狭小空间大直径钻孔桩机械化快速施工技术研究

陈树禹

(中铁十六局集团地铁工程有限公司 北京 100018)

1 引言

近年来，钻孔灌注桩采用的大扭矩旋挖机具本身十分庞大，自重近百吨，吊装运输困难，且需要的操作空间大。暗挖地铁车站由于空间限制，无法使用大型钻孔设备进行洞内钻孔桩施工。在暗挖导洞狭小空间内，机械化施工大直径钻孔灌注桩，国内外均无有效的施工机具，再加上砂卵石地层极易出现孔壁掉块、坍塌、垮孔等不良现象，致使卡钻、埋钻甚至导致桩孔塌陷等事故，造成不良影响。杜万强[1]总结了深层地下狭小空间福田站利用钢套筒作为护壁的施工要点，确保了安全施工，降低了施工成本。董志云等[2]结合洞桩法暗挖地铁车站，提出单层导洞内机械成桩和钢管柱一次浇筑成型的工艺方法，取得了良好效果。何业勇等[3]结合北京地铁10号线劲松站围护桩施工，介绍了狭小空间“PBA”导洞内基于成桩设备＋泥浆循环及处理系统进行钻孔桩的施工工艺。李贺[4]提出北京地铁16号线红莲南里站洞内机械成桩和钢管柱一体化安装技术，可以很好地控制地层沉降。

本文结合新建北京M16线二里沟车站，研发了典型砂卵石地层暗挖小导洞大直径机械成桩设备，总结高效的砂卵石地层单层导洞大直径中桩施工工艺流程，解决了狭小空间砂卵石地层成孔慢和难于成孔的问题。

2 工程概况

新建北京M16二里沟车站全长303 m，设计为侧式全暗挖车站。车站每根钢管混凝土柱下设置单桩桩基[5]，桩长10.5～14 m，桩直径1.8 m。桩基在施工导洞内施作，一次浇筑，桩底采用压浆工艺。洞内桩地处砂卵石地层，最大粒径300 mm，如图1所示，粒径大于20 mm的颗粒占总质量的60%，呈亚圆形，中粗砂填充。

图1 大粒径砂卵石

3 狭小空间成桩设备研制

3.1 钻机改进

由于所处地层大多为卵石层，且卵石直径较大，普通轮胎式钻机在钻进过程中底盘不稳，钻进过程中摇摆不定，影响成桩质量。使用履带式钻机代替普通轮胎式钻机，大大加强了钻机的配重，在钻进过程中稳固了底盘。针对狭小暗挖导洞空间以及钻探机械发展水平限制的难题[6]，研发了适用于砂卵石地层狭小空间内的全液压履带自行式反循环钻机，工作状态外形尺寸为5.93×2.3×4.1 m(长×宽×高)，液压系统动力160 kW，排渣泵通径305 mm，泵量达800 m3/h，动力头可实现无级变速，泵吸反循环流量可调。

3.2 钻头改进

由于地层多为卵石层，钻头磨损严重。钻头经过从普通的三翼钻头→筒钻→复合钻头的多次优化改进，最终选择具有高频振动功能的液压冲击钻头(见图2)，通过液压管路连接钻机上的冲击模块与钻头上的振动模块，大粒径卵石在高频振动冲击力作用下发生碎裂，碎裂后的卵石通过螺旋片向上导入，实现钻头边冲击边钻进。同时为了提高钻进效率，在原来钻头的基础上增加合金头的数量，还配备了专门用来打捞大粒径卵石的筒钻(见图3)。

图2 直径1.8 m液压冲击钻头

图3 打捞大粒径卵石的筒钻

4 导洞大直径中桩施工工艺

4.1 工艺流程

砂卵石地层导洞内大直径中桩施工工艺流程如图4所示。

图4 工艺流程

4.2 桩体护壁加固

(1)中桩护壁结构最小内径为205 cm，底板锁口圈外径为256 cm，护壁厚度为10 cm。分节施工，每节高度1 m。

(2)导坑深度为3～5 m第一节护壁施工应与导洞底板开口加固同时浇筑，连接成一个整体结构，以增强其稳定性[7]。

4.3 泥浆制备

钻孔灌注桩采用泥浆护壁施工，在导洞内设置泥浆储浆池、循环池、废渣池[8]。如果泥浆出现严重泄漏现象，为确保不污染周围环境，应将其放置在钢箱中。根据工程卵石地层条件，选用优质黏土制备泥浆，泥浆配合比如表1所示，必要时加入适量蒙脱石和膨润土等外加剂。

表1 __卵石地层泥浆配比

(1)泥浆运输及泥浆处理系统

将泥浆池及泥浆分离系统全部设于地面上，钻机通过管道与地面泥浆池[9]、泥浆分离系统连接，通过大吸力泵送系统，将浆液输送至地面渣土场，完成泥浆运输和分离工作，加快泥浆再生时间，提高泥浆再利用率。

(2)泥浆控制指标

在钻孔过程中，需经常采集泥浆样本来测定性能指标[10]，如表2所示。同时为保持水头压力，不间断利用循环水向孔内补充一定浓度的泥浆。

表2 泥浆控制指标

(3)废泥浆处理

钻孔排出的泥浆首先汇集在泥浆池中，经泥浆净化设备过滤后重复使用，过滤后的废渣通过竖井转运。

4.4 反循环钻孔

使用履带式钻机代替普通轮胎式钻机，采用钻吸法反循环钻机成孔，中桩按顺序钻孔施工。成孔时，先向孔内注入一定量的泥浆，启动砂石泵，待反循环正常后，启动钻机并缓慢旋转下放钻头[11]。开始钻孔时，轻轻按压并缓慢旋转。钻头正常工作后，逐渐提高速度，调整钻压，防止钻头吸入口堵塞。

(1)为解决卵石堵管的问题，将原内径219 mm的管道增加至237 mm。

(2)注意观察进尺和砂石泵排渣情况，并根据排渣情况控制钻进速度。孔钻出一定深度后在加接钻杆前，将钻具提离孔底20 cm左右，维持冲洗液循环1～2 min，以清洗孔底，并将管道内的钻渣携出排净，然后停泵加接钻杆。

(3)当出现孔内涌砂、塌孔等异常情况时，应迅速将钻具提离孔底，控制泵量，保持冲洗液循环以抽出涌砂，同时不断向孔内输送泥浆，保持水头压力。

(4)在钻进过程中，要加强泥浆的维护管理，泥浆的粘度和相对密度保持每半小时测一次，并根据泥浆成分变化采取相应的处理措施。

(5)钻孔达到设计标高后，为避免孔底收缩，仍需将钻头保持在原位继续旋转。检查孔深、孔径、孔壁及垂直度，不合格及时采取措施处理。

4.5 清孔

清孔时，应合理控制泥浆的含砂率和粘度两项指标。孔底悬浮钻渣的泥浆由砂泵排出，净化后通过回流泵进入孔内。钻孔桩底渣厚度控制在300 mm以内，若孔底沉渣超标，应进行二次清孔。利用导管作为吸浆管，与吸泥泵连接。导管底距离孔内沉渣面约10 cm，缓慢将管道置于孔底，启动吸泥泵进行反循环排渣，时间约5 min。

4.6 钢筋笼施工

(1)中桩成孔后，应首先安装钢护筒(内径170 cm，壁厚10 mm)。钢护筒每段长度2 m采用法兰连接，法兰间加止水带。钢护筒固定完成后进行钢筋笼安装。

(2)为方便钢护筒安装，护筒环向对称焊接2个耳环，每个耳环两孔，大孔用于穿杠孔口固定护筒，通过移动式龙门架、吊装扁担及U型卡环连接缓慢下放钢护筒，第二节与第一节连接后，缓慢下放，将第一节的2个耳环割除后下放入桩孔，依次下放第三节至最后一节，钢护筒安装至设计标高时，对钢护筒定位固定[12]。

(3)根据导洞的高度和钢筋笼长度，按照不同桩长调整每段长度≤2.5 m。主筋连接采用镦粗直螺纹连接，钢筋笼下端0.8 m范围内的主筋应略微向内弯曲，形成倾斜形状。

4.7 声测管安装

通过负载箱上下平面上的预留孔设置3根直径为48 mm的声测管，与桩底齐平。声测管、位移计管、位移计钢筋各段长度与钢筋笼长度相同。每节钢筋笼安装完毕后安装声测管、位移计管及位移计钢筋，钢管连接采用管箍连接。所有钢管连接完成后，管口应与地面齐平，并用专用保护帽封堵，防止混凝土浇筑过程中泥浆或混凝土进入管道，造成数据无法采集。

4.8 混凝土浇筑

浇筑混凝土前，首先检查孔洞和钢筋笼的质量，合格后采用C30混凝土一次浇筑完成。混凝土采用泵送混凝土，坍落度180～220 mm。水下浇筑采用直径300 mm的钢管，导管使用前应进行试拼装，接头采用管箍连接，应严密、牢固，隔水栓应通过试验。导管管底与钻孔桩孔底的距离应保持在300～500 mm。浇筑过程中，导管在混凝土中的埋深应保持在2～6 m，并随吊随移。导管的吊放和提升不得与钢筋笼碰撞。

4.9 桩底后注浆

4.9.1 注浆技术参数

(1)针对直径1.8 m的桩，应沿钢筋笼对称设置3根注浆导管[13]。

(2)采用P.O42.5级普硅水泥，水灰比为0.6～0.75。

(3)注浆量:严格按设计注浆，单桩设计注浆量为4 000 kg，实际注浆量需大于或等于设计注浆量。

(4)压浆速度:50～75 L/min。

4.9.2 注浆施工

(1)将带有丝扣的ϕ32 mm钢管加工成注浆管，每根注浆管与钢筋笼采用五道烧丝绑扎，确保绑扎牢固。每节连接后，为防止泥浆流入，上端用棉纱堵塞。

(2)浆液采用J340型泥浆搅拌机搅拌，压浆采用2SNS型高压注浆泵，总功率14 kW。

(3)桩端与桩侧应同步注浆，将地面注浆系统与孔内一根注浆管连接，打开另一根注浆管的丝堵，压入适量清水，冲洗孔底注浆腔室，注浆管内有清水后，开始注入配制好的水泥浆。当水泥浆从另一根注浆管流出时，停止注浆，安装丝堵后继续注浆。当压力达到1.5 MPa时，先稳压约15 min后封堵注浆管，向另一根注浆管注入水泥浆，当压力达到1.8～2 MPa时，稳压15 min。

5 结论

针对含量高、粒径大的砂卵石地层，在机械成孔过程中极易出现钻头损耗严重、堵管频率高、成孔垂直度偏差大等问题，通过多次现场试验不断改进反循环钻机和液压钻头，优化钻进工艺，实现了砂卵石地层中1.5 d完成1根直径1.8 m，成孔25 m、成桩14 m长中桩的施工效率，提高了成孔质量和效率，取得了良好的经济效益。

(1)研发了狭小空间内的大功率成孔设备，实现了钻进速度和排渣流量无级变速调整，有效防止塌孔。

(2)总结了一种在砂卵石地层中快速成桩的工艺方法，减少施工对周围环境的扰动，降低了群洞效应，控制了地表沉降量。