全回转CD机清障技术及应用研究

赵子红

摘要：随着城市化进程加快，在既有城区建设工程桩、地下通道等基础隐蔽工程时，会碰到原有废弃的混凝土桩、块石基础、管道等地下障碍物影响正常施工，因此施工前必须探明并及时清除这些障碍物。本文结合临沂城区滨河路地下通道工程清障施工工程实例，分析研究了全回转CD机处理地下障碍物的技术要点，提出了施工控制的关键技术问题，可供设计、施工、监理、质量控制等技术人员参考借鉴。

关键词：全回转CD机  地下工程  清障技术  应用研究

Research on Obstacle Clearing Technology and Application of Full Rotary CD Machine

ZHAO Zihong

（Linyi City Management Bureau Municipal Management Service Center， Linyi， Shandong Province， 276000 China）

Abstract： With the acceleration of the urbanization process， in the construction of piles， underground passage and other concealed foundation works in the existing urban areas， the original abandoned concrete piles， stone foundations， pipes and other underground obstacles will affect the normal construction. Therefore， these obstacles must be detected and removed in time before construction. Combined with the example of obstacle removal construction of Binhe Road Underpass project in Linyi City， this paper analyzes and studies the technical key points of treating underground obstacles with full rotary CD machine， and puts forward the key technical problems of construction control， which can be used as a reference for technicians in design， construction， supervision and quality control.

Key Words： Full-back CD machine; Underground engineering; Removal technology;  Application study

1工程概況

临沂市位于山东省东南部，沂河、祊河穿城而过，建成于2005年前后的“两河四岸”的滨河路工程城区段长度约100km。近年来，为方便通行，沿滨河路改扩建了多处下穿通道。通道改建工程地处河边狭长地带，地下水与河水相通，致使该区域地下水位较高，水压力较大。同时改建通道距离周边建筑物及市政管线较近，根据历史寻访记录和地质勘探资料，多处地段存在地下障碍物影响新建工程施工，受施工现场影响，常规大开挖等施工方法无法满足施工场地要求。经多方案技术、经济可行性分析论证，最终确定采用全回转CD机地下清障技术清除地下障碍物。

2工法原理

地下清障工法的类型很多，名称也很多，如RT工法、超级工法、全回转CD工法、MACD工法等。针对地下埋深较深，普通开挖无法实施的废弃障碍物，主要采用全套管全回转旋切钻机（即全回转CD机），其主要施工原理是利用旋切钻机回转的强大动力产生的压力和扭矩驱动钢套管回转360°，同时将钢套管压入地下造孔。驱使钢套管管口的合金钻头对土壤、岩石、混凝土块及金属物体等障碍物切削破碎，之后用液压冲抓斗将钢套管内破碎障碍物清出，利用钢套管护壁作用，保护周围临近基础不受扰动，确保清障工作在钢套管内顺利完成^[1]。全回转旋切钻机功率极大，可切碎钢筋、混凝土、块石等坚硬物体。全回转工法使用的钢套管，则根据工程清障范围的需要，直径最小0.8m，最大可至3.0m。

3工程施工

3.1改建通道和清障

改建通道工程位于沂河岸边，地下水位较高，随着深度的增加存在一定的水压力。根据历史寻访记录和地质勘探资料，沿途基坑内多处存在废弃的防汛抛石、混凝土块、引水管道等形成地下障碍物，主要是河道原防汛墙的块石基础、混凝土管道和建筑物桩基等，埋深在7～11m，且有部分障碍物正好位于通道主体结构下。同时改建通道距离周边建筑物及市政管线较近，最远处不超过3m，有的地方几乎紧邻建筑物，常规清障方法无法应用于本工程。经多方案技术、经济可行性分析论证，最终确定采用全回转CD机地下清障设备清除地下障碍物。

（1）详勘确定障碍物。对于施工现场地下管线比较复杂的地段，清障前需要在清障区域开挖管线样槽，查明障碍物现状情况，如有管线，要明确是否报废才能进行施工^[2]。在考虑未知清障工作量较大的情况下，采用150型地质钻机对地下障碍物进行详细勘探，根据详勘资料确定障碍物清除范围。勘探孔位呈梅花形布置，延长米方向间距1.0m，探障深度为6～16m。

（2）布置清障孔位。遵循先探后清的要求，对暂时没有发现障碍物的区域再进行加密补探。清障孔位根据边墙厚度布置，地下墙厚小于0.8m的采用1.8m或2.0m单排清障套管（搭接800mm）施工，地下墙厚大于0.8m的采用1.5m双排清障套管（搭接400mm）施工。

（3）设备就位。由于CD机整套设备重量较大，且工作时受力较大，因此施工前要采取工程措施，提高地基承载力，使场地具有足够的承载力来满足施工设备安全稳固的要求^[3]。由测量人员精确放样清障孔位，用100t履带起重机固定安装定位钢板，将35t回转钻机固定在底板上，在回转钻机上套上反力架，然后将100t履带起重机压在反力架上，起到稳定回转钻机的作用。钻机就位后要随时观察和调整水平度，确保施工时套管垂直度不低于1/300。

3.2套管压入和钻进

（1）放入端部套管。用100t履带起重机将10m长套管对准回转钻机中心放入，首节套管对整孔的垂直精度影响较大，必须精准压入。第一节套管顶部安装合金钻头，可以随着套管压入旋转切削破碎障碍物。首先让主夹盘抓住钢套管，再将钢套管前端插入辅助夹盘，推力油缸收缩放下钢套管，要防止钻头碰撞辅助夹盘，确保夹紧套管在起重机将钢套管吊起悬空状态下尽快完成。

（2）套管自重压入。发动机调整盘调至“6”时为高速状态（速度调整盘为“10”时为低速状态），回转速度为中等，向左调整液压动力钻的“压力调整盘”，调整液压回路在打开状态，保持“压拔按钮”处于“压入”状态，此时推力油缸不供油，完全由钢套管自身重力驱使推力油缸下降到的最大行程。为了不扰动套管周边地基，防止造成钻机下方地基松动坍塌，初期插入时要更多地利用套管自身重力下压，尽量不要让套管上下运动。只有当自重压入且速度逐渐变慢时，才可增加机械压入力^[4]。

自重压入力的计算公式为：

压入力（自重）F=钻机（部分）自重（W₁）+钢套管自重（W₂）

（3）套管静压回转。采用楔形夹紧机构将钢套管固定在回转钻机的回转支承环上，钢套管和楔形夹紧机构的咬合与松开用夹紧油缸控制。夹紧油缸向上松开时楔形夹紧机构随同夹紧油缸一同向上提升;向下收缩夹紧油缸时，楔形夹紧机构也随着油缸同步下降，从而将钢套管和回转钻机回转支承牢固咬合。用液压马达驱动钢套管回转，将主动小齿轮动力由从动轮传递到回转支承外圈的环形齿轮上，带动回转支承在套管周围回转，回转支承旋转产生的扭矩通过楔形夹紧机构再传递到钢套管上，带动钢套管回转。因为位于钻机固定部分的夹紧油缸不与套管一起回转，从而使液压管始终处于接续状态，回转时无须将夹紧油缸和液压管分离，这可以大大提高钻进效率。

當自重压入速度逐渐变慢后，向右调整液压动力站“压入力调整盘”，推力油缸由液压油缸供油，使液压渐渐升高，并保持“压拔按钮”处于“压入”状态，此时转为液压压入模式，压入力的计算公式为：

压入力F=钻机（部分）自重（W₁）+钢套管自重（W₂）+液压力（p）;

且压入力F>周围地基摩阻力（R）+钢套管前端阻力（D）。

施工过程中必须对钻头负荷进行控制，当单个钻头负荷超过4t时，施工时钻头会产生强烈的冲击及振动，证明钻头处于过载状态，这时需要利用“B-CON机构”让拉拔油缸供油来，稍稍提起钢套管，减轻钻头负荷。主要是根据测量计算的钢套管自身重力W_c、钻机部分重量W_m（约25t）及周围土体的表面摩阻力F是否匹配来确定钻头负荷。调整拉拔油缸压力的大小来控制钻头负荷，让钻头在设定负荷范围内进行回转切削破碎作业。为减少钢套管与钻孔周围土体钻进的摩擦阻力，必须使钢套管在不小于360°旋转的同时压入基础，使钢套管顶部的合金钻头切削破碎障碍物，进行正常施工作业。

（4）套管内挖掘。选用对应钢套管直径的冲抓斗来排除回转钻机钻进切削施工产生的渣土及破碎的障碍物，冲抓斗直径有2000mm、1800mm、1500mm、1200mm、1000mm、800mm等多种规格，最大重量可达到6.1t，容积0.4m³，高度4.0m，可适用于不同地质条件下的障碍物挖掘需求。

一般单节套管长度10m，当障碍物深度大于10m时，需要接长套管，在回转钻机上对接，先用履带起重机将套管回直，再用用高强螺栓逐节连接套管。

（5）障碍物清除。利用回转钻机清理块石时，将带有合金钻头的钢套筒用回转钻机压入到块石表面，利用钢套筒的自身重力将钢套管回转下压，穿越块石层，对于进入钢套管内的破碎块石可以用冲抓斗抓出清除。其他破碎的障碍物可以用多头抓斗清除。多头抓斗的构成有配重、连杆、导向板等固定设备及大型螺旋钻头等，用100t起重机将多头抓斗吊入钢套管内，慢慢放到清理挖掘工作面的底部，施工时一边回转钢套管一边压入，在RT动力驱动下多头抓斗和钢套管同步回转，各种障碍物就会被前端带有合金钻头的螺旋钻切削破碎，然后抓出外运^[5]。

依次按照上述工序压入钢套管、旋转钻进、切削破碎作业、清除钢套管内的破碎障碍物，直到基础底部原状土，才可确认完成清障工作。

（6）钢套管拔出及回填。在确定钻进施工工作面达到设计基础高程，同时全部清除完破碎的障碍物后，再用回转钻机自上而下反向回转逐节拔出套管，同时用挖掘机将优质原状土或低掺量的水泥土从钢套管孔口回填至清障孔内。为保证回填土体密实度，要边回填边反回转拔出钢套管并分层用重锤夯实回填土，要缓慢拔出最后一节钢套管，确保回填土体密实，直至回填到地面，完成单孔清障施工^[6]。

4清障工程量（见表1）

5施工优点

5.1对相邻地基土体扰动小

相对于大开挖等其他清障措施，采用全回转CD机地下清障设备清除地下障碍物全过程施工都是在钢套管内进行破碎清障并及时回填封孔，不破坏相邻地基原状土，对地下土体不产生扰动。同时，用钢套管支撑孔壁，在钢套管周边的土体应力释放前，就已经将障碍物清除并及时封孔回填，对相邻构筑物基础无影响。可以节约施工空间和时间，满足城区狭小空间施工要求^[7]。

5.2清障范围广，施工安全质量可靠

该工法根据工程地基基础需要可以清除各类地下障碍物，比如不同规格、埋深环境复杂、常规清除施工难度较大的废弃混凝土桩基、旧混凝土管道、树桩木块、块石砌体等各种形式障碍物。

5.3清障效率高、可以确保新建工程顺利施工

可以根据新建工程需要对障碍物局部破碎切割或将障碍物整体破碎清除，确保后续工程顺利施工，清障施工和新建工程施工过程效率高、风险较小。

5.4满足节能环保要求

该工法在清障施工全过程中，占用场地面积小，设备产生的噪音低，没有外排泥浆，不影响周边施工环境，且清障速度快，检测方法简便，质量效果明显，达到了预期效果。

6几点体会

（1）在编制具体施工方案时，要搜集邻近建筑和地下埋设物历史和现状资料，掌握场地的工程地质、水文地质和地下障碍物的整体情况。

（2）施工方案确定后，应结合工地实际情况选择有代表性地段进行现场试验性施工，以确定最优施工参数。

（3）清障范围一般为围护结构或坑内桩位，需精确定位后才能施工。

参考文献[z1]

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[1]马松.建筑工程地基基础及桩基础施工技术研究[J].智能城市，2021，7（10）：159-160.

[3]史向阳.全套管回旋钻机在地下清障和工程桩施工中的应用[J].大科技.2018（27）：364.

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[5]姜冲，王明胜.城市特殊环境低矮空间下邻近建（构）筑物桩基施工技术[J].现代隧道技术，2019，56（S2）：670-678.

[6]谢伟光，金建锋.步履式拔桩机双套筒拔桩施工技术研究[J].建筑施工，2021，43（7）：1330-1332.

[7]吴吉，何洪普，赵德军，等.全套管全回转钻机与旋挖钻机在超厚回填复杂地层的联合应用[J].施工技术，2020，49（1）：16-18.