离散抛石堆积层长套筒配合筒钻清障施工工况分析

杨天鸿

（杭州市钱江新城建设开发有限公司，浙江 杭州 310012）

1 工程概况

沿江大道（观潮路—和睦港）地下综合管廊工程Ⅰ标位于杭州市钱江新城二期扩容区块内，管廊设计基坑呈长条形，开挖长度约2160m，一般段基坑开挖宽度为10.3～10.7m，开挖深度为5.0～16m，且基坑附近有需严加保护的D2400mm污水管，基坑等级为一级。基坑围护根据开挖深度分为φ800mm与φ1000mm钻孔灌注桩（桩长16～26m）、SMW工法桩、厚度80cm的地下连续墙3种围护方式。该项目地勘报告详勘揭露显示，拟建场地内6～14m处存有埋深深浅不一的抛石层，最大层厚约3m，块石粒径为25～50cm，如图1所示。障碍物对围护结构钻孔桩、三轴搅拌桩止水帷幕与坑底加固及地墙施工形成障碍。由于抛石堆积层软硬不一、岩块强度大，抓斗在遇到密集抛石的时候会无法正常张闭斗，进尺困难；若使用截齿筒式钻斗钻进，抛石层块状物不易破碎，大于钻斗进土口的块状物不能进入筒内，钻进效率很低；若用螺旋钻头钻进，钻杆摆动严重，无法钻进，且容易发生混凝土浇筑超方，造成大范围鼓包及侵入红线。为了克服该困难，施工单位采取了长套筒护壁配合钨钢齿筒钻头的方式进行清障施工。最后，钻进平稳，大部分块状物不需切削，提钻时抱爪将其抱住提出孔外，下放钻杆，其正转然后提钻，块状物全部掉出，钻进效率较高，成孔速度明显加快，日成桩5根左右。

2 清障施工方法

首先采用旋挖钻机配稍大口径的螺旋钻头钻开孔，钻至障碍物层顶部；提出钻头后，用打拔桩机将钢护筒打入抛石层，更换特制钨钢齿筒钻下钻清土并清除障碍物，用筒钻切割土体，用液压抱爪将钢护筒内土石抓出；清障完成后，注入护壁泥浆，更换截齿筒式钻斗正常钻进，如图2所示。

2.1 开孔

旋挖钻机开孔时采用螺旋钻头开孔，开孔深度为2～4m，具体视土质、水位及土体自立情况而定，如图3所示。开孔的作用是粗略定位，确保套筒能够垂直准确打入桩位，因此，在下钻及提钻过程中必须保证水平位置精确和和垂直度，以较小的进尺和更多的螺旋来钻进。钻进过程中，螺旋钻头若遇到浅层零散碎砖，并不受影响；若遇到体积较大的石块，钻头会发生剧烈抖动，此时停止钻进。提钻时要保持垂直，不要接触到孔壁，保证钻孔均匀。

图1 地下障碍物示意图

图2 清障流程图

图3 旋挖钻机螺旋钻头开孔图

2.2 套筒振动下沉及接长

钢护筒可以穿过碎石之间的空隙，并在钻进清障的过程中起到支护孔壁的作用，如图4所示。护筒为钢质桶式结构，长度为4～12m不等，必要时要根据钻进的深度情况进行焊接接长。钢护筒打拔作业采用振动锤打拔机进行，施工中多只钢护筒轮流重复使用。钢套筒在测量仪器监测下调整其垂直度，由打拔机缓慢下压，下沉过程中，通过仪器全程监控垂直度，及时调整，确保长钢套筒垂直打入。遇到钢套筒打入困难未全部打入的情况，用旋挖钻机掏除筒内及筒底的碎石，掏除后用打拔机继续打入护筒。

图4 长钢护筒打拔作业

2.3 筒内清障及筒底清障

套筒下沉到位或者受阻无法下沉时，采用自带的钨钢锥齿的筒钻清障，利用桩机冲击力和钻头扭矩磨裂碎石，在护筒的护壁作用下，再用筒钻上的液压抓斗抓出钢护筒内物体。筒钻样式如图5所示。

图5 钨钢筒钻

2.4 泥浆护壁后正常钻进

正常钻进采用齿筒式钻斗成孔。若围护结构为三轴搅拌桩或地下连续墙，抛石全部清除后一边拔除钢护筒，一边回填素土，钢护筒全部拔除后，素土同时填到地面。若是钻孔桩，在清障后加入泥浆并更换截齿筒式钻头成孔至桩底标高。

2.5 套筒的拔除

桩基混凝土浇筑完成后，钢护筒不能马上拔出，否则混凝土会散流开。必须等到混凝土能够自立，不具备流动性之后再拔除，但为了不让混凝土出现裂缝、断桩、抱死等情况，需要在初凝前拔出。

3 关键工况分析

3.1 土体内岩石分布及障碍物受推挤工况

土体的抛石位于粉土夹粉砂层中，碎石块直径为5～60cm不等，石块含量为10%～60%，在石块间间隙中填有黏土，层厚最高达3m。为简化工况，碎石块统一按照32.5cm直径和35%体积占比考虑，石块设定为最不利的球型。各障碍物及编号如图6所示。

图6 土体障碍物分布示意图（单位：m）

钻头或者套筒穿过抛石层时，会遇到3种情况：（1）护筒从障碍物石块之间的缝隙中穿过，如套筒从①、⑤、⑨、⑭号障碍物边缘擦过后沉入，振动沉入过程中只遇到土体；（2）护筒将障碍物石块挤开，如套筒会将③、⑪、⑫号障碍物挤到套筒外侧，将⑮、⑰号障碍物挤入套筒内部；（3）挤压过程中，障碍物在粉土夹粉砂土层中产生幅度不等的位移，并受到土体反力影响，如图7所示。

图7 障碍物位移示意图

在障碍物位移较小（贯入10cm以内）的情况下，可以取用地质勘察报告中粉土夹粉砂层中的桩端土端阻力特征值700kPa，计算得到障碍物移动时在土体中的阻力为700000×3.14×0.325×0.325÷4≈58kN。假设套筒到③号障碍物，触碰点位于障碍物中心水平向上35°的位置，则其竖直分力为116×sin35°≈33kN，水平向分力为116×cos35°≈47kN。其水平分力向套筒传递，受拉破坏点就是护筒与障碍物之间的接触点，根据套筒壁厚（2cm）和直径（110cm），可以计算得到套筒可以承受的水平集中力为215000000×（0.2×0.023÷12）÷0.01÷2÷0.55×2≈5.2kN，远小于47kN。在此工况下，若套筒强行下沉，将造成钢护筒扭曲。在不损害套筒的情况下，计算出被挤推的障碍物的最大直径仅为。

但实际施工中发现，钢护筒远没有想象中那么容易被破坏，10次中9次都可以将套筒顺利沉入并穿过碎石层，而套筒的变形并不影响钻头的下放。因此，可以判断出套筒可以推挤的石块远比9.7cm大，在套筒允许变形范围内。在现场实际应用中直径35cm以下障碍物可以被挤推至套筒以外，并且护筒变形不大，依旧能提供钻头下放和提升的空间。护筒不容易被破坏的原因是护筒内外都填充有土体，在受到障碍物石块挤推的过程中，除了钢套筒本体的承载力，护筒内外土体同样提供了挤推障碍物的反力，护筒变形后，内外土体会提供反力来维持套筒形状，极大提升了钢护筒的抗变形承载力，如图8所示。

图8 钢护筒挤推障碍物时受到的土体反力剖面及平面图

在竖直方向，根据振动锤的工作参数，其可提供的额定激振力足以提供最深12m范围内护筒的摩擦阻力及障碍物竖向挤推力，只需考虑障碍物竖向挤推力对护筒筒的破坏。其破坏点也是护筒与障碍物的接触位置，破坏形式为最常见的是受压屈曲破坏。

3.2 筒内及筒底障碍物清障

当套筒遇到35cm以上障碍物，或套筒与障碍物的接触点靠近形心时，护筒振动下沉的速度明显变小时，需要进行筒内清障，将筒底“卡”住套筒的障碍物“翘落”“切削”或“挤推”。相对于钢护筒，筒内清障使用的是筒钻清障，不但和套筒一样可以将障碍物挤推开，而且由于钨钢锥齿筒钻的结构强度远大于套筒，旋挖机可以提供180kN的下压力和280kN·m的钻头扭矩，因此筒钻可以对遇到的石块进行破碎和切削，同时完整取出筒内的石块。

钨钢筒钻清障工况示意图如图9所示。当筒钻掘至阻碍套筒下沉的⑰号障碍物上方，通过扭矩和下压力可以磨裂或挤动障碍物。障碍物顺利开裂后，筒钻得以继续下钻，下钻的同时会将筒钻外侧障碍物继续外挤，筒钻内侧的障碍物则顺利进入筒内；之后夹板合拢，将碎石连带土体一起取出；筒底清障完成后，套筒继续下沉，直到穿越碎石层。

图9 钨钢筒钻清障工况示意图

实际施工中还要注意，如果套筒受到障碍物挤压变形过大，那么筒钻下放时要保证钻头旋转，利用钻转过程中的外扩力，纠正套筒形状。必须等到钻头旋转不再被护筒卡住时，方能继续下钻，否则在提起时，容易卡钻。因此，护筒下放时，要避免硬压而导致的护筒变形过大。

4 结束语

通过长套筒配合筒钻清障，能够减少混凝土超方，确保基坑外壁平直。经过监测分析，该方法对土体造成的扰动较小。该方法适合碎石块直径为5～60mm不等、石块含量为10%～60%、呈现离散分布的地层。