深孔砂礫地層全套管在地鐵既有結構安全保護區的施工應用案例

高佳 吳雅男

摘要 為確保地鐵既有結構的正常使用、在建結構的施工安全，其周邊特定范圍內設置控制和保護區域，在地鐵結構周邊進行外部作業時，外部作業不得影響地鐵的正常運營和施工安全，滿足地鐵結構的正常使用、承載能力、耐久性和其他特殊功能，樁基施工的傳統泥漿護壁工藝已經不能滿足要求，深孔砂礫地層采用全套管全回轉工藝施工安全可靠，為類似工程建設項目提供成熟的應用案例借鑒。

關鍵詞 深孔砂礫地層;全套管;全回轉;安全保護區;鉆孔孔壁坍塌風險

中圖分類號 U412.37 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0112-03

0 引言

隨著大城市不斷擴容，為緩解交通擁堵問題，城市軌道交通地鐵、高架橋快速路發展迅速，樁基布置與地鐵結構沖突，進入地鐵控制和保護區域不可避免，為確保地鐵既有結構的正常使用、在建結構的施工安全，采用全套管全回轉工藝施工，防止鉆孔孔壁坍塌，對既有結構起保護作用，又保證高架橋樁基成樁質量。

1 工程案例

沈陽市長青街快速路建設，北起一環路，沿線走行現狀長青街、長青南街，終點為渾南大道以南，道路全長約5.4 km。項目范圍內有已建成地鐵9、10號線與高架橋快速路主線并行，地鐵區間與高架橋中心線位沖突[1]，高架橋樁基布置水平距離與地鐵區間線位較近，樁基布置侵入地鐵結構外部作業凈距控制指標（《沈陽地鐵結構安全保護技術標準》，樁基礎≥3 m），最小2.05 m（詳見圖1，表1）。應重點控制樁基施工工藝，確保地鐵既有結構安全，需要較長的鋼護筒進行護壁，并進入泥礫穩定地層2 m，護筒長度在39.6～47.5 m之間，樁直徑為1 500 mm。

2 主要地層特性（以50橋墩為主描述）

（1）雜填土：雜色，松散，稍濕，主要由路面、碎石、粘性土、混粒砂及建筑垃圾組成，馬路地段表層為瀝青路面，瀝青路面下為碎石墊層;層底標高為43.96 m。

（2）中粗砂：黃褐色，稍密，稍濕，礦物成分以石英、長石為主，混粒結構，顆粒級配一般，含少量粘性土，局部含少量小卵石;層底標高為41.66 m。?

（3）礫砂：黃褐色，稍密，局部中密，濕，礦物成分以石英、長石為主，混粒結構，顆粒級配較好，含少量粘性土及礫石、含約15%的圓礫、局部含鐵質氧化物。大于2 mm顆粒占約總質量的25%～45%，最大粒徑 80 mm，局部夾粘性土、中、粗砂及圓礫薄層;層底標高為37.66 m。

（4）圓礫：稍密，局部中密，濕，母巖成分不一，以砂巖、花崗巖、結晶巖為主。磨園度較好，呈亞圓形，橢圓形，堅硬，混粒結構，顆粒級配好。含大于2 mm顆粒占總質量的50%～65%，一般粒徑2～50 mm。最大粒徑 90 mm。局部含15%卵石，由混粒砂及粘性土充填，局部夾粘土薄層;層底標高為32.16 m。

（5）圓礫：黃褐色，中密～密實，飽和，母巖成分不一，以砂巖、花崗巖、結晶巖為主，混粒結構，顆粒地地下水對混凝土結構具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。級配良好，磨圓度較好，亞圓形，堅硬。大于2 mm礫石占總質量的50%～55%，一般粒徑2～20 mm，最大粒徑90 mm，填充物為中粗砂及少量粘性土，局部粘性土含量偏高;層底標高為21.66 m。

（6）礫砂：黃褐色、密實，局部中密，飽和，礦物成分以石英、長石為主，混粒結構，顆粒級配較好，含鐵質氧化物及云母碎片。大于2 mm顆粒占總質量的25%～45%，一般粒徑2～20 mm，最大粒徑80 mm。該層局部夾較多的粘性土、中粗砂及圓礫薄層;層底標高為6.96 m。

（7）泥礫：黃褐色，中密，局部密實，濕，主要由粘性土、圓礫、混粒砂組成。顆分結果以礫砂及粗砂為主，含礫石、卵石，局部為粉質粘土。礫石風化嚴重，具膠結性，含土量較大;層底標高為?4.84 m。

（8）混合花崗片：青灰色，主要礦物成分為石英、長石、云母。原巖結構基本破壞。巖芯呈砂土狀，手掰易碎，全風化;層底標高為?8.74 m。

（9）混合花崗片：灰綠色，顯晶粒狀結構，片麻狀構造，巖芯呈碎塊狀，一般塊徑3～5 cm，最大塊徑10 cm，節理裂隙很發育，錘擊不易碎，強風化;層底標高?14.34 m。

（10）混合花崗片：灰綠色，顯晶粒狀結構，片麻狀構造，巖芯呈短柱狀，一般柱長10～15 cm，最大柱長30 cm，節理裂隙發育，錘擊不易碎，中風化;勘查未穿透此層。

3 工藝選擇

（1）常見較長鋼護筒施工工藝，開孔擴孔鉆進施工將首節鋼護筒吊裝至預定標高，焊接防脫落裝置;旋挖鉆機在首節鋼護筒內擴孔鉆進第二節鋼護筒長度后，第二節與首節鋼護筒焊接連接后，采用振動錘將鋼護筒激振至預定標高;重復前述步驟，最終將鋼護筒激振至穩定地層的設計標高。由于鋼護筒無法回收利用，造成材料的嚴重浪費。不推薦使用。

（2）新興施工工藝，安放較長鋼護筒可以采取全回轉鉆機與旋挖鉆機、全回轉鉆機與沖抓鉆配合、旋挖鉆機安裝驅動器施工。可以實現快速安放與回收鋼護筒施工，解決塌孔風險、鋼護筒可以回收重復利用，該工藝施工效率成倍提升，具有安全實用推廣價值。

根據鉆孔直徑、鉆孔深度、地質情況、地鐵管理部門限制沖抓震動工藝施工，經過技術比選及專家評審，采用全套管全回轉鉆進與旋挖鉆機取土的施工工藝，特點在回填層、砂礫地層質條件下，可以發揮全回轉鉆機大扭矩切割地層的優勢，利用全套管可靠護壁，確保無塌孔風險;又能利用旋挖鉆機快速取土的功能，實現快速成孔，提升施工效率。

該項目延線勘察范圍內為第四系全新統渾河高漫灘及古河道沖積層，砂礫地層一般不大于60 m，全套管鉆進過程中承受較大扭矩，鉆孔越深所承受的扭矩越大。根據地層情況及扭矩情況，綜合選用單層鋼套管，套管鋼材材質為Q345B，壁厚為30 mm;套管接頭為精確加工的雌雄合金接頭，螺栓連接套管，套管接頭材質為25CrMo鍛件，壁厚50 mm;套管內徑1 500 m，套管外徑1 600 m;首節套管底部設有環行切割合金刀頭，刃口外徑比標準套管外徑稍微大一些，便于標準套管在鉆壓下沉過程中減少與地層的摩阻力。

4 工藝原理及施工要點

全套管全回轉施工時，垂直精度可高達1/300～1/500，首節全套管合金刀頭先行切削地層，再使用旋挖清除套管內渣土，鉆進全程均以鋼套管護壁，可以確保基礎樁孔壁不塌孔，且周邊地基不受擾動，解決常規泥漿難以護壁的軟弱松散地層、流砂層和流塑地層、易塌孔埋鉆地層和砂礫、卵石層及各類堅硬巖層中塌孔及成樁質量不好的難題。樁基成孔后灌注水下混凝土，并與導管同步拔出全套管，回收重復使用。

4.1 施工工藝流程

①全回轉鉆機就位及安裝首節全套管→②全回轉鉆機鉆壓全套管及旋挖鉆機套管內取土→③安放第二節全套管→④全回轉鉆機鉆壓全套管及旋挖鉆機套管內取土→⑤重復施工③④步驟，至全套管鉆壓至設計標高→⑥旋挖鉆進至設計孔深及清孔→⑦鋼筋籠吊裝及鋼筋籠孔口套筒直螺紋連接→⑧水下混凝土灌注及回收全套管。

4.2 施工要點

（1）將全回轉鉆機的底座移動到樁位上，履帶吊壓住反力架，形成一個整體，避免全回轉鉆進過程左右晃動;將底部裝有切割刀頭首節全套管（8 m）對準樁位后，啟動全回轉鉆進定位油缸夾緊鋼套管，并復核樁位。特別注意首節及第二節全套管鉆壓，應用經緯儀或測錘線不斷量測垂直度，發現超出允許值及時調整，這是決定整根樁基垂直度的關鍵。

（2）全回轉鉆機通過360°全回轉式齒輪盤及油壓馬達驅動全套管，使全套管底部的環形切割刀入土層，加上機架及履帶吊重量，全套管逐漸被鉆壓入地層中;旋挖鉆機配合全套管內取土，全套管鉆壓入預定深度。

（3）全套管鉆壓至地鐵隧道直徑上下2 m范圍，控制鉆進速度，旋挖鉆機在套管內取土嚴禁超過首節套管刀頭。

（4）全套管鉆壓及旋挖全套管內取土時，加入水及萘普頓專用聚合物泥漿護壁潤滑材料，滲入地層可以起到對全套管潤滑作用，減小全套管轉動及下壓時的摩擦阻力，同時預防超鉆部分局部坍塌。

（5）全套管進入泥礫穩定地層2 m后，有些樁端進入中風化巖層，施工時間較長，全回轉鉆機定時旋轉全套管，以防止全套管被地層抱管卡死，造成全套管無法回收重復利用。

（6）灌注水下混凝土時，應考慮全套管直徑比樁徑大100 mm，回收全套管混凝土自動填充全套管所占用的體積，導管不要拔出以灌注混凝土面，也要防止掉入套管內，防止灌注質量事故。

（7）該項目旋挖鉆機與全回轉鉆機聯合施工，每根樁全套全部鉆壓到位的時間效率約8 h，剩余孔深鉆進時間效率約為1～2 h，鋼筋籠安裝、導管安放的時間效率約為3 h，水下混凝土灌注及拔出全套管施工的時間效率約為12 h，水下混凝土應專門委托有資質的商品混凝土供應站配置，緩凝時間不低于18 h;預防因城市路況運輸不暢、故障處理、未完成灌注前混凝土開始初凝等，避免發生全套管、導管埋管事故。

5 總結經驗

（1）全回轉鉆機采購價格較高，為加快施工進度及全回轉鉆機利用效率，該項目還特意采購2臺專用拔管機（6 000 kN）配合起拔全套管，利用全回轉鉆機完成第一根樁的全套管鉆壓后，移至下一樁位繼續鉆壓全套管，拔管機就位配合灌注混凝土同步拔管，組織流水施工，全回轉鉆機效率提升2～3倍。

（2）利用全回轉鉆機拔出全套管時，因全回轉鉆機操作臺落位后也比較高，常規混凝土罐車不能自卸灌注混凝土，并且場地狹窄，不宜設置臨時坡道，需要配備長臂式混凝土泵車輸送混凝土。采用拔管機的操作臺落位后，混凝土罐車可以自卸灌注混凝土。

（3）上部砂礫地層采用全套管護壁，下部泥礫以下地層采用萘普頓專用聚合物泥漿護壁，成孔后靜置靜待30～45 min，用清底鉆頭清孔，吊裝鋼筋籠及導管安裝完成后，再測量孔深，沉渣厚度不超標，可以省去二次清孔。

（4）以后類似項目建議定制外徑為1 500 mm的全套管，套管以下部分采用專用擴孔鉆頭施工，既能滿足樁徑要求，又能節約混凝土用量。

6 結語

當樁基進入地鐵安全保護區施工時，沈陽地區深孔砂礫地層，全套管護壁是鉆孔、清孔、吊裝鋼筋籠、水下混凝土灌注不發生塌孔的保證措施，也是樁基進入地鐵安全保護區允許施工審批要件的安全措施。全套管全回轉與旋挖鉆機聯合施工方案，全套管可以回收重復利用，施工速度快，質量及安全有保障，得到建設單位、地鐵監管部門的認可及好評。

參考文獻

[1]李男. 沈陽市長青街快速路工程總體方案設計探討[J]. 北方交通， 2019（11）： 56-60+65.