全回转套管钻机在盾构隧道桩基清障中的应用

2015-01-08石平

城市道桥与防洪 2015年6期

石平

(武汉地铁集团有限公司，湖北武汉430308)

1 工程概况

菱角湖公园风井-菱角湖路站区间盾构将穿越原有武汉图书大世界遗留桩基（见图1），影响上、下行线盾构的穿越桩基为Φ377 mm夯扩桩。夯扩桩扩大头直径暂按Φ650 mm考虑，桩长为14～15 m。按照设计原则隧道中心线两侧4 m范围内的桩基必须预先拔除。根据现有资料，影响范围内桩基为89根，在实际施工时，应先对所有桩基开挖使之暴露，并实测其桩位的坐标，对应设计原则要求，具体确认最终需拔除的根数。对于原图书大世界厕所旁两幢房子，因在轴线范围内无建筑物的相关竣工图纸，考虑在正式施工时对相关区域进行开挖排摸，最终确认是否有桩基影响。

图1 原武汉图书大世界需拔除桩基与隧道区间平面关系图

隧道穿越原有武汉图书大世界遗留桩基区域土层由上至下依次为：①1杂填土、③2黏土、③4粉质黏土夹粉土、③5粉质黏土夹粉砂、粉土、④1粉细砂（见图2）。

2 施工设备

图2 原武汉图书大世界需拔除桩基与隧道区间剖面关系图

对侵入盾构隧道的混凝土桩基进行清障的方法主要包括全回转钻机清除地下障碍物工法和全套管无损减摩拔桩工法两大类。结合现场桩基条件、工程地质条件，以及周边环境特点，该工程采用RT-150型全回转套管钻机进行原有建筑物桩基的清除。RT-150型钻机能够驱动钢套管做圆周回转以将钢套管压入和拔除。该设备在作业时产生的下压力和扭矩，驱动钢套管转动，利用管口的高强刀头对土体、岩层及钢筋混凝土等障碍物的切削作用，将套管钻入地下至桩底部以下1 m，然后利用液压起拔设备将桩拔除。在拔桩过程中向套管内回填水泥土（老黏土和水泥拌合而成，水泥掺量5%），逐步回填逐步夯实，并在回填的同时逐节拔除钢套管。在整个过程中套管钻进及液压起拔设备对钻孔桩的起拔是施工的关键。该工法最大的特点是可将套管钻入有岩层或高强障碍物的土层，利用套管的护壁作用，在套管内进行拔桩，施工安全，工效高，对周围环境影响极少。

RT-150型全回转套管钻机主要包括全回转套管钻机、钢套管，以及其它配套设备，如图3所示。RT-150型全回转套管钻机具有以下特点：（1）具备强大马力和紧急脱离机构；（2）拥有将强大马力传递给套管而设置的性能良好的楔型夹紧机构；（3）拥有为有效利用强大马力而设计的钻头负荷自动控制等机构；（4）拥有为保证垂直精度所不可或缺的自动水平调整机构；（5）拥有为去除钢筋混凝土基础、钢管等地下障碍物而设计的套管内部挖掘装置、多头钻机等。

钢套管有两方面功能：一方面将顶部驱动设备提供的扭矩和压入力传递给刀头，同时在钻进的过程中还起到支护孔壁，防止孔壁坍塌的作用。套管为厚度50 mm的钢质桶式结构，根据此工程需要钻进的深度套管分为三节，第一节套管总长7.8 m，在管口布置刀头；第二节和第三节套管长度均为6.5 m。RT-150型全回转钻机选用直径1 000 mm钢套管，并配备8 0 t履带吊车配合安拆钢套管和拔桩清障，如图3所示。

图3 RT-150型全回转套管钻机示意图

3 全回转套管钻机拔桩清障施工工法

3.1 工艺流程（见图4）

图4 全回转套管钻机拔桩清障施工工艺流程图

3.2 主要施工步骤

3.2.1 施工设备就位固定

首先由测量人员使用全站仪对老桩孔位进行精确放样，复核后并作出标记。定位钢板按标记安放并固定。钻机就位后调整好设备的水平度，并随时观察和控制套管的垂直度使之不低于桩基施工要求。在钻机就位后，开始进行套管的埋设和钻进作业。施工过程中每节套管压入的精度都将直接影响钻孔的施工质量。每节套管放入夹管装置，收缩夹管液压缸，利用钻机和导向纠偏装置将套管的垂直精度调整到要求的范围内。钻进过程中随时利用设备自带的水平监测系统检验套管垂直度，并每孔三次在套管的两个垂直方向架设经纬仪进行垂直度复核控制。每节套管连接好并检查垂直度后，通过全回转钻机的回转装置使套管进行不小于360°的旋转，以减少套管与土体的摩擦阻力，并随即利用套管端部的刀齿切割土体或障碍物，压入土中，开始正常作业。

3.2.2 钢套管钻进

按预先放好桩中心位置钻入钢套管（见图5），将钢套管与桩基同心压入，如切到桩体，则适当移动钢套管位置，直到能完全套住桩基位置。由于钢套管是全回转钻进的，且端部刀头配置了负载控制装置，可以确保刀头的负载在最合适的范围内，且钻机在钻进过程中可任意调节套管的回转扭矩、回转速度、压入力及夹紧力等的最高值，并且可以设定发动机的高速、中速、低速。所以可以根据地质和障碍物情况，进行高效施工。

图5 钢套管钻进示意图

3.2.3 桩基拔桩

桩基拔桩共需两次拔桩过程，首先压入第一节和第二节钢套管后进行第一次拔桩，拔桩完成后压入第三节钢套管，第三节钢套管到达拔桩预定深度后进行第二次拔桩。根据相关施工经验，在钢套管钻进过程中因土体扰动，桩身会发生扭断或破坏，采用80 t吊车配合冲抓斗拔出或在已露出的桩顶用电焊烧制桩帽吊点直接引拔，将上部扭断的钢筋混凝土桩先行拔出，再将管内土体取出，与管底预留2 m左右的土塞，以免土体扰动造成塌方。然后重复钻进，套管内取土及吊车配合冲抓斗拔桩的过程，直至清除到预定的桩底标高。桩基拔除如图6所示。

图6 桩基拔除示意图

在拔桩过程中，由于桩体的断裂存在不确定性，而根据工程地质情况，在套管不断地下钻过程中会遇到地下承压水，此时拔桩就不能进行焊接吊点施工，这就需要采用专门定制的楔型锤（又称：钢钎、夹力棒、倒三角锤），在套管钻进时放入管壁内，随着套管的不断旋转，将桩体有计划地进行扭断，方便后续直接用80 t吊车配合冲抓斗将桩体逐段拔除。

3.2.4 回填材料拌制

桩孔回填材料采用水泥土进行回填，水泥土组成为老粘土与水泥混合，水泥掺量为5%。在施工场地内腾出一块3 m×5 m的空地用于现场拌制水泥土。计算出一根桩所需填充水泥土方量（m3）：3.14×0.52×孔深。一根桩所需水泥量（kg）：3.14×0.52×孔深×5%×粘土比重。根据确定的水泥土配合比将定量的水泥和老粘土进行搅拌。

3.2.5 桩孔回填

在拔桩过程的最后向套管内回填水泥土，逐步回填逐步夯实。并在回填的同时逐节拔除钢套管。为避免坍孔等情况的发生，回填作业是随起拔套管同时进行的。即套管正式起拔前，先在套管内回填一定高度的水泥土，再边拔套管边回填，始终保持套管内填土面高于套管底面一定高度，直至拔出最后一节套管，最终回填至地坪标高。

具体按以下步骤操作：套筒内渣土及障碍物全部清除后→拔除第三节钢套管（6.5 m）→拔除套管时同步回填水泥土，每隔2 m～3 m用冲抓斗对填充的水泥土进行夯实→拔除第二节钢套管（6.5 m）→拔除第二节钢套管（7.8 m）→拔除套管时同步回填水泥土，每隔2 m～3 m用冲抓斗对填充的水泥土进行夯实。

3.2.6 套管拔除

清孔至原状土后，立即拔除全回转钻机的套管，与上部回填水泥土施工同步进行。当回填至地坪标高后，移动RT-150型全回转钻机至下一个孔位置等待继续进行拔桩清障施工，如图7所示。

图7 钢套管拔除示意图

套管拔除具体施工步骤如下：（1）利用自身上下抱箍，卡住钢套管拔出套管；（2）上抱箍卡住套管，利用自身顶升架进行旋转上拔，顶升架起拔高度700 mm；（3）当拔到指定高度，下抱箍卡住套管，随即上抱箍松开；（4）上抱箍下压700 mm，再次卡住套管，松开下抱箍，重复上述工作直至拔出1节套管的高度（一节套管长6.5 m）；（5）利用吊车吊住套管。拆除连接螺丝，将钢套管吊放至指定堆放地点摆放；（6）钻机拔完所有套管，即可进行移机。利用吊车拆除配重及反力架等相关附件，吊至下一桩位点，等待下次钻进。