深孔砂砾地层全套管在地铁既有结构安全保护区的施工应用案例

高佳 吴雅男

摘要 为确保地铁既有结构的正常使用、在建结构的施工安全，其周边特定范围内设置控制和保护区域，在地铁结构周边进行外部作业时，外部作业不得影响地铁的正常运营和施工安全，满足地铁结构的正常使用、承载能力、耐久性和其他特殊功能，桩基施工的传统泥浆护壁工艺已经不能满足要求，深孔砂砾地层采用全套管全回转工艺施工安全可靠，为类似工程建设项目提供成熟的应用案例借鉴。

关键词 深孔砂砾地层;全套管;全回转;安全保护区;钻孔孔壁坍塌风险

中图分类号 U412.37 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0112-03

0 引言

随着大城市不断扩容，为缓解交通拥堵问题，城市轨道交通地铁、高架桥快速路发展迅速，桩基布置与地铁结构冲突，进入地铁控制和保护区域不可避免，为确保地铁既有结构的正常使用、在建结构的施工安全，采用全套管全回转工艺施工，防止钻孔孔壁坍塌，对既有结构起保护作用，又保证高架桥桩基成桩质量。

1 工程案例

沈阳市长青街快速路建设，北起一环路，沿线走行现状长青街、长青南街，终点为浑南大道以南，道路全长约5.4 km。项目范围内有已建成地铁9、10号线与高架桥快速路主线并行，地铁区间与高架桥中心线位冲突[1]，高架桥桩基布置水平距离与地铁区间线位较近，桩基布置侵入地铁结构外部作业净距控制指标（《沈阳地铁结构安全保护技术标准》，桩基础≥3 m），最小2.05 m（详见图1，表1）。应重点控制桩基施工工艺，确保地铁既有结构安全，需要较长的钢护筒进行护壁，并进入泥砾稳定地层2 m，护筒长度在39.6～47.5 m之间，桩直径为1 500 mm。

2 主要地层特性（以50桥墩为主描述）

（1）杂填土：杂色，松散，稍湿，主要由路面、碎石、粘性土、混粒砂及建筑垃圾组成，马路地段表层为沥青路面，沥青路面下为碎石垫层;层底标高为43.96 m。

（2）中粗砂：黄褐色，稍密，稍湿，矿物成分以石英、长石为主，混粒结构，颗粒级配一般，含少量粘性土，局部含少量小卵石;层底标高为41.66 m。


（3）砾砂：黄褐色，稍密，局部中密，湿，矿物成分以石英、长石为主，混粒结构，颗粒级配较好，含少量粘性土及砾石、含约15%的圆砾、局部含铁质氧化物。大于2 mm颗粒占约总质量的25%～45%，最大粒径 80 mm，局部夹粘性土、中、粗砂及圆砾薄层;层底标高为37.66 m。

（4）圆砾：稍密，局部中密，湿，母岩成分不一，以砂岩、花岗岩、结晶岩为主。磨园度较好，呈亚圆形，椭圆形，坚硬，混粒结构，颗粒级配好。含大于2 mm颗粒占总质量的50%～65%，一般粒径2～50 mm。最大粒径 90 mm。局部含15%卵石，由混粒砂及粘性土充填，局部夹粘土薄层;层底标高为32.16 m。

（5）圆砾：黄褐色，中密～密实，饱和，母岩成分不一，以砂岩、花岗岩、结晶岩为主，混粒结构，颗粒地地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。级配良好，磨圆度较好，亚圆形，坚硬。大于2 mm砾石占总质量的50%～55%，一般粒径2～20 mm，最大粒径90 mm，填充物为中粗砂及少量粘性土，局部粘性土含量偏高;层底标高为21.66 m。

（6）砾砂：黄褐色、密实，局部中密，饱和，矿物成分以石英、长石为主，混粒结构，颗粒级配较好，含铁质氧化物及云母碎片。大于2 mm顆粒占总质量的25%～45%，一般粒径2～20 mm，最大粒径80 mm。该层局部夹较多的粘性土、中粗砂及圆砾薄层;层底标高为6.96 m。

（7）泥砾：黄褐色，中密，局部密实，湿，主要由粘性土、圆砾、混粒砂组成。颗分结果以砾砂及粗砂为主，含砾石、卵石，局部为粉质粘土。砾石风化严重，具胶结性，含土量较大;层底标高为−4.84 m。

（8）混合花岗片：青灰色，主要矿物成分为石英、长石、云母。原岩结构基本破坏。岩芯呈砂土状，手掰易碎，全风化;层底标高为−8.74 m。

（9）混合花岗片：灰绿色，显晶粒状结构，片麻状构造，岩芯呈碎块状，一般块径3～5 cm，最大块径10 cm，节理裂隙很发育，锤击不易碎，强风化;层底标高−14.34 m。

（10）混合花岗片：灰绿色，显晶粒状结构，片麻状构造，岩芯呈短柱状，一般柱长10～15 cm，最大柱长30 cm，节理裂隙发育，锤击不易碎，中风化;勘查未穿透此层。

3 工艺选择

（1）常见较长钢护筒施工工艺，开孔扩孔钻进施工将首节钢护筒吊装至预定标高，焊接防脱落装置;旋挖钻机在首节钢护筒内扩孔钻进第二节钢护筒长度后，第二节与首节钢护筒焊接连接后，采用振动锤将钢护筒激振至预定标高;重复前述步骤，最终将钢护筒激振至稳定地层的设计标高。由于钢护筒无法回收利用，造成材料的严重浪费。不推荐使用。

（2）新兴施工工艺，安放较长钢护筒可以采取全回转钻机与旋挖钻机、全回转钻机与冲抓钻配合、旋挖钻机安装驱动器施工。可以实现快速安放与回收钢护筒施工，解决塌孔风险、钢护筒可以回收重复利用，该工艺施工效率成倍提升，具有安全实用推广价值。

根据钻孔直径、钻孔深度、地质情况、地铁管理部门限制冲抓震动工艺施工，经过技术比选及专家评审，采用全套管全回转钻进与旋挖钻机取土的施工工艺，特点在回填层、砂砾地层质条件下，可以发挥全回转钻机大扭矩切割地层的优势，利用全套管可靠护壁，确保无塌孔风险;又能利用旋挖钻机快速取土的功能，实现快速成孔，提升施工效率。

该项目延线勘察范围内为第四系全新统浑河高漫滩及古河道冲积层，砂砾地层一般不大于60 m，全套管钻进过程中承受较大扭矩，钻孔越深所承受的扭矩越大。根据地层情况及扭矩情况，综合选用单层钢套管，套管钢材材质为Q345B，壁厚为30 mm;套管接头为精确加工的雌雄合金接头，螺栓连接套管，套管接头材质为25CrMo锻件，壁厚50 mm;套管内径1 500 m，套管外径1 600 m;首节套管底部设有环行切割合金刀头，刃口外径比标准套管外径稍微大一些，便于标准套管在钻压下沉过程中减少与地层的摩阻力。

4 工艺原理及施工要点

全套管全回转施工时，垂直精度可高达1/300～1/500，首节全套管合金刀头先行切削地层，再使用旋挖清除套管内渣土，钻进全程均以钢套管护壁，可以确保基础桩孔壁不塌孔，且周边地基不受扰动，解决常规泥浆难以护壁的软弱松散地层、流砂层和流塑地层、易塌孔埋钻地层和砂砾、卵石层及各类坚硬岩层中塌孔及成桩质量不好的难题。桩基成孔后灌注水下混凝土，并与导管同步拔出全套管，回收重复使用。

4.1 施工工艺流程

①全回转钻机就位及安装首节全套管→②全回转钻机钻压全套管及旋挖钻机套管内取土→③安放第二节全套管→④全回转钻机钻压全套管及旋挖钻机套管内取土→⑤重复施工③④步骤，至全套管钻压至设计标高→⑥旋挖钻进至设计孔深及清孔→⑦钢筋笼吊装及钢筋笼孔口套筒直螺纹连接→⑧水下混凝土灌注及回收全套管。

4.2 施工要點

（1）将全回转钻机的底座移动到桩位上，履带吊压住反力架，形成一个整体，避免全回转钻进过程左右晃动;将底部装有切割刀头首节全套管（8 m）对准桩位后，启动全回转钻进定位油缸夹紧钢套管，并复核桩位。特别注意首节及第二节全套管钻压，应用经纬仪或测锤线不断量测垂直度，发现超出允许值及时调整，这是决定整根桩基垂直度的关键。

（2）全回转钻机通过360°全回转式齿轮盘及油压马达驱动全套管，使全套管底部的环形切割刀入土层，加上机架及履带吊重量，全套管逐渐被钻压入地层中;旋挖钻机配合全套管内取土，全套管钻压入预定深度。

（3）全套管钻压至地铁隧道直径上下2 m范围，控制钻进速度，旋挖钻机在套管内取土严禁超过首节套管刀头。

（4）全套管钻压及旋挖全套管内取土时，加入水及萘普顿专用聚合物泥浆护壁润滑材料，渗入地层可以起到对全套管润滑作用，减小全套管转动及下压时的摩擦阻力，同时预防超钻部分局部坍塌。

（5）全套管进入泥砾稳定地层2 m后，有些桩端进入中风化岩层，施工时间较长，全回转钻机定时旋转全套管，以防止全套管被地层抱管卡死，造成全套管无法回收重复利用。

（6）灌注水下混凝土时，应考虑全套管直径比桩径大100 mm，回收全套管混凝土自动填充全套管所占用的体积，导管不要拔出以灌注混凝土面，也要防止掉入套管内，防止灌注质量事故。

（7）该项目旋挖钻机与全回转钻机联合施工，每根桩全套全部钻压到位的时间效率约8 h，剩余孔深钻进时间效率约为1～2 h，钢筋笼安装、导管安放的时间效率约为3 h，水下混凝土灌注及拔出全套管施工的时间效率约为12 h，水下混凝土应专门委托有资质的商品混凝土供应站配置，缓凝时间不低于18 h;预防因城市路况运输不畅、故障处理、未完成灌注前混凝土开始初凝等，避免发生全套管、导管埋管事故。

5 总结经验

（1）全回转钻机采购价格较高，为加快施工进度及全回转钻机利用效率，该项目还特意采购2台专用拔管机（6 000 kN）配合起拔全套管，利用全回转钻机完成第一根桩的全套管钻压后，移至下一桩位继续钻压全套管，拔管机就位配合灌注混凝土同步拔管，组织流水施工，全回转钻机效率提升2～3倍。

（2）利用全回转钻机拔出全套管时，因全回转钻机操作台落位后也比较高，常规混凝土罐车不能自卸灌注混凝土，并且场地狭窄，不宜设置临时坡道，需要配备长臂式混凝土泵车输送混凝土。采用拔管机的操作台落位后，混凝土罐车可以自卸灌注混凝土。

（3）上部砂砾地层采用全套管护壁，下部泥砾以下地层采用萘普顿专用聚合物泥浆护壁，成孔后静置静待30～45 min，用清底钻头清孔，吊装钢筋笼及导管安装完成后，再测量孔深，沉渣厚度不超标，可以省去二次清孔。

（4）以后类似项目建议定制外径为1 500 mm的全套管，套管以下部分采用专用扩孔钻头施工，既能满足桩径要求，又能节约混凝土用量。

6 结语

当桩基进入地铁安全保护区施工时，沈阳地区深孔砂砾地层，全套管护壁是钻孔、清孔、吊装钢筋笼、水下混凝土灌注不发生塌孔的保证措施，也是桩基进入地铁安全保护区允许施工审批要件的安全措施。全套管全回转与旋挖钻机联合施工方案，全套管可以回收重复利用，施工速度快，质量及安全有保障，得到建设单位、地铁监管部门的认可及好评。

参考文献

[1]李男. 沈阳市长青街快速路工程总体方案设计探讨[J]. 北方交通， 2019（11）： 56-60+65.