地下連續墻環鉆與潛孔錘雙動力破巖施工技術

高子建

(深圳市工勘巖土集團有限公司，廣東 深圳 518063)

0 引言

地下連續墻因其支護和止水效果良好，已越來越多應用在城市地下空間建設中。針對不同地質條件，地下連續墻常用的施工設備包括液壓抓斗成槽機、沖孔樁機、旋挖樁機、雙輪銑，在硬質巖層中一般采用后3種機械單獨或組合完成引孔、修孔后成槽。

對于成槽巖面較淺的硬巖、分布大量孤石或填石等復雜地層，以上常用成槽設備施工效率較低，費工費時，對成本控制不利，造成大量資源浪費。為此提出一項新型施工技術用于解決上述難題。

本文結合具體工程實例，對地下連續墻環鉆與潛孔錘雙動力破巖施工工藝及特點進行詳細闡述。

1 工程概況

1.1 項目概況

深圳市城市軌道交通13號線4工區上屋北站項目，標準段為地下2層3跨結構，站前單渡線區域為地下1層3跨結構。基坑安全等級為一級，車站全長394m，開挖深度16～22m，圍護結構采用800mm厚地下連續墻加內支撐圍護方案。地下連續墻設計厚度800mm，坑底以下入中風化巖層2.5m或微風化巖層1.5m。

1.2 工程實施難點

勘察資料揭示，中風化巖最大單軸抗壓強度56.2MPa，微風化巖達115.0MPa，且場地內孤石發育，對成槽施工影響極大。為解決成槽過程中硬巖、孤石鉆進難的問題，現場進場液壓抓斗成槽機、旋挖樁機、沖孔樁機組合工藝施工，液壓抓斗成槽機清除上部土層，旋挖樁機在主孔取巖芯引孔，沖孔樁機采用方錘修孔完成成槽。但總體施工工藝成槽進度緩慢，單元槽段成槽用時通常超過10d，無法滿足工期要求。

綜合上述施工難點，通過不斷摸索、總結得出了地下連續墻硬巖全套管管靴超前環鉆與潛孔錘跟管雙動力鉆鑿破巖綜合施工技術，實踐證明本技術成槽效率高、綜合成本低、綠色環保。

2 工藝原理及適用范圍

本技術主要采用的施工設備為“雙動力多功能鉆機”，其外動力頭與全套管連接，套管底焊接管靴，管靴底安裝合金滾鉆齒，經外動力頭驅動全套管管靴，對巖體回轉切削引孔形成環狀臨空面；潛孔錘置于套管內由內動力驅動，其錘體與管靴相互嚙合，錘面略高于管靴底面，在潛孔錘高頻振動的同時錘擊帶動管靴跟管鉆進，并在管靴環狀引孔后，一次性破碎內部巖芯；同時，在潛孔錘高風壓輸送管路中增加了液態水的輸送，液態水在高風壓作用下被霧化，直接與潛孔錘破碎的巖渣混合，用以控制潛孔錘破巖揚塵；另外，在全套管頂部連通了串筒防塵罩，使破碎的廢渣沿著固定通道集中收納，達到綠色施工的目的。

2.1 雙動力鉆鑿工藝

1)選用SWSD2512型雙動力多功能鉆機施工，該鉆機配備了超高樁架、雙動力頭、大直徑潛孔錘鉆桿和全套管。

2)鉆機外動力頭驅動全套管即管靴大扭矩回轉鉆進，預先切削巖體形成環狀臨空面。

3)鉆機內動力頭驅動套管內潛孔錘振動及回轉鉆進，高頻沖擊破碎環槽內部的巖芯。

4)作業時內動力鉆桿與外動力套管同軸逆向旋轉，產生的扭矩方向相反、相互抵消、自行平衡，使鉆鑿過程穩定，如圖1所示。

圖1 雙動力系統

2.2 套管管靴環鉆超前引孔工藝

1)潛孔錘置于全套管內，全套管與跟管管靴為一體，潛孔錘鉆頭與全套管內的管靴結構相互嚙合，在完全嚙合狀態下錘面高于管靴底面70mm。

2)管靴底部嵌有3圈合金滾鉆齒。

3)成孔過程中，管靴鉆齒預先觸碰巖面，其較小的接觸面在鉆機大扭矩力和高頻沖擊力作用下，能快速超前破碎外圈硬巖，并形成一圈環狀的臨空面(最大臨空高度70mm)，達到環狀引孔效果。

4)隨著套管管靴環鉆引孔的深入和臨空面的加深，套管內的潛孔錘錘面和巖面接觸，內部臨空的薄弱巖芯由潛孔錘一次性破碎并排渣。潛孔錘這種在套管內臨空面的破巖工藝，相比通常的全巖體引孔鉆進效率更高。

5)隨著不斷進尺，環鉆引孔與錘體破巖因特有的跟管構造，始終保持著一定的進尺差，實現了連續同步的先引孔、再破巖成孔的施工工況，實現高效破巖鉆進。具體原理如圖2所示。

圖2 管靴環鉆超前引孔原理

2.3 硬巖潛孔錘破巖工藝

1)潛孔錘是以壓縮空氣作為動力，壓縮空氣由空氣壓縮機提供，經鉆機、鉆桿進入潛孔沖擊器，推動潛孔錘工作，利用鉆頭的往復沖擊作用實現破碎巖石的目的，被破碎的巖屑隨驅動潛孔錘的高風壓攜帶至地表，其特點是沖擊頻率高、低沖程、破碎的巖屑顆粒小，便于壓縮空氣攜帶，孔底始終保持清潔，巖屑在鉆桿與套管間的間隙中上升過程中不容易形成堵塞，整體鉆進效率高。

2)本技術采用特有的潛孔錘頭結構，其底部呈臺階狀，用于與外套管管靴相互嚙合。錘底開設出風通道并布置合金滾鉆齒，如圖3所示。

圖3 潛孔錘頭結構

2.4 全套管跟管鉆進工藝

1)定制一種環狀的管靴結構，將其焊接至全套管底部，因管靴不同壁厚的特別設定，使其與潛孔錘頭相互嚙合。管靴具體尺寸為：外徑800mm，上段長410mm，壁厚30mm，下段長140mm，壁厚50mm，坡口寬度20mm，角度45°，如圖4所示。

圖4 管靴結構

2)潛孔錘鉆機啟動后，潛孔錘向下的沖擊作用力通過嚙合結構傳遞給管靴，使全套管與潛孔錘始終保持同步下沉，實現全套管跟管鉆進，如圖5所示。

圖5 全套管跟管鉆進原理

2.5 綠色施工工藝

2.5.1氣液鉆進降塵工藝原理

在潛孔錘作業的空壓機、儲氣罐、油霧罐集成管路中的油霧罐出口增設一路支管輸送液態水，利用高風壓將水和油霧化，三相物質共同輸送至潛孔錘鉆桿，并沿著鉆桿輸送至錘頭。水霧在潛孔錘鉆進過程中不斷擴散，慣性碰撞捕捉空氣中懸浮的粉塵顆粒，將土渣、巖渣、粉塵等及其細小顆粒物迅速逼降，達到降塵的目的。

2.5.2串筒集渣施工

1)潛孔錘全套管鉆進過程中，破碎的渣土、巖屑會隨著超高風壓，沿著潛孔錘鉆桿與套管內壁形成的空間向上運動。

2)在全套管動力頭上端外接排渣通道和防塵串筒，動力裝置上端設封口法蘭盤，法蘭盤與鉆桿間設膠墊封堵，使吹出的渣土和巖屑可沿著排渣通道和串筒集中收納。

3)串筒防塵罩采用多個單節錐形防塵罩，通過固定式鋼絲繩相互連接疊套形成。鉆機卷揚系統與最下節串筒吊耳相連，根據成孔進展能自由提升或下落調整串筒長度。

4)具體綠色施工工藝原理如圖6所示。

圖6 綠色施工工藝原理

2.6 適用范圍

1)適用于入巖量大、孤石發育、深厚回填石等復雜地層地下連續墻成槽。

2)適用于中、微風化巖層入巖施工，微風化巖強度可達115MPa。

3)適用于墻厚≤1 200mm、成槽深度≤30m的地下連續墻施工。

4)以墻厚800mm為例，中風化巖引孔效率約5m/h，微風化巖引孔效率約2m/h。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

地下連續墻環鉆與潛孔錘雙動力破巖施工工藝流程如圖7所示。

圖7 施工工藝流程

3.2 操作要點

3.2.1施工準備及導墻施工

1)場地平整 按規劃場地和平面布置組織場地平整，擬采用機械為步履行走方式且整機較大，故澆筑素混凝土進行硬化處理。

2)根據成槽深度選擇多功能鉆機進場施工，本項目選用鉆機型號為SWSD2512，樁架高45m。

3)按設計圖紙進行定位放線。

4)本項目設計墻厚800mm，選擇套管外徑800mm并定制相應的管靴和潛孔錘頭，潛孔錘頭具體尺寸為：底部70mm高，直徑為700mm；上部錘身直徑740mm，臺階處設坡口寬20mm，角度45°。

5)組織施工設備及機具進場，包括多功能鉆機、雙輪銑、起重機、挖掘機、全套管、空壓機、儲氣罐、油霧罐、水泵、鋼筋加工機械、導墻模板、灌注導管等。

6)導墻采用機械配合人工開挖，開挖結束后進行墊層澆筑；按設計圖紙組織鋼筋加工和安置，經驗收后進行支模；支模采用木方支撐，確保牢固，最后沿槽縱向兩邊分段對稱澆筑混凝土。

3.2.2全套管安裝

1)將定制的管靴與全套管焊接成一體。

2)用起重機將套管吊至豎直狀態，調整樁架位置提升潛孔錘鉆桿，將潛孔錘鉆桿自上而下伸入套管內。

3)套管頂部與其動力裝置通過預設的凹凸結構連接，回轉卡緊。

4)全套管安裝完畢后，鉆機對中就位準備試運轉。

3.2.3地下連續墻引孔孔位分布

以6m為1幅的地下連續墻成槽為例，布置孔位凈間距300mm，如圖8所示。

圖8 地下連續墻引孔

3.2.4引孔施工前準備

1)開鉆前檢查空壓機、油霧罐、水泵等管路是否正常，檢查鉆具、推進機構、電氣系統、壓氣系統、風管及防塵裝置等確認完好，同時對孔位、護筒垂直度進行核查，合格后再進行鉆進作業。

2)先將鉆具(外套管、潛孔錘鉆頭、鉆桿)提離地面20～30cm，開動空壓機、鉆具上方的回轉電機，待護筒口出風時，再開始潛孔錘鉆進作業。

3)鉆進參數為：風量40～80m3/min，風壓1.0～2.5MPa，鉆速5～13r/min。

4)啟動2臺空壓機共同為潛孔錘提供高風壓驅動，單機風量≥40m3/min，通過儲氣罐合并風壓。

3.2.5管靴超前環鉆引孔

1)在多功能鉆機施工過程中，管靴預先接觸巖面；動力系統為管靴提供了加壓和回轉動力，潛孔錘的往復沖擊通過嚙合結構一并傳遞給管靴，又使管靴對巖層產生沖擊作用，形成鉆、鑿結合的施工效果。

2)管靴與巖體的接觸面小、呈環狀，配合上述各種作用力的有效結合，實現預先環狀引孔，使完整巖面沿縱向分層，單次分層高度70mm，中部未破碎的巖芯同步形成了相應高度的臨空面。

3.2.6套管內潛孔錘破巖

潛孔錘的錘面比管靴底面高70mm，在管靴完成環鉆引孔后，潛孔錘與中部巖芯接觸，隨之破碎。已具備臨空面的巖芯再經大直徑潛孔錘的高頻沖擊，整體破巖效率高。

3.2.7全套管跟管鉆進

因特別設計，使管靴和潛孔錘頭相互嚙合，在潛孔錘向下破巖的同時，也帶動著管靴向下進尺引環狀孔，既達到了跟管鉆進護壁的效果、又達到了外圈環狀引孔、內部破碎巖芯相互同步的效果。另外管靴具備較好的導向性，對成孔垂直度控制有利。

引孔過程中潛孔錘頭與管靴的嚙合結構、管靴底部的合金滾鉆齒會產生磨損，若磨損較大需要及時返場維修，如圖9所示。

圖9 鉆頭與管靴的磨損和維修

3.2.8氣液降塵鉆進

1)管路連接 在儲氣罐匯合風壓后的主管路中，先連通油霧罐，再外接高壓水支路。

2)油霧罐進氣端與儲氣罐連接，送氣端高壓氣管與多功能鉆機的氣管連接。

3)高壓水泵的進水管與水桶相連，水泵的輸水管與油霧器出口處的高壓氣管連接，水桶中的水經水泵壓力作用被輸送至高壓氣管中與高壓空氣混合。

4)開動多功能鉆機，空壓機組持續輸送高速氣流，高風壓將管路中輸入的液態水及潤滑油霧化，輸送至潛孔錘沖擊器并噴出，分散的微米級水霧覆蓋并捕集噴出的巖屑、土塵，將高風壓攜帶并飄浮在空氣中的顆粒物、塵埃等迅速逼降。

3.2.9鉆進實時串筒集渣

1)串筒采用不銹鋼板制作，鋼板厚度2mm，為多個單節錐形防護罩，通過鋼絲繩串接而成。

2)單體防護罩筒體高1 020mm，罩壁底部直徑800mm，頂部直徑1 000mm；連接吊耳設于筒體頂部位置，共2個，用于給固定式鋼絲繩綁扎；提升吊耳設于筒體頂部位置，共2個，沿筒體對稱布置，可通過拉伸式鋼絲繩實現對筒體的提拉或放下。

3)引孔前將串筒展開降至集渣箱孔口附近，隨著多功能鉆機向下進尺，串筒則同步向上拉起，但應確保串筒底口始終離集渣箱上口≤500mm。

4)隨著不斷鉆進，破碎的渣土和巖屑會沿著套管與鉆桿之間間隙上返，通過排渣通道排至串筒中，再集中收納到集渣箱內，當堆積一定量后組織清理。多功能鉆機鉆進泥渣串筒收集如圖10所示。

圖10 多功能鉆機鉆進泥渣串筒收集

3.2.10引孔至設計槽深、拔除全套管

1)多功能鉆機引孔至設計槽深后，關閉風壓機組動力驅動，將動力頭反旋與套管脫開，提起潛孔錘鉆桿組織終孔驗收。

2)終孔驗收合格后，將潛孔錘鉆桿再次套入套管內，旋轉動力頭將套管卡緊。

3)慢速回轉全套管，提升動力頭將套管拔除，拔除過程潛孔錘鉆桿與套管提升速度保持同步。

4)套管拔除后鉆機移動至下一孔位繼續施工。

3.2.11雙輪銑銑修孔成槽、第1次清孔

1)單個槽段引孔完畢后，雙輪銑設備就位準備切削余留巖體成槽，雙輪銑選用型號為SX40型。

2)銑頭在槽孔中心線的定位，在懸垂、穩定的狀態下進行。

3)工作狀態下，槽孔內必須保持足夠的泥漿，漿面不低于孔口500mm，否則停止工作。

4)在銑削過程中嚴格控制x，y方向的偏移量，若偏移量過大時應提刀進行再次修正、糾偏。

5)成槽完成后，安裝清孔泵、泥漿分離裝置等組織第1次清孔，將槽底沉渣清除。

3.2.12鋼筋網片制作安裝及灌注導管安裝

1)鋼筋網片按設計圖紙加工制作，長度在24m范圍內時，一次性制作、吊裝。

2)鋼筋網片迎水面主筋混凝土保護層厚度70mm，背水面主筋保護層厚度70mm。

3)單元槽段鋼筋籠應裝配成一個整體，垂直度偏差值≤1/300。

4)鋼筋網片在起吊、運輸和安裝過程中應防止變形。

5)鋼筋網片安放時保證墻頂的設計標高，允許誤差控制在±100mm。

6)鋼筋網片全部安裝入槽后應檢查安裝位置，確認符合要求后，對吊筋進行固定。

7)根據槽段寬選用直徑280mm的灌注導管，下導管前對每節導管進行密封性檢查，第1次使用時需做密封水壓試驗。

8)安裝雙導管、根據孔深確定配管長度，導管底部距離孔底30～50cm。

9)導管連接時安放密封圈，上緊擰牢，保證導管連接的密封性，防止滲漏。

3.2.13第2次清孔、灌注水下混凝土

1)在導管上端外接清孔泵組織第2次清孔，置換泥漿及時補充新泥漿，直至孔底沉渣厚度≤50mm。

2)清孔完畢后拆卸清孔泵，安裝灌注料斗準備灌注。

3)將隔水塞放入導管內，蓋好密封擋板；為保證混凝土初灌導管埋深在0.8～1.0m，根據槽體選用合適方量的初灌料斗。

4)灌注過程中經常用測錘監測混凝土上升高度，適時提升拆卸導管，導管埋深控制在4～6m，嚴禁將導管底端提出混凝土面；灌注連續進行，以免發生堵管造成灌注質量事故。

5)地下連續墻超灌高度≥500mm，超灌浮漿后期人工鑿除。

6)應根據規范要求留置試塊。

4 工藝特點及創新點

4.1 工藝特點

1)成孔效率高

采用潛孔錘鉆機破巖效率高，特有的管靴結構能預先破碎外圈硬巖形成環槽，孔內形成的巖芯斷面相比完整巖面薄弱，能進一步提高破巖效率；同時,潛孔錘采用的超大風壓使得破碎的巖渣能一次吹出孔外，避免了巖渣重復破碎，大大加快了成孔速度。

2)成槽質量好

采用全套管跟管鉆進對地下連續墻引孔，其成孔孔型規則，垂直度控制好，孔壁穩定，對周邊擾動小；采用雙輪銑修孔成槽，修槽全程垂直度自動監控，確保了成槽質量。

3)施工綠色環保

在傳統潛孔錘高風壓和油霧管路中增設液態水的輸入，減少了成孔過程中產生的粉塵污染；同時采用全套管與串筒防塵罩組合，讓破碎的渣土、巖屑沿固定通道外排，集中收集清運，實現綠色環保施工。

4)綜合費用低

本技術采用的創新組合成槽工藝，發揮了潛孔錘破巖的優勢，結合超前環鉆引孔、跟管鉆進等技術，與傳統成槽工藝相比，本工法大大提升破巖工效，縮短了工期，降低了人工和機械費用，綜合費用低。

4.2 工藝創新點

1)全套管既作護壁又作為跟管管靴，其底部環鉆斷面小，通過鉆機的大扭矩回轉鉆進動力，以及潛孔錘傳遞的高頻沖擊力，實現超前快速引孔形成環槽，為全套管內的潛孔錘破巖提供了臨空面，大大提升了潛孔錘的破巖效率。

2)潛孔錘和外套管各設1套動力系統，通過多功能鉆機將各部件進行有效結合，其完整的集成系統能一次完成成孔、破巖、跟管、降塵、集渣等工作，集成度高、施工便捷且綠色環保。

5 實際施工效果

根據多個項目的實踐證明，本技術單槽段完成時間約2個日歷天，而采用傳統旋挖鉆機引孔以及沖孔樁機引孔單槽段完成時間通常不少于10個日歷天。通過測算本技術不僅能節約工期，同時綜合成本更低。

6 結語

1)隨著城市地下空間的發展，地下連續墻的廣泛應用，復雜地層下“地下連續墻硬巖雙動力鉆鑿破巖綜合施工技術”在現場操作、施工效率、綜合成本控制等方面均突顯了獨特的優越性，具有較好的應用前景。

2)通過多個硬巖地下連續墻項目實踐表明，采用套管及管靴超前環鉆引孔配合套管內潛孔錘破巖，能有效應對硬巖地層成槽進度慢的問題。同時采用氣液降塵和串筒排渣技術能更好保證文明施工，其市場前景廣闊。