地铁富水大直径卵石地层隧洞内机械成桩难点及对策

李 栋

(中铁十四局集团有限公司，山东济南 250014)

近年来，北京市对地下水资源保护意识逐年增强，对地下水的抽排严格限制，与此同时采取了一系列回灌措施，使地下水位明显上升。这给地铁运营单位带来严峻的考验。如何保证运营线路不渗水、不漏水成为困扰运营单位的难题。此外地下水处理成为地铁车站建设中面临的重大难题。尤其是对暗挖车站，采用传统的上下层导洞PBA工法无法实施，车站下层导洞开挖及桩柱施工因其全部位于地下水中，部分甚至进入承压水，无法采用人工实施。因此取消下层导洞，采用洞桩法施工成为解决该问题的首选方案。

有限空间内在富水、卵石多、粒径大的地层中进行机械成孔，综合考虑作业空间、机械设备动力、成孔工艺等多方面因素，目前只有反循环工艺能满足要求。这方面国内外有不少成功的实例，如北京地铁15号线大屯路站，沈阳地铁2号线崇山路站，北京地铁16号线苏州街站、二里沟站等，洞内机械成桩最大直径达2.08 m，深度达33 m，为洞桩法积累了丰富的经验。但是在富水、卵石多、粒径大地层机械成桩过程中也会面临成孔难、易塌孔、精度难以控制等难点。如何在洞桩法施工过程中对存在的各种难点制定有效对策，确保洞桩法施工工序衔接紧密，减少无效时间，规避各类安全质量风险值得深入研究。本文以北京地铁16号线苏州街站为工程背景针对此予以探讨，旨在为后续类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程设计情况

苏州街站为16号线(新建)与10号线(既有)换乘站，为双层岛式站台车站，双柱三跨框架结构，覆土约14 m，轨面埋深约30 m，初步设计采用上下层8导洞PBA工法实施。进场后施工竖井开挖过程中实际揭露地层及地下水情况表明，主体下层导洞及桩柱全部位于地下潜水位以下。此外，该车站地处中关村，位于苏州街与海淀南路十字交叉路口处，周边多为商业写字楼且距离车站较近，地下存在多条市政管线，地面降水施工条件苛刻，多种制约因素导致地下水处理极为困难，车站下层导洞及洞桩施工无法再采用传统的人工开挖。经过方案比选对主体双层段方案进行了调整，由初步设计的上下层8导洞PBA工法调整为洞桩法。

方案调整后，取消了下层导洞，桩柱自上层导洞底板采用洞内机械成孔，规避了地下水处理的难题。方案调整后边桩设计参数如表1，中柱设计参数如表2，方案调整前后主体双层段断面见图1。

表1 边桩设计参数

1.2 水文地质情况

车站主体结构拱顶位于卵石⑤层，底板位于粉质黏土⑧层或黏土⑧1层;边桩及中桩钻孔自上而下依次为卵石⑤、粉质黏土⑥层、卵石⑦层、粉质黏土⑧层、粉土⑧2层、卵石⑨层、卵石[11]层(边桩未嵌入该层)。钻孔施工各地层长度及所占桩长比例见表3。

表2 中柱设计参数

图1 方案调整前后主体双层段断面示意

共勘测到2层地下水，分别为潜水、层间水～承压水，其地下水水位特征见表4。

表3 钻孔施工地层参数

表4 地下水水位特征

2 洞桩法施工工艺

反循环施工工艺原理为从钻杆外将泥浆注入孔中，钻孔，用真空泵将钻渣从钻杆中吸出。洞内反循环工艺机械成桩流程见图2。

图2 洞内反循环工艺机械成桩流程

3 洞桩法施工难点及对策

洞内反循环机械成桩由于工序较多且为泥水作业，洞内作业空间有限而增加了施工难度，加之本车站边桩穿越地层以大直径卵石为主(平均粒径20～30 cm，最大粒径达53 cm)，导致在施工过程中出现了各种难题，项目技术人员针对每个难题进行了深入的研究，提出了各种针对性的对策。

3.1 成孔困难

苏州街站洞内机械成桩需穿越卵石⑤层、卵石⑦层、卵石⑨层，中柱甚至需达到卵石[11]层，边桩穿越卵石地层的比例约占总体穿越地层的57.08%，中柱穿越卵石地层比例达66.78%，且卵石地层中卵石含量高达75%，卵石粒径最大达53 cm，给机械成孔造成了极大的困难。

传统反循环成孔工艺一般采用三翼钻(图3(a))和筒钻(图3(b))两种类型的钻头。三翼钻外形呈锥形，有三个翼板，每个翼板上设置若干金刚齿钻，在一般砂卵石地层、黏性地层及砂层中，通过转动、下压，将钻渣旋转到钻杆中，通过真空泵抽出，达到成孔目的。其特点是无需频繁安拆钻杆，成孔快，塌孔风险低。筒钻外形呈筒形，在卵石含量多，粒径大，采用三翼钻钻进困难时采用筒钻成孔。其特点是需频繁安拆钻杆，占用大量的时间，塌孔风险高。

洞桩施工伊始，采用传统工艺进行施工，待钻入卵石⑨层后，成孔异常困难，进尺缓慢，时常出现卡钻、堵管等现象。边桩成孔时间平均15 h，最长时间达40 h，其中约2/3的时间为卵石⑨层的钻进时间及卡钻、堵管的处理时间。中柱由于直径较大，成孔平均时间约180 h，最长时间达235 h，其中约2/3的时间为卵石⑨层、卵石[11]层的钻进时间及卡钻、堵管的处理时间。如此长时间的钻进，带来了极大的塌孔风险。

针对此难题，项目部会同专业队伍、钻头加工厂家进行了深入研究，在充分集合三翼钻与筒钻两者优点的基础上研发出了复合钻头。从外形上就可以看出该钻头是由两种传统钻头结合而成(图3(c))，在各种地层中均适用。该钻头既克服了三翼钻在卵石地层中钻进难的缺陷，又克服了筒钻需反复安拆钻杆的缺陷，大大提高了成孔效率，降低了塌孔风险。采用改进的复合钻头后，边桩成孔时间缩短至平均约8 h，中柱约80 h。

图3 钻头形式

3.2 钢筋笼对接难度大

在地面采用各种成孔工艺成孔后，钢筋笼的安装难度较小，可在地面整体加工吊装，或者分节加工，地面拼装，整体吊入孔内。即使采用分节吊入、孔口拼装，由于地面作业条件好，钢筋笼对接次数有限，通过焊接即可实现。但在暗挖车站导洞内，由于导洞空间有限(净宽4.0 m，净高4.8 m，边桩中心部位净高仅4.5 m)，加之洞内吊装机械本身要占用一定的高度，钢筋笼无法像地面那样整体加工，需分节加工，且每节长度仅为2.5 m。这就意味着边桩平均长度按25 m算，钢筋笼需要分10节加工，需要在孔口进行9次对接，若都采用焊接连接，每根边桩共有16根主筋，因为均为立焊，焊接时间较长。每次对接按照1.5 h计算，则每根边桩仅对接时间就要13.5 h，加上吊运时间每根边桩完成钢筋笼安装时间需要约15 h。在这15 h内由于孔内泥浆不是处于循环状态，而是处于沉淀状态，长时间的沉淀会使泥浆失去护壁作用，导致塌孔。

针对此难题，项目技术人员对各种钢筋笼对接技术进行了广泛的调研。通过焊接、普通套筒、正反丝套筒、分体式套筒及墩粗工艺各种连接技术的比对(见表5)，从可行性、可操作性、工效等多方面比选后，最终确定了适合洞内有限空间内钢筋笼对接的墩粗工艺连接方案，成功解决了此难题，大大提高了现场钢筋笼对接工效。采用墩粗工艺连接后，边桩钢筋笼对接时间控制在5 h左右。

3.3 地层孔隙大，桩底注浆难

由于本车站埋深较大，拱顶覆土厚度约14 m，轨面埋深达30 m，为提高桩柱承载能力，在桩底进行注浆。按照设计要求，在边桩施工完成后对桩底进行压浆，浆液采用水泥浆，由于桩底所处地层为卵石⑨层(中柱桩底位于卵石[11]层)，地层孔隙大，注浆施工过程中发现无论压注多少浆液都无法达到设计及规范要求的注浆终压，注浆终压均为0。

表5 钢筋笼对接工艺比选

针对此现象，会同建设、设计、监理单位进行了深入研究，制定了一系列的注浆试验方案，如全部压注水泥—水玻璃双液浆、全部压注水泥浆、先注水泥—水玻璃双液浆再注水泥浆等方案。通过试验，最终找到了能达到注浆双控指标(注浆量、注浆终压)的方案，即先注水泥—水玻璃双液浆再注水泥浆。先注水泥—水玻璃双液浆可在桩底局部形成一个保压的区域，再压注水泥浆后即可确保浆液不会顺着地层孔隙流失，从而达到提高桩底承载力的目的。

4 结语

洞桩法工艺与传统PBA工法相比，不用施作下层小导洞，而是在上层导洞内机械成桩，成功规避了地下水。但是在大直径卵石地层中，有限空间内机械成桩由于作业条件限制、地层复杂性等原因不可避免会出现各种难题。文中以北京地铁16号线苏州街站为例研究和探讨了成孔难、钢筋笼对接难、桩底注浆难等难题，并给出了相应的工程措施，效果良好，可为后续类似工程提供借鉴。

［1］中华人民共和国住房与城乡建设部.JGJ 94—2008 建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］郭峰.地铁车站导洞内大直径成桩装备及暗挖PBA工艺研究［J］.市政技术，2014，32(2):145-150.

［3］徐磊.富水卵石地层洞内机械成孔塌孔处理技术研究［J］.铁道建筑技术，2015(3):79-83.

［4］欧阳艳，高书军.北京地铁6号线东四站洞桩法施工工艺［J］.福建建设科技，2011(3):66-67.