復雜地質條件下洞內機械成樁施工技術

覃銘然

復雜地質條件下洞內機械成樁施工技術

覃銘然

摘 要：文章根據北京地鐵16號線11標蘇州街站洞內機械成樁施工情況，闡述了復雜地質條件下洞內機械成樁技術，對施工過程中出現的問題及解決辦法進行總結，以期對今后洞內機械成樁施工有借鑒指導作用。

關鍵詞：地鐵；暗挖車站；洞內機械成樁；施工技術

覃銘然：北京城市快軌建設管理有限公司，工程師，北京 100101

1　工程概況

北京地鐵16號線蘇州街站為雙層島式地下車站（下穿既有10號線段為單層），總長240.65 m，受下穿10號線車站控制，軌面埋深約30 m。車站主體雙層段采用暗挖PBA洞樁法實施，該段寬23.5 m，高17.12 m，覆土約14 m；車站中部下穿10號線車站為分離式平頂直墻矩形結構形式，采用CRD暗挖法施工。車站站址周邊規劃已基本實現，道路兩側多為高層辦公建筑。由于車站埋深較深，地下水位高，車站邊樁及中樁均采用洞內機械成樁施工。車站邊樁：車站雙層暗挖主體側墻及端墻外側設置邊樁作為逆作開挖的圍護結構，樁徑1.0 m，樁長22.8～27 m，相鄰樁中心標準間距1.25 m。邊樁在施工導洞內施做，鋼筋通長配置，樁頂設置鋼筋混凝土冠梁，樁底采用注漿工藝提高樁基承載力，在施工工況下承載扣拱豎向荷載。車站中樁：車站中樁由鋼管混凝土柱和柱下樁基2段構成，鋼管混凝土柱直徑0.9 m，長10 m，柱下樁基直徑1.8 m，長17.6 ～19 m，柱下樁基底采用注漿工藝提高樁基承載力。柱下樁基在施工導洞內施做，通長配置鋼筋，在柱下樁基頂埋設鋼管柱定位器，并根據施工工序要求分3次澆注。柱下樁基按臨時結構設計，在施工工況下承載鋼管混凝土柱傳下來的扣拱豎向荷載。

2　洞內機械成樁技術

2.1洞內機械成樁工藝

(1）人工破口。洞內機械樁開口段利用人工挖孔護壁作為鉆進護筒，護壁厚度15 cm，深度1.8 m，開口段直徑1.1 m（中洞開口段直徑為1.9 m），高度與工作面平齊。護壁混凝土采用C25早強混凝土，厚度15 cm，坍落度控制在80 ～100 mm，上下2節護壁之間搭接5 cm，確保孔壁的穩定性。

(2）鉆進。鉆進采用反循環成樁工藝，鉆進時認真仔細觀察進尺和砂石泵排除渣的情況。排量減少或出水中含渣量較多時，應控制鉆進速度，防止因循環液比重太大而中斷反循環。加接鉆桿時，應先停止鉆進，將鉆具提離孔底20 cm左右，維持沖洗液循環1～2 min，以清洗孔底并將管道內的鉆渣攜出排凈，然后停泵加接鉆桿；鉆進時如孔內出現坍孔、涌砂等異常情況，應立即將鉆具提離孔底，控制泵量，保持沖洗液循環，吸除坍落物和涌砂，同時，向孔內輸送性能符合要求的泥漿，保持水頭壓力以抵制繼續涌砂和坍孔，恢復鉆進后，泵排量不宜過大以防吸坍孔壁；在鉆進過程中，要作好泥漿的維護管理，每0.5 h測1次泥漿粘度和相對密度，根據泥漿成分的變化采取相應的處理措施。

(3）泥漿制備。鉆孔灌注樁采用泥漿擴壁施工，配備泥漿循環系統，泥漿儲漿池、循環池、廢碴池等均放在豎井。根據本工程地質情況，選用優質黏土造漿，必要時再摻入適量蒙脫石含量高的膨潤土或Na CO3純堿等外加劑。泥漿制備在沉淀池內進行，制漿采用機械攪拌。攪拌時，先將定量的水加入沉淀池內，然后慢慢地加入與水量相應的黏土或膨潤土，并開動機器攪拌，成漿后將泥漿置于泥漿池內。鉆進過程中經常采集泥漿樣品，測定性能指標，利用循環水不間斷給孔內補充一定稠度的泥漿，保持水頭壓力，泥漿控制指標見表1。

(4）清孔。成孔達到設計標高后，將鉆頭留在原處繼續旋轉數圈，以避免孔底縮孔。對孔深、孔徑、孔壁、垂直度等進行檢查，不合格時及時采取措施處理。清孔采用泵吸反循環抽漿方法，清孔時合理控制泥漿的粘度與含砂率，用砂石泵排出孔底懸浮鉆渣的泥漿，經凈化處理后，再經回流泵排入孔內。經質量檢查合格的樁孔，及時分節安裝鋼筋籠及注漿管，鋼筋籠安裝就位后安設導管。如果檢測孔底沉渣超標，則進行二次清孔。以導管作為吸泥泵的吸漿管，導管底離孔內沉渣面約10 cm，啟動吸泥泵進行反循環排渣，并將導管慢慢放至孔底抽吸約5 min即可。清孔完后，將特制彎管拆除即可開始灌注水下混凝土。鋼筋籠安裝就位后及時灌注混凝土，防止沉碴超標及孔壁塌坍，樁孔沉碴厚度應控制在300 mm以內。

(5）鋼筋籠吊裝施工。在吊裝過程中，為了保證鋼筋籠質量，必須注意在轉運過程中鋼筋籠不得變形。在導洞內吊裝鋼筋籠，接頭采用鈍粗式直螺紋連接。為了保證鋼筋籠質量要求，在轉運過程中采取加固措施保證鋼筋籠不變形。鋼筋籠豎直后，檢查垂直度。鋼筋籠進入孔口后，將其扶正下放，嚴禁鋼筋籠擺動碰撞孔壁，并且邊下放邊拆除內撐，并嚴禁內斜撐掉進孔內。第1節鋼筋籠下放到最后1節加強筋位置時，穿進工字鋼，將鋼筋籠支撐在孔口工字鋼上，再起吊第2節鋼筋籠，使它們在同一豎直軸線上用套筒連接好，抽出支撐工字鋼后下放鋼筋籠。如此循環，使鋼筋籠下放至設計標高，定位于孔中心上，完成鋼筋籠的安裝。最后1節鋼筋籠安裝就位后，用鋼筋把鋼筋籠焊接固定于孔口護筒。

(6）混凝土澆注。鋼筋籠安裝好之后應進行混凝土澆注。邊樁及柱下樁基混凝土采用C30混凝土。混凝土運輸采用泵送形式，坍落度為160～210 mm。澆注混凝土前應先檢查成孔和鋼筋籠質量，混凝土一次澆注完成。水下灌注采用Φ219 mm鋼管，管節連接應嚴密、牢固，使用前應試拼，并進行隔水栓通過試驗，導管底端距孔底應保持300～500 mm。混凝土澆注過程中導管埋入混凝土深度應保持2～3 m，并邊提升邊拆除，導管吊放和提升不得碰撞鋼筋籠。混凝土澆注至樁頂設計標高處的混凝土強度應滿足設計要求，設計標高處不得有浮渣、淤泥等，柱下樁基澆注時應注意鋼管柱調平螺桿的預埋，以便于后期施工。

表1　泥漿控制指標

(7）后注漿施工。注漿管采用帶有絲扣的Φ32 mm的鋼管，單節長2.5 m，用鐵絲將注漿管與鋼筋籠綁扎在一起，每節注漿管用鐵絲綁扎5道確保牢固，每節連接完成后上端用棉紗進行封堵，防止泥漿流入。樁孔內的3根注漿管分別穿過荷載箱上下2個平面上預留的孔洞，與樁底齊平，注漿管底部注漿頭低于樁底20 cm。每節注漿管與鋼筋籠分節長度相同，注漿管隨鋼筋籠分節安裝，鋼管用管箍連接。后注漿工藝及質量控制：①注漿技術參數，采用PO42.5級普硅水泥，水灰比為0.6～0.75；嚴格按設計注漿，單樁設計注漿量為4 000 kg，實際注漿時需大于或等于設計注漿量，注漿速度50～75 L/min；②注漿施工，注漿采用2SNS型高壓注漿泵并配以YJ340型泥漿攪拌機，總功率14 kW。采用樁端與樁側同時注漿，注漿宜在成樁后2～30天內完成。注漿時，先把地面注漿系統與樁孔內3根注漿管的第1根連接，將第2根注漿管堵絲打開，對第2根注漿管壓入適量清水，沖洗樁孔底內注漿腔室，待第2根注漿管內出清水后，開始對第1根注漿管注入水泥漿液，待第2根注漿管流出水泥漿液時，停止注漿，將第2根注漿管堵絲堵上，再對第1根注漿管繼續注漿，待壓力達到1.5 MPa時，穩壓15 min左右，用堵絲堵上第1根注漿管，將地面注漿系統接入第3根注漿管二次注入水泥漿液，壓力達到1.8～2 MPa時，穩壓15 min。

圖1　實際地層卵石情況

圖2　復合鉆頭

圖3　鉆機支腿墊實

圖4　鉆桿垂直度測量

圖5　檢測泥漿比重

圖6　檢測泥漿稠度

2.2施工重點及措施

(1）地層與詳勘報告不符，卵石粒徑較大。詳勘報告顯示，卵石-9層最大粒徑140 mm，卵石-11層最大粒徑150 mm。實際成孔顯示，卵石含量大，粒徑多為250～350 mm，個別最大長度530 mm（圖1）。由于鉆桿直徑為Φ219 mm，且管路彎頭較多，極易產生堵管。為適應大粒徑卵石地層鉆進施工，需多次改進鉆機鉆頭。黏土層采用筒鉆施工較為合適，但卵石層采用筒鉆施工進度較慢，宜采用三翼鉆頭，綜合二者優點采用復合鉆頭更為適合（圖2）。

(2）控制鉆孔垂直度，保證樁體不侵陷主體結構。邊樁及中樁打設深度深（邊樁標準段24 m、中樁標準段31 m)，成樁地層50%為卵石，如何控制鉆孔垂直度，保證樁體不侵陷主體結構是施工控制的重點。為保證施工鉆孔垂直度，鉆機定位時須將鉆機液壓支腿底部墊上工字鋼或大方木，并保證鉆機水平，鉆孔口平臺用方木或木板墊平，用鋼管及絲托將鉆機與導洞初支頂實，減小鉆機施工時引起的晃動，鉆進施工中鉆進每3節鉆桿進行1次鉆桿垂直度測量，并及時矯正鉆機，保證鉆孔垂直（圖3、4）。

(3）控制鉆孔過程中塌孔，減小塌孔對臨近邊樁造成影響。由于兩相鄰邊樁間距較小（標準中心間距1.25 m），50%位于卵石層，施工過程中易產生塌孔，影響臨近樁體施工，特別是鋼筋籠安裝之后的塌孔，易產生斷樁，塌孔還易造成主體導洞底板下產生孔洞，對初支穩定及地面沉降帶來一定風險。為此，施工過程中要嚴格控制泥漿比重和泥漿稠度（圖5、6），按時對泥漿比重及稠度進行監測，如果不符合要求應及時補充泥漿，確保泥漿護壁滿足施工要求。護筒周圍用黏土填封緊密，鉆進中及時添加新鮮泥漿，使其高于孔外水位；遇流砂、松散土層時，適當加大泥漿密度，不要進尺過快，空轉時間過長；下鋼筋籠時精確定位，嚴禁下鋼筋籠過程中碰到孔壁；成孔完成后在條件允許情況下盡快下放鋼筋籠，并及時澆注混凝土。對輕度坍孔，加大泥漿密度和提高水位，對嚴重坍孔，用黏土回填投入，待孔壁穩定后采用低速鉆進。

(4）控制沉渣厚度。本標段地層復雜、成樁深度長，且機械成樁施工工藝復雜，安裝鋼筋籠時間長，控制沉渣厚度保證成樁質量是確保車站承載要求的控制重點。鋼筋籠及鋼護筒放置前，分別測量樁長，若沉渣量過多不能滿足設計要求時，則采用二次清孔及筒鉆撈渣方式清孔，也可通過預留注漿管對孔底吹風。

(5）保證成孔功效，確保工序時間。洞內機械成孔類似工程經驗少，洞內空間有限，且施工多為大型設備，無法保證流水作業。施工前應做好施工籌劃，充分考慮各種施工因素，保證人員及鉆機數量，確保流水作業，提高每道施工工序的施工速度，將工序銜接緊密，保證成孔效率。

(6）控制混凝土超方。由于鉆孔較深，鉆桿鉆進越深擺動幅度越大，成孔孔徑就越易變大，造成混凝土澆注超方。同時，由于卵石粒徑較大，鉆進過程中會將卵石部位巖體剝落，造成施工過程中的塌孔，根據實際統計，機械成樁平均混凝土澆注超方33.3%。混凝土的超方控制首先要防止塌孔，控制鉆桿垂直度，提高鉆桿剛度，減小鉆桿擺動幅度，控制孔徑。

3　結束語

暗挖施工洞內機械成樁技術的成功應用，有效解決了前期降水困難、施工受阻的困境，是對常規PBA工法工序的優化，采用洞內機械成樁嵌入地層取代條基樁工藝可縮短整個工程工期、降低工程造價。目前，該工法適用于砂卵、黏土地層，隨著該工法對機械設備及后配套設備的進一步改進，機械成孔的時間將進一步縮短。洞內機械成樁對硬質巖層的適應性，還有待于做進一步的實踐和研究。

參考文獻：

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[4] GB50299-1999 地下鐵道工程施工及驗收規范[S]. 北京：中國計劃出版社, 2003.

責任編輯 朱開明

Machinery Pile Construction Technology inside Tunnel under Complex Geological Conditions

Qin Mingran

Abstract:In the situation of machinery pile construction inside tunnel at Suzhou street station of project lot No. 11 on Beijing metro line 16, the paper elaborates the machinery pile technology inside tunnel under complex geological conditions, the problems arising in the process of construction and the solutions are summarized, with a view to provide references as guidance for future machinery pile construction inside tunnel.

Keywords:metro, tunnel excavation station, machinery pile construction inside tunnel, construction technology

收稿日期2014-10-17

中圖分類號：U445.55