坚硬岩层条件下地下连续墙施工技术研究——以厦门市轨道交通3号线施工项目为例

林锦贤

中国交通建设股份有限公司总承包经营分公司，北京 100088

1 工程概况

1.1 地质情况

厦门市轨道交通3号线双沪站至空港经济区站明挖区间地貌单元属滨海堆积区（V区），海域面积较大，花岗岩为场地基岩主要构成内容，剩余内容多为辉绿岩岩脉。17-3-1碎裂状强风化花岗岩：分布于该层局部位置，每层厚度平均约为7.87m，厚度平均值约为4.51m，层顶埋深平均为29.7m；17-4中等风化花岗岩：坚硬岩，岩体基本质量等级Ⅲ～Ⅳ级，该层揭示厚度最大值为13.8m，层顶埋深平均值为38.9m；17-5微风化花岗岩：饱和抗压强度标准值为95.19MPa，坚硬岩，岩体基本质量等级为Ⅱ～Ⅲ级。该层揭示厚度最大值为13.6m，层顶埋深平均值为39.5m。

共建盾构段为共建盾构井和明挖区间的组合，结构形式为地下一层连体箱涵，长为293.3m，宽度为36.8～48.8m，高度为6.86～10.13m。共建盾构段使用明挖顺筑的方式建筑其主体，围挡施工为1期。使用内支撑体系与地下连续墙相结合的方式开挖基坑。共建盾构段小里程U形槽段区间，共建盾构段大里程端接盾构区间（盾构始发）。共建盾构段北侧12m左右为机场快速路（待建），南侧10m左右为管廊（待建）。该区间现状为填海区，无邻近构筑物与地下管线。地下连续墙围护结构体系作为共建盾构段主体基坑围护的结构，地下连续墙所用的混凝土强度设计等级为水下C35，地下连续墙的厚度为800mm，共115幅。

1.2 工艺对比

通常情况下，在岩石强度不一致时将冲击设备提起，在钻好的冲击孔中填入与原岩石强度相当的岩石，进而对强度不足处的岩石面进行补充，最终达到几种不同强度的岩石表面强度相当的目的，使得成孔质量有所保障，防止偏孔；回填后岩面将比现有的岩面略高，再次采用冲击成孔的方式作业。

文章所研究的预制钢套管导向装置辅助潜孔钻处理地下连续墙坚硬岩层技术突破传统协同各类岩性不同岩石强度的工作方式，将强度不等的岩石破碎，然后使用相关设备（如冲击钻）钻孔，通过采取对施工面分割的方式使岩面与冲击钻锤头之间的接触尽量减小，从而减少冲击钻设备的工作负荷，提高施工速度并节省施工成本。

2 潜孔钻机施工工艺

2.1 潜孔钻机施工原理

潜孔钻机作为冲击回转式钻机，与常规凿岩机的内部构造有所差异，其具有单独的配气与活塞往复机构（冲击器），前后端分别为钻头与接钻杆。凿岩工作中冲击器钻入孔内，在配气装置（阀）的作用下，冲击器中的活塞（锤体）不断运动对钎尾产生打击，使钻头冲击孔底岩石。冲击器在孔内的高速回转则是由单独的回转结构支持的，即由孔外的电动机或风动旋转装置，通过接在冲击器后端的钻杆来实现。凿岩过程中形成的岩粉中会出现风水混合气体，该气体可以将岩粉冲洗后向孔外排出，混合气体通过排粉结构从钻杆中心向冲击器注入，然后从冲击器缸体上的气槽到孔底。

2.2 技术参数

（1）将厚度为800mm的地下连续墙作为车站主体围护结构，基本墙幅的宽度在3741～7496mm。地下连续墙嵌入强风化与全风化岩层深度在6.5m以上；嵌入中风化岩层的深度不小于3m；嵌入微风化岩层的深度不小于1.5m。

（2）选取规格为1500mm×780mm×10mm的限位钢板3块，分别在钢套管从上至下3层放置，使用电焊的形式将限位钢板与钢套管进行焊接，与上部规格为780mm×150mm×10mm的钢板连接并焊牢9根钢套管，使其成为一个整体，用吊装移位及固定在导墙上，防止侧移。

2.3 施工工艺流程

地质补勘→现浇导墙→成槽施工→加工预制钢套管导向装置→预制钢套管导向装置就位→潜孔钻机就位→潜孔钻机钻进→成孔→移除预制钢套管导向装置→冲击钻机就位→冲击钻机钻进（先圆锤后方锤）→地下连续墙成孔→清槽。

2.4 预制钢套管导向装置施工工艺

（1）预制钢套管导向装置技术的特点。在中微风化硬质岩层的作业过程中，潜孔钻所出现的钻头位置滑移、孔位偏移、钻杆扭断为常见现象，在嵌岩钻孔作业中急需在技术上寻求创新，研究出既能够保护钻杆，又可以在钻头工作中起到保护与引导作用的操作系统。结合相关钻孔的工程经验，如果在钻杆外加1根导向钢套管，在潜孔钻孔位固定好导向钢套管，便能实现对钻杆的保护，并且能有效避免钻头出现偏位的情况。此外，还应保证钢套管直径符合实际情况需要，如果直径过大，则无法进行孔位定位；如果偏小，则不能及时排除钻孔时的岩末，该工程使用的钢套管比钻杆大15mm。

（2）材料及设备选型。潜孔钻型号为QLGN-120，钻头直径为145mm，钻杆直径为76mm，在施工现场进行多次试验后，最终确定所使用的钢套管外径为160mm，如果长度为6m，则达到标准要求，钢套管进行限位钢板固定的厚度控制在20mm。

（3）钢套管选材及孔位布置。①使用限位钢板3块，其规格为1500mm×780mm×20mm，在每块限位钢板上画出潜孔钻孔位的点位，分9个孔，将该点位作为圆心画圆，将直径控制在160mm，切割使用的燃料为氧气乙炔，分别切割以上3块限位钢板。②在限位钢板圆孔中穿入9根直径为160mm的钢套管，在钢套管上、中、下部位分别放置限位钢板，第一节使用法兰盘焊接，其余正常焊接，对于钢套管的长度需要根据地下连续墙孔的深度而定，钢套管的标准长度为6m，在现场中准备长度分别为1m、2m、5m的临时钢套管，根据实际施工中的孔深情况，在标准长度套管上连接临时用的钢套管，考虑遇斜向岩层，用一根长度为1m、直径为180mm的钢套管锁扣在最下一节长度为1m、直径为160mm的钢套管2个耳翼位置，作为可调节套管。③孔位布设，例如在地下连续墙4m槽段的作业中布设孔位为36个，相邻两孔之间的距离为335mm，净间距175m，分4个施工顺序套打且孔位贴边布置，防止后期冲击锤修孔困难等因素且考虑遇斜向岩层，钢套管最下一节1m范围内设置可调节套管。

（4）埋设预制钢套管导向装置。使用成槽机对软质地层进行钻孔完毕后，吊装安放预制钢套管导向装置，选择钢套筒应以实际孔深为准，并尽量使用稍长的钢套筒。吊起预制钢套管导向装置，为确保预制钢套管导向装置处于垂直状态，检查时使用水平尺、锤球；应注意缓慢下放，避免下放过程中出现碰触而造成不良事件；完成下放工作后，使用钢筋穿过钢套管间隙横跨在地下连续墙导墙的混凝土面上；割除比导墙高的钢套管，将预制钢套管导向装置上部的限位板下放至横跨钢筋上电焊固定。

（5）钢套管导向装置安装反循环泥浆泵。钢套管导向装置安装反循环泥浆泵，通过泥浆循环使用，稳定槽壁，提高潜孔钻进尺效率。

（6）潜孔钻成孔。在已经布置好的钢套管孔位使用钻头对准，为确保钻杆处于垂直状态，使用水平尺、锤球进行检查，接着开展钻进工作，钻杆每节长6m，在钻进工作中不断增加钻杆直至孔深符合设计要求。与钻机联合使用的动力压缩机型号为LG-16/13GY，排气量为16m3。钻进作业中，钻机通过活塞杆进行运动，推动回转供风结构前进，并且通过其空心轴把高压送入钻杆直达冲击器，经由钻头通风孔完成孔底吹渣动作。

（7）冲击钻成孔。冲击钻型号为CK-6C，开始作业前，施工人员结合施工地段的地质岩性调整钻进参数，首先实施破碎作业，然后用方锤冲击修边，并及时进行排渣处理，如此循环往复，直至钻至设计深度，钻进环节需要确保成孔深度符合设计要求。

3 应用效果

文章结合工程实例对预制钢套管导向装置进行了创新，解决了在微分化与中风化花岗岩等一些岩层比较坚硬且发育倾斜的情况下进行施工出现的偏差问题，具体应用效果如下：潜孔钻施工效率为2.42m/h；使用潜孔钻冲击后采用冲击钻施工效率为8.84cm/h，锤头维修为18～20h/次；未使用潜孔钻而直接采用冲击钻时施工效率为2.71cm/h，锤头维修为9～10h/次；冲击钻施工效率提高了3倍，维修锤头时间节省了一半，经济成本效果显著。

4 结束语

该工程属于填海造地地铁车站，地质条件复杂且岩层分布不均匀，坚硬程度不一，工期紧。文章结合实际工况和建设需求，提出采用预制钢套管导向装置辅助潜孔钻处理地下连续墙坚硬岩层技术，选择液压成槽机+潜孔钻+冲击钻，并采用遇斜向岩层设置钢套管可调节装置，在一定程度上解决了坚硬岩层施工效率较低及斜线岩层不偏孔等技术难题。