复杂地质条件下洞内机械成桩施工技术

覃铭然

复杂地质条件下洞内机械成桩施工技术

覃铭然

摘 要：文章根据北京地铁16号线11标苏州街站洞内机械成桩施工情况，阐述了复杂地质条件下洞内机械成桩技术，对施工过程中出现的问题及解决办法进行总结，以期对今后洞内机械成桩施工有借鉴指导作用。

关键词：地铁；暗挖车站；洞内机械成桩；施工技术

覃铭然：北京城市快轨建设管理有限公司，工程师，北京 100101

1　工程概况

北京地铁16号线苏州街站为双层岛式地下车站（下穿既有10号线段为单层），总长240.65 m，受下穿10号线车站控制，轨面埋深约30 m。车站主体双层段采用暗挖PBA洞桩法实施，该段宽23.5 m，高17.12 m，覆土约14 m；车站中部下穿10号线车站为分离式平顶直墙矩形结构形式，采用CRD暗挖法施工。车站站址周边规划已基本实现，道路两侧多为高层办公建筑。由于车站埋深较深，地下水位高，车站边桩及中桩均采用洞内机械成桩施工。车站边桩：车站双层暗挖主体侧墙及端墙外侧设置边桩作为逆作开挖的围护结构，桩径1.0 m，桩长22.8～27 m，相邻桩中心标准间距1.25 m。边桩在施工导洞内施做，钢筋通长配置，桩顶设置钢筋混凝土冠梁，桩底采用注浆工艺提高桩基承载力，在施工工况下承载扣拱竖向荷载。车站中桩：车站中桩由钢管混凝土柱和柱下桩基2段构成，钢管混凝土柱直径0.9 m，长10 m，柱下桩基直径1.8 m，长17.6 ～19 m，柱下桩基底采用注浆工艺提高桩基承载力。柱下桩基在施工导洞内施做，通长配置钢筋，在柱下桩基顶埋设钢管柱定位器，并根据施工工序要求分3次浇注。柱下桩基按临时结构设计，在施工工况下承载钢管混凝土柱传下来的扣拱竖向荷载。

2　洞内机械成桩技术

2.1洞内机械成桩工艺

(1）人工破口。洞内机械桩开口段利用人工挖孔护壁作为钻进护筒，护壁厚度15 cm，深度1.8 m，开口段直径1.1 m（中洞开口段直径为1.9 m），高度与工作面平齐。护壁混凝土采用C25早强混凝土，厚度15 cm，坍落度控制在80 ～100 mm，上下2节护壁之间搭接5 cm，确保孔壁的稳定性。

(2）钻进。钻进采用反循环成桩工艺，钻进时认真仔细观察进尺和砂石泵排除渣的情况。排量减少或出水中含渣量较多时，应控制钻进速度，防止因循环液比重太大而中断反循环。加接钻杆时，应先停止钻进，将钻具提离孔底20 cm左右，维持冲洗液循环1～2 min，以清洗孔底并将管道内的钻渣携出排净，然后停泵加接钻杆；钻进时如孔内出现坍孔、涌砂等异常情况，应立即将钻具提离孔底，控制泵量，保持冲洗液循环，吸除坍落物和涌砂，同时，向孔内输送性能符合要求的泥浆，保持水头压力以抵制继续涌砂和坍孔，恢复钻进后，泵排量不宜过大以防吸坍孔壁；在钻进过程中，要作好泥浆的维护管理，每0.5 h测1次泥浆粘度和相对密度，根据泥浆成分的变化采取相应的处理措施。

(3）泥浆制备。钻孔灌注桩采用泥浆扩壁施工，配备泥浆循环系统，泥浆储浆池、循环池、废碴池等均放在竖井。根据本工程地质情况，选用优质黏土造浆，必要时再掺入适量蒙脱石含量高的膨润土或Na CO3纯碱等外加剂。泥浆制备在沉淀池内进行，制浆采用机械搅拌。搅拌时，先将定量的水加入沉淀池内，然后慢慢地加入与水量相应的黏土或膨润土，并开动机器搅拌，成浆后将泥浆置于泥浆池内。钻进过程中经常采集泥浆样品，测定性能指标，利用循环水不间断给孔内补充一定稠度的泥浆，保持水头压力，泥浆控制指标见表1。

(4）清孔。成孔达到设计标高后，将钻头留在原处继续旋转数圈，以避免孔底缩孔。对孔深、孔径、孔壁、垂直度等进行检查，不合格时及时采取措施处理。清孔采用泵吸反循环抽浆方法，清孔时合理控制泥浆的粘度与含砂率，用砂石泵排出孔底悬浮钻渣的泥浆，经净化处理后，再经回流泵排入孔内。经质量检查合格的桩孔，及时分节安装钢筋笼及注浆管，钢筋笼安装就位后安设导管。如果检测孔底沉渣超标，则进行二次清孔。以导管作为吸泥泵的吸浆管，导管底离孔内沉渣面约10 cm，启动吸泥泵进行反循环排渣，并将导管慢慢放至孔底抽吸约5 min即可。清孔完后，将特制弯管拆除即可开始灌注水下混凝土。钢筋笼安装就位后及时灌注混凝土，防止沉碴超标及孔壁塌坍，桩孔沉碴厚度应控制在300 mm以内。

(5）钢筋笼吊装施工。在吊装过程中，为了保证钢筋笼质量，必须注意在转运过程中钢筋笼不得变形。在导洞内吊装钢筋笼，接头采用钝粗式直螺纹连接。为了保证钢筋笼质量要求，在转运过程中采取加固措施保证钢筋笼不变形。钢筋笼竖直后，检查垂直度。钢筋笼进入孔口后，将其扶正下放，严禁钢筋笼摆动碰撞孔壁，并且边下放边拆除内撑，并严禁内斜撑掉进孔内。第1节钢筋笼下放到最后1节加强筋位置时，穿进工字钢，将钢筋笼支撑在孔口工字钢上，再起吊第2节钢筋笼，使它们在同一竖直轴线上用套筒连接好，抽出支撑工字钢后下放钢筋笼。如此循环，使钢筋笼下放至设计标高，定位于孔中心上，完成钢筋笼的安装。最后1节钢筋笼安装就位后，用钢筋把钢筋笼焊接固定于孔口护筒。

(6）混凝土浇注。钢筋笼安装好之后应进行混凝土浇注。边桩及柱下桩基混凝土采用C30混凝土。混凝土运输采用泵送形式，坍落度为160～210 mm。浇注混凝土前应先检查成孔和钢筋笼质量，混凝土一次浇注完成。水下灌注采用Φ219 mm钢管，管节连接应严密、牢固，使用前应试拼，并进行隔水栓通过试验，导管底端距孔底应保持300～500 mm。混凝土浇注过程中导管埋入混凝土深度应保持2～3 m，并边提升边拆除，导管吊放和提升不得碰撞钢筋笼。混凝土浇注至桩顶设计标高处的混凝土强度应满足设计要求，设计标高处不得有浮渣、淤泥等，柱下桩基浇注时应注意钢管柱调平螺杆的预埋，以便于后期施工。

表1　泥浆控制指标

(7）后注浆施工。注浆管采用带有丝扣的Φ32 mm的钢管，单节长2.5 m，用铁丝将注浆管与钢筋笼绑扎在一起，每节注浆管用铁丝绑扎5道确保牢固，每节连接完成后上端用棉纱进行封堵，防止泥浆流入。桩孔内的3根注浆管分别穿过荷载箱上下2个平面上预留的孔洞，与桩底齐平，注浆管底部注浆头低于桩底20 cm。每节注浆管与钢筋笼分节长度相同，注浆管随钢筋笼分节安装，钢管用管箍连接。后注浆工艺及质量控制：①注浆技术参数，采用PO42.5级普硅水泥，水灰比为0.6～0.75；严格按设计注浆，单桩设计注浆量为4 000 kg，实际注浆时需大于或等于设计注浆量，注浆速度50～75 L/min；②注浆施工，注浆采用2SNS型高压注浆泵并配以YJ340型泥浆搅拌机，总功率14 kW。采用桩端与桩侧同时注浆，注浆宜在成桩后2～30天内完成。注浆时，先把地面注浆系统与桩孔内3根注浆管的第1根连接，将第2根注浆管堵丝打开，对第2根注浆管压入适量清水，冲洗桩孔底内注浆腔室，待第2根注浆管内出清水后，开始对第1根注浆管注入水泥浆液，待第2根注浆管流出水泥浆液时，停止注浆，将第2根注浆管堵丝堵上，再对第1根注浆管继续注浆，待压力达到1.5 MPa时，稳压15 min左右，用堵丝堵上第1根注浆管，将地面注浆系统接入第3根注浆管二次注入水泥浆液，压力达到1.8～2 MPa时，稳压15 min。

图1　实际地层卵石情况

图2　复合钻头

图3　钻机支腿垫实

图4　钻杆垂直度测量

图5　检测泥浆比重

图6　检测泥浆稠度

2.2施工重点及措施

(1）地层与详勘报告不符，卵石粒径较大。详勘报告显示，卵石-9层最大粒径140 mm，卵石-11层最大粒径150 mm。实际成孔显示，卵石含量大，粒径多为250～350 mm，个别最大长度530 mm（图1）。由于钻杆直径为Φ219 mm，且管路弯头较多，极易产生堵管。为适应大粒径卵石地层钻进施工，需多次改进钻机钻头。黏土层采用筒钻施工较为合适，但卵石层采用筒钻施工进度较慢，宜采用三翼钻头，综合二者优点采用复合钻头更为适合（图2）。

(2）控制钻孔垂直度，保证桩体不侵陷主体结构。边桩及中桩打设深度深（边桩标准段24 m、中桩标准段31 m)，成桩地层50%为卵石，如何控制钻孔垂直度，保证桩体不侵陷主体结构是施工控制的重点。为保证施工钻孔垂直度，钻机定位时须将钻机液压支腿底部垫上工字钢或大方木，并保证钻机水平，钻孔口平台用方木或木板垫平，用钢管及丝托将钻机与导洞初支顶实，减小钻机施工时引起的晃动，钻进施工中钻进每3节钻杆进行1次钻杆垂直度测量，并及时矫正钻机，保证钻孔垂直（图3、4）。

(3）控制钻孔过程中塌孔，减小塌孔对临近边桩造成影响。由于两相邻边桩间距较小（标准中心间距1.25 m），50%位于卵石层，施工过程中易产生塌孔，影响临近桩体施工，特别是钢筋笼安装之后的塌孔，易产生断桩，塌孔还易造成主体导洞底板下产生孔洞，对初支稳定及地面沉降带来一定风险。为此，施工过程中要严格控制泥浆比重和泥浆稠度（图5、6），按时对泥浆比重及稠度进行监测，如果不符合要求应及时补充泥浆，确保泥浆护壁满足施工要求。护筒周围用黏土填封紧密，钻进中及时添加新鲜泥浆，使其高于孔外水位；遇流砂、松散土层时，适当加大泥浆密度，不要进尺过快，空转时间过长；下钢筋笼时精确定位，严禁下钢筋笼过程中碰到孔壁；成孔完成后在条件允许情况下尽快下放钢筋笼，并及时浇注混凝土。对轻度坍孔，加大泥浆密度和提高水位，对严重坍孔，用黏土回填投入，待孔壁稳定后采用低速钻进。

(4）控制沉渣厚度。本标段地层复杂、成桩深度长，且机械成桩施工工艺复杂，安装钢筋笼时间长，控制沉渣厚度保证成桩质量是确保车站承载要求的控制重点。钢筋笼及钢护筒放置前，分别测量桩长，若沉渣量过多不能满足设计要求时，则采用二次清孔及筒钻捞渣方式清孔，也可通过预留注浆管对孔底吹风。

(5）保证成孔功效，确保工序时间。洞内机械成孔类似工程经验少，洞内空间有限，且施工多为大型设备，无法保证流水作业。施工前应做好施工筹划，充分考虑各种施工因素，保证人员及钻机数量，确保流水作业，提高每道施工工序的施工速度，将工序衔接紧密，保证成孔效率。

(6）控制混凝土超方。由于钻孔较深，钻杆钻进越深摆动幅度越大，成孔孔径就越易变大，造成混凝土浇注超方。同时，由于卵石粒径较大，钻进过程中会将卵石部位岩体剥落，造成施工过程中的塌孔，根据实际统计，机械成桩平均混凝土浇注超方33.3%。混凝土的超方控制首先要防止塌孔，控制钻杆垂直度，提高钻杆刚度，减小钻杆摆动幅度，控制孔径。

3　结束语

暗挖施工洞内机械成桩技术的成功应用，有效解决了前期降水困难、施工受阻的困境，是对常规PBA工法工序的优化，采用洞内机械成桩嵌入地层取代条基桩工艺可缩短整个工程工期、降低工程造价。目前，该工法适用于砂卵、黏土地层，随着该工法对机械设备及后配套设备的进一步改进，机械成孔的时间将进一步缩短。洞内机械成桩对硬质岩层的适应性，还有待于做进一步的实践和研究。

参考文献：

[1] JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2008.

[2] DB11/995-2013 城市轨道交通工程设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2013.

[3] GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2010.

[4] GB50299-1999 地下铁道工程施工及验收规范[S]. 北京：中国计划出版社, 2003.

责任编辑 朱开明

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

中图分类号：U445.55