硬质岩倾填石地层及嵌岩咬合桩施工关键技术研究

刘双武

摘要：在硬质倾填石及基岩表面参差不平地层施工咬合桩时，常规套管钻机穿透填石层困难，且难以切削硬质基岩，荤桩入岩成孔时极易出现相邻素桩“管涌”，故常规全套筒跟进“湿咬”咬合桩难以实施。通过对深圳地铁6号线翰林站基坑防护咬合桩进行技术研究及科研创新，提出了硬质填石地层嵌岩咬合桩“干咬”成桩法，并研究、总结了施工中的各项参数、方法及关键技术，为以后类似工程施工提供依据和参考。

Abstract： Conventional casing drilling rigs are difficult to penetrate the rockfill layer and difficult to cut hard bedrock when constructing bite piles on hard tilting rock and bedrock surface unevenness. When the piles are inserted into the rock to form hole， the adjacent plain piles are "pipebed"， so the conventional full sleeve follow-up "wet bite" bite pile is difficult to implement. Through the technical research and scientific innovation on the foundation pit protection pile of Hanlin Station of Shenzhen Metro Line 6， the "dry bite" pile method of rock-embedded pile in hard rock-filled stratum is proposed， and the parameters， methods and key technologies in the construction are studied and summarized， which provide basis and reference for similar engineering construction.

關键词：地铁车站防护;咬合桩;花岗岩;干咬;施工参数

Key words： subway station protection;bite pile;granite;dry bite;construction parameters

中图分类号：TU753.3                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）30-0163-03

0  引言

钻孔咬合桩起源于20世纪50年代的法国，我国于20世纪70年代引进该技术，并最初于1999年将钻孔咬合桩应用于深基坑围护结构。历经20年发展，钻孔咬合桩施工工艺在粉土、粉砂、粘质粉土、淤泥质粘土等软土地层运用相当成熟。但在硬质岩倾填及基岩表面不平地层，常规套管钻机穿透填石层困难，难以切削基岩，荤桩入岩成孔时相邻素桩极易“管涌”。因此，需进行技术研究及创新，提出新的咬合桩施工方法，并进行施工关键技术的深入研究，以确保本项目顺利实施。

1  工程概况

深圳市地铁6号线翰林站全长216m，两层岛式车站，标准段宽20.2m，深16m，车站紧邻周边市政道路、学校及居民区。车站主体围护结构为719根（入岩桩534根）咬合桩，桩径1m，咬合0.15m。

车站地质从上往下依次为杂填土、填碎石、填块石、素填土、淤泥质粉质粘土、中砂、强风化（砂土状、块状）花岗岩、中等风化花岗岩、微风化花岗岩。填石层厚度2～9m，填石粒径0.1～2m，填石含量约50%。基岩岩面起伏较大，岩石单轴抗压强度60～120MPa。

2  将传统咬合桩施工工艺应用于本项目的试验、研究

2.1 施工机械组合方案

结合车站地质情况，通过理论计算，传统钻孔咬合桩施工工艺在本项目的适用性进行研究。素桩采用超缓凝砼灌注，素桩初凝前成孔荤桩。施工设备按以下2种组合方案：

方案1：磨桩机+冲抓斗或旋挖钻机成孔;

方案2：DTR2005H全套筒全回旋机+冲抓斗成孔。

按方案1试施工p19、p17、p15、P18、P16共5根桩。

按方案2试施工D9号“荤桩”及d2号“素桩”共2根桩。

2.2 试桩结果及分析

①磨桩机套管不能在强度超过30MPa岩层中连续钻进。②全套筒全回转钻机转速慢、钻具单一，套管靴底钻头不能及时更换，在强度大于30～45MPa中风化花岗岩中平均钻速仅为3cm/h，工效极低，岩石强度超过60MPa几乎没有进尺。③对高强度基岩，上述2种传统咬合桩施工工艺的套管入岩效率低，套筒切削岩石能力有限，高强度岩石地层套管不能超前，“素桩”未初凝超缓凝砼涌入“荤桩”孔内，荤桩被迫终孔，无法满足“荤桩”设计孔深。故均不适用于本项目硬质岩倾填石地层及嵌岩咬合桩施工。

3  咬合桩成桩技术创新

经过理论分析、模拟计算、现场试驗及对传统钻孔咬合桩施工工艺及设备进行研究分析后提出：硬质岩填石地层嵌岩咬合桩宜采用“干咬”成孔，即先采用旋挖钻成孔“素桩”，灌注普通水下砼，待“素桩”砼达到一定强度后，旋挖钻干切相邻素桩成孔荤桩，彻底避免“管涌”现象发生。

4  嵌岩咬合桩施工机械及钻具的选型

因本项目桩基入岩深、岩石强度高（基岩单轴抗压强度达100～120MPa）。选择合适机型及并针对硬质岩选择适当钻具、钻进参数等来提升施工工效为本项目另一需解决的技术难题。

经研究分析，本项目拟根据地质钻机取芯原理进行硬岩成孔。即旋挖钻先环向切削基岩，当切削至一定深度后，通过弯、扭、拉、拔综合作用力作用在岩芯上，剪断岩芯。

先通过模拟计算确定机械选型范围，再通过现场试验合理优化。

4.1 施工机械选型

4.1.1 理论计算

①分析。

微风化花岗岩变形模量E0=12000MPa，泊松比ν=0.432。根据《岩土钻凿工艺学》文中的推荐值及相关工程经验，其组合破坏强度取：8MPa。工程实际中考虑机械振动、冲击效应;机械设备持续冲击剪切、构件疲劳等，实际剪断扭矩值会适当降低。

1m桩径的岩心直径约80cm。因此计算模型为直径D=0.8m，高H=1m圆柱体，底部固定，在其顶部施加竖直Z轴拉力F和绕Z轴扭矩T，计算在岩体在受拉和受扭的组合变形下，该模型的破坏荷载。

根据不同旋挖钻机主卷扬的提升力大小，按拉力F分别为50kN、100kN、200kN计算3种工况下模型发生破坏的扭矩T。

②计算过程。

1）理论计算：根据材料力学，选用第四强度理论进行计算。2）有限元计算：采用通用有限元软件Abaqus进行计算，选取实体单元建立模型（如图1）。其中工况一（拉力F为50kN）mises应力云图如图2所示。

③计算结果。

计算结果见表1。

4.1.2 机械配置

根据计算结果选用SR-360、XR-1050，XR-460型旋挖钻机进行试桩，深入探究嵌岩咬合桩施工工效及施工机械的适用性。

4.1.3 不同型号旋挖钻机钻进工效研究

为探究不同型号旋挖钻机钻进工效率，对强度30MPa～60MPa中风化花岗岩E、N、M、L型桩试桩实验。

①不同旋挖钻机钻速试验结果。

1）XR-460D旋挖钻机最大钻速0.79m/h，最小钻速0.7m/h。钻速在0.73m/h趋于稳定。2）SR-360旋挖钻机最大钻速0.6m/h，最小钻速0.39m/h，钻速在0.5m/h处趋于稳定。3）XRS-1050旋挖钻机最大钻速0.47m/h，最小钻速0.3m/h，钻速在0.38m/h处趋于稳定。

②机械选型。

现场实施试验数据表明3种钻机均能满足施工要求。

SR-360与XRS1050旋挖钻机购置价格基本相同，但SR-360施工工效要略优于XRS-1050。

XR-460D钻速明显大于SR-360，但是XR-460D旋挖钻机存在以下两点问题：

1）购置价格高、耗油高，施工成本高。且翰林站咬合桩总入土深度远大于入岩深度，XR-460D旋挖钻机无法最大程度发挥机械工效，获取最大经济效益。2）钻杆直径为680mm，钻杆伸缩时导致泥浆流失严重，拔出钻杆后泥浆液面常低过护筒底部，无法有效护壁，易塌孔。

结论：对比3种钻机钻速、工效、效益，SR-360旋挖钻机成孔？覫1000mm嵌岩咬合桩为首选。

4.2 嵌岩咬合桩施工钻具的选型

4.2.1 施工钻具的选择

硬质岩桩施工时机械、钻具磨损大。合理选择钻具能加快施工进度，减少机械磨损，提高经济效益。硬岩掘进钻具类型包括截齿钻和牙轮钻（如图3）。

4.2.2 理论分析

①截齿钻。

截齿钻合金钻头对岩石产生剪切破坏而钻进。剪切破岩时，截齿既要受到钻具旋转时运行阻力，又受加压荷载压入阻力，因此需合理布齿，探究截齿最优切入角度，使齿间相互为对方创造自由面，确保高效破岩。

现场截齿磨损试验表明。切入角45～60°时截齿磨损严重，且合金钻头利用率低。切入角度20～45°时截齿更换频率较慢且钻头利用率高。因此，岩层强度大于60MPa微风化花岗岩中截齿切入角宜20～45°。

②牙轮钻。

牙轮钻的牙轮掌既能绕钻杆柱公转，又能绕牙掌心轴自转，其转动是以阻力较小的滚动形式进行，所以能承受较大钻压。牙轮钻头与孔底岩石接触时，牙掌上合金镶齿与岩石接触面积小（成支点接触），容易获得较高单位轴心压力，以利压碎岩石。牙轮转动时除受钻柱轴心压力外，还受到因回转时锥中心高度变化而产生的冲击载荷作用，提高了碎岩效果。且牙掌镶齿在孔底滚动交替碎岩，有效提高钻进效率，降低钻具磨损率，提高钻头寿命。

4.2.3 不同钻具钻进工效研究

为研究不同钻具钻进工效，分别进行强度30～60MPa中风化岩层及60～120MPa微风化岩层钻进速度的试验研究。

①30～60MPa中风化岩层中钻进施工。

1）截齿钻施工7根桩，钻岩27.09m，损坏钻头34个，平均每钻进1m损坏1.3个钻头。2）牙轮钻施工7根桩，钻岩9.3m，损坏牙轮钻1个，基本无损耗。3）截齿钻平均钻速约0.69m/h，牙轮钻平均钻速约0.35m/h。

施工工效对比：在强度30MPa～60MPa的中风化岩层中，使用截齿钻的钻速、施工效益均远超过牙轮钻。

②60MPa～120MPa岩层中钻进施工。

1）截齿钻施工4根桩，钻岩2.5m，损坏钻头37个，平均钻进1m损坏15个钻头。2）嵌岩牙轮钻施工8根桩，钻岩10.1m，损坏牙轮钻3个。平均3～4m耗费1个钻头。3）牙轮钻平均钻速0.17m/h。截齿钻钻速极慢且钻具耗费严重，因此仅施工了3根桩，钻进速度0.1m/h。如图4。

③施工工效对比及总结。

1）强度30MPa～60MPa岩层中钻进时，截齿钻施工工效、经济效益均远超牙轮钻。2）强度60MPa～120MPa岩层中钻进时，截齿钻速度慢且钻具损耗严重，牙轮钻钻速较截齿钻快、磨损较小、经济效益超截齿钻。3）在咬合桩施工前认真研究分析地质详勘资料、补勘资料，了解不同部位地质情况，若强度为30～60MPa中风化花岗岩层，使用截齿钻能最大提升施工效益。若强度60MPa岩层，则使用牙轮钻更经济，为最优施工钻具。

5  嵌岩咬合桩施工参数选择

翰林站基岩强度高达120MPa，如此强度岩层，正确选择施工参数会大幅降低机械及钻具磨损，提高施工进度及经济效益。

5.1 理论分析

XR-360旋挖钻机具有钻孔转速及扭矩自适应控制技术功能。即根据不同地质对钻杆施加压力产生的阻力情况，能够利用自适应控制技術功能动改变动力头转速及扭矩，最大限度地提高钻进效率。

旋挖钻机钻进时不同压力对应不同转速。压力越大，钻机的输出扭矩越大、动力头转速越小。由于牙轮钻钻头既能绕钻杆柱公转，又能绕牙掌心轴自转，其转动是以滚动形式进行，运转阻力较小，因此所需扭矩较小，而为保证掌心轴承的使用寿命，牙轮钻头不能承受过大的钻杆压力及动力头转速。

因此下文中仅对截齿钻所需的工作参数进行对比。探究不同工作参数对旋挖钻机施工钻进速度的影响。

5.2 不同工作参数钻进工效研究

选取3组微风化花岗岩中钻进，进行截齿钻试桩试验，如图5。

①由图5可得，当钻杆压力5.5～6.6MPa时平均钻速0.35m/h。钻杆压力7.5～9.5MPa时平均钻速0.45m/h。钻杆压力10～11.6MPa时平均钻速0.52m/h。因此钻速与钻杆压力及输出扭矩大小成正比，与动力头转速成反比。

②试验表明，随着钻杆压力增加，截齿钻钻头耗费也逐渐增多，噪音也越大。钻杆压力5.5～6.5MPa时每米耗费钻头4.15个，噪音在94～96分贝之间。钻杆压力7.5～9.5MPa时每米耗费钻头5.43个，噪音提升至98～102分贝。钻杆压力10～11.6MPa时平均每米耗费钻头7个，噪音变为104～110分贝。即钻杆增压越大，更换钻头越频繁，更换钻头时间越多，施工噪音越大。

③分析表明，钻杆压力在7.5～9.5MPa时，既能保持一定钻进速度，又能适当减少钻具损耗，施工效益最好。

6  结束语

依据上述研究成果组织本项目的咬合桩施工，并根据不同地质情况，记录不同施工参数对旋挖钻机施工工效的影响，选择最优施工参数，确保了施工进度及质量，保障了施工效益。

参考文献：

[1]左文荣，洪明坚.旋挖硬切割法施工咬合桩在深基坑支护工程中的应用[J].福建建筑，2015（6）.

[2]陈飞林.高强度花岗岩中大直径钻孔灌注桩施工技术[J].施工技术，2014（1）.

[3]汪永兴.硬切割咬合桩在新延安东泵站工程中的应用[J].山西建筑，2014（17）.