為北京樁工行業常規設備。

2 高壓旋噴與攪噴

高壓旋噴的原理是利用鉆機等設備,把安裝在注漿管最底部的特殊噴嘴,置于土層預定的深度,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。根據施工過程中噴管旋轉與提升的方式不同可實現旋噴、擺噴和定向噴射,相應地可形成旋噴樁、成片的止水帷幕和擋土墻等地下結構[4]。

2007年1月23日，為加強北京市地下水資源的管理和保護，減少水資源的浪費，防止相關地質災害，根據《建設工程安全生產管理條例》及有關法律、法規，北京市建委、市水務局共同研究制定了《北京市建設工程施工降水管理辦法》。自2008年3月1日起，本市所有新開工的工程限制進行施工降水。建設單位或者施工單位應當采用連續墻、護坡樁+樁間旋噴樁、水泥土樁+型鋼等帷幕隔水方法，隔斷地下水進入施工區域。近年來，高壓旋噴被廣泛應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有限公司對長螺旋鉆機進行了技術改造，相繼研究了“長螺旋高壓噴射注漿攪拌成樁裝置”、“長螺旋二重管高壓攪噴樁施工方法及其裝置”。采用長螺旋鉆機完成鉆孔及旋噴攪拌施工，將鉆孔及旋噴攪拌合二為一，省去了引孔設備。鉆孔時充分利用了長螺旋鉆機鉆進速度快的特點，旋噴攪拌時又可控制提升、下降速度，整體施工便捷、快速。成樁直徑800～1600mm，樁體質量比較均勻，水泥摻量為10%～20%。

3 氣（風）動潛孔錘鉆進

2010年，北京市地質工程公司在北京地鐵14號線降水工程中應用風動潛孔錘鉆進技術具有成井周期短、鉆進效率高、鉆孔保直精度高、成井后無需專門洗井、施工占地小、噪聲小、污染小等特點，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、對地面交通影響大、成孔過程中產生大量泥漿、洗井質量差、施工成本高等一系列問題，并應用于北京地區其它降水施工[5]。

4 盾構

盾構實際上是盾構機的簡稱。它是一個橫斷面外形與隧道橫斷面外形相同、尺寸稍大，內藏挖土、排土機具，自身設有保護外殼的暗挖隧道的機械。以盾構機為核心的一整套完整的隧道施工方法稱為盾構工法。

2003年3月，北京城建集團盾構公司斥巨資從德國引進土壓平衡盾構掘進機，拖著58m長的巨大身軀，在地下20m的地層內，打通了地鐵五號線的第一公里。這是北京首條采用“盾構法”挖筑的地下軌道。

此后，北京地鐵4號線、6號線、9號線、10號線、14號線等采用盾構機掘進。如今，盾構法已經成為北京地鐵隧道的主要施工方法。

5 全液壓錨桿鉆進

早期錨桿鉆機主要用于礦山井巷等頂板及邊幫的錨桿支護。隨著技術發展,錨桿鉆機功能增多,應用范圍顯著增大,現已應用于抗浮錨桿、地下連續墻、土釘墻支護、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。在城市現代化進程中起著重要的角色[6]。

20世紀90年代初以前，在城市建設中，錨桿鉆機為機械傳動，錨桿鉆進工藝主要為長螺旋鉆進工藝，少數為潛孔錘鉆進工藝；1995年北京市地質工程公司引進了德國HD90型液壓錨桿鉆機，采用全液壓動力頭傳動，跟管鉆進，機械化程度高，鉆進效率高，減輕工人勞動強度。自20世紀90年代末至今,在北京城市建設中引進了許多發達國家研發的全液壓履帶式錨桿鉆機進行地下連續墻支護和深基坑錨固施工。

21世紀初,北京建筑機械化研究院、北京建研機械科技有限公司等單位開始研發全液壓錨桿鉆機,并形成系列化。國內其他工程機械公司如三一重工、中聯重科、東方工礦、宣化英格索蘭、山河智能等也逐漸研發出相關錨桿鉆機。

6 輻射井施工

國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20m。國內輻射井技術已廣泛應用于農田灌溉、城鎮及工礦企業供水。傳統輻射豎井主要施工方法為鉆機反循環成孔漂浮法下管，占地面積大；水平井應用水沖頂進法，適用于細顆粒軟土地層。此工藝方法操作簡單，成本低，但是水沖法施工水平井遇砂層時涌砂大，孔壁擴徑大，塌陷嚴重，易形成地下空洞，引起較大地面沉降，遇礫石、卵石地層時又無法成孔，且施工占地面積大，因此不適合市區建筑密集地段及復雜地層條件下的工程降水。所以，現有國內輻射井施工工藝及設備還不能滿足北京地鐵施工的要求。

2002年6月北京市地質工程勘察院開始進行輻射井在淺埋暗挖地鐵降水中的應用研究，經過大量工程實踐后于2006年6月通過專家驗收。主要技術創新點[7]：（1）成功研究了雙壁反循環水平井施工工藝及配套設備，施工水平井長度可達80m以上。（2）北京地區沉井（直徑?3500mm）一般只能施工至20m深度，經過引進泥漿潤滑套和分段高壓射水方法，大大減小了沉井過程中地層側摩阻力，使北京地區沉井深度達到28.5m，同時還應用了錨噴倒掛壁豎井施工工藝，解決了傳統的機械成井方法占地面積較大的難題，使輻射井降水技術應用范圍更廣。（3）在輻射井出水量計算過程中，打破了僅采用經驗近似公式法計算的常規，引進了過水斷面法和等效替代法，取得了較合理的經驗參數，使計算結果更加接近工程實際。（4）水平井施工中，引進偏心潛孔錘跟管鉆進工藝，在卵石、漂石地層中施工工藝研究方面取得初步成果。

7 壓灌超流態砼后插鋼筋籠施工

超流態混凝土灌注樁由日本的CⅡP工法演變而來，采用專用長螺旋鉆孔機鉆至預定深度，通過鉆頭活門向孔內連續泵注超流態混凝土，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，灌入的混凝土要超出樁頂50cm，以保證樁頂混凝土強度。一般施工流程為：長螺旋鉆至設計深度→通過中心管壓灌超流態砼→放置鋼筋籠并振動至設計標高→成樁。

它是2005年建設部推廣的十大技術之一，近年來，在北京已廣泛應用于護坡樁、基礎樁及抗浮樁施工。

8 地下連續墻施工

自1957年在山東月子口水庫成功建造第一道連鎖樁柱防滲墻以來,地下連續墻施工技術在我國逐步得到應用。改革開放后,尤其是近二十年來,這項技術在我國得到越來越廣泛的應用,其施工技術有了長足的發展,開始進入世界先進水平的行列，出現了多種新工藝,呈現多樣化趨勢。20世紀60、70年代沖擊式鉆機鉆劈法施工工藝的一統天下已被打破,現在常用的施工工藝有純抓法、純銑法、鉆吸法、射水法、連續開槽法、擠壓成槽法等。以液壓抓斗為挖槽機械的純抓法在北京建筑、地鐵等行業中應用最廣。

近年來，北京地區也開始采用在護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 結語

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

9.1 研發環保鉆進設備與工藝

目前北京的環境保護政策正越來越嚴格，尤其在中心城區施工，工程施工鉆探過程中產生一系列的環境污染，主要有：（1）噪聲。鉆機動力噪聲，泥漿泵工作噪聲，快速放氣閥噪聲，轉盤及鉆臺工作面產生的噪聲，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、儲備、排放等。（3）鉆出來的泥土、巖屑等遺撒后形成污染。因而，需要研發集成式環保鉆探設備，解決當前工程施工鉆探設備小、散、雜的情況。漿液、巖屑等形成封閉或半封閉系統。探索井臺降噪工藝措施。采用環保型泥漿，滿足施工地區的環保排放標準，有益于當地的生態環境，并適應于鉆探需要。

9.2 帷幕止水工藝需要創新性發展

20世紀80年代以后，北京高層建筑如雨后春筍般地拔地而起，基坑開挖深度不斷加深，面積增大。進入21世紀，北京城市地價以驚人速度上漲，尤其中心城區土地資源非常緊張，可謂寸土寸金，正在大規模地從事地鐵、地下通道、地下停車場、地下人防、地下室等地下空間工程建設。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。北京未來將向更深的地下要空間，基坑深度將繼續增加，最關鍵的工序是帷幕止水。因北京的地層條件較好，如果采用地下連續墻將大幅度提高工程成本，但傳統的樁錨+樁間止水支護體系存在突出的問題：（1）高壓旋噴或攪噴的鉆孔垂直度難于控制，如按1°/100m計算鉆孔傾角，樁深超過15m后，樁底會出現15cm以上的“分叉”,嚴重影響止水效果。（2）鉆遇護坡樁擴散的混凝土固結體、漂石時，高壓旋噴或長螺旋鉆機不能鉆穿。（3）護坡樁的垂直度影響帷幕止水鉆孔的垂直度，如何確保旋挖、長螺旋等鉆進方法的垂直度，對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.北京志·地質礦產志[M].北京出版社，2001：259-268.

[2]劉偉.旋挖鉆機的發展及應用[J].建筑機械化，2004（11）：16-18.

[3]周紅軍.我國旋挖鉆進技術及設備的應用與發展[J].探礦工程，2003（2）：11-14.

[4]余暄平.國內外高壓旋噴技術的發展現狀與趨勢[J].成果應用，2006（4）：185-189.

[5]李博.風動潛孔錘鉆進技術在北京地鐵降水中的應用研究[J].探礦工程，2011（4）：45-48.

[6]文國臣，趙宏強，劉鵬.錨桿鉆機的應用介紹及發展趨勢[C]//中國采選技術十年回顧與展望,2012：579-581.

[7]北京市地質礦產勘查開發局.北京地質工作五十年[M].中國大地出版社，2008.

P634.5

B

1004-5716(2015)03-0070-04

2014-03-28

張勇（1969-），男（漢族），山東日照人，高級工程師，現從事地熱工程、地基與基礎工程的研究、設計、施工、管理工作。