硬質(zhì)巖傾填石地層及嵌巖咬合樁施工關(guān)鍵技術(shù)研究

劉雙武

摘要：在硬質(zhì)傾填石及基巖表面參差不平地層施工咬合樁時(shí)，常規(guī)套管鉆機(jī)穿透填石層困難，且難以切削硬質(zhì)基巖，葷樁入巖成孔時(shí)極易出現(xiàn)相鄰素樁“管涌”，故常規(guī)全套筒跟進(jìn)“濕咬”咬合樁難以實(shí)施。通過(guò)對(duì)深圳地鐵6號(hào)線翰林站基坑防護(hù)咬合樁進(jìn)行技術(shù)研究及科研創(chuàng)新，提出了硬質(zhì)填石地層嵌巖咬合樁“干咬”成樁法，并研究、總結(jié)了施工中的各項(xiàng)參數(shù)、方法及關(guān)鍵技術(shù)，為以后類似工程施工提供依據(jù)和參考。

Abstract： Conventional casing drilling rigs are difficult to penetrate the rockfill layer and difficult to cut hard bedrock when constructing bite piles on hard tilting rock and bedrock surface unevenness. When the piles are inserted into the rock to form hole， the adjacent plain piles are "pipebed"， so the conventional full sleeve follow-up "wet bite" bite pile is difficult to implement. Through the technical research and scientific innovation on the foundation pit protection pile of Hanlin Station of Shenzhen Metro Line 6， the "dry bite" pile method of rock-embedded pile in hard rock-filled stratum is proposed， and the parameters， methods and key technologies in the construction are studied and summarized， which provide basis and reference for similar engineering construction.

關(guān)鍵詞：地鐵車站防護(hù);咬合樁;花崗巖;干咬;施工參數(shù)

Key words： subway station protection;bite pile;granite;dry bite;construction parameters

中圖分類號(hào)：TU753.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）30-0163-03

0 ?引言

鉆孔咬合樁起源于20世紀(jì)50年代的法國(guó)，我國(guó)于20世紀(jì)70年代引進(jìn)該技術(shù)，并最初于1999年將鉆孔咬合樁應(yīng)用于深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。歷經(jīng)20年發(fā)展，鉆孔咬合樁施工工藝在粉土、粉砂、粘質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粘土等軟土地層運(yùn)用相當(dāng)成熟。但在硬質(zhì)巖傾填及基巖表面不平地層，常規(guī)套管鉆機(jī)穿透填石層困難，難以切削基巖，葷樁入巖成孔時(shí)相鄰素樁極易“管涌”。因此，需進(jìn)行技術(shù)研究及創(chuàng)新，提出新的咬合樁施工方法，并進(jìn)行施工關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，以確保本項(xiàng)目順利實(shí)施。

1 ?工程概況

深圳市地鐵6號(hào)線翰林站全長(zhǎng)216m，兩層島式車站，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.2m，深16m，車站緊鄰周邊市政道路、學(xué)校及居民區(qū)。車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)為719根（入巖樁534根）咬合樁，樁徑1m，咬合0.15m。

車站地質(zhì)從上往下依次為雜填土、填碎石、填塊石、素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、中砂、強(qiáng)風(fēng)化（砂土狀、塊狀）花崗巖、中等風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖。填石層厚度2～9m，填石粒徑0.1～2m，填石含量約50%。基巖巖面起伏較大，巖石單軸抗壓強(qiáng)度60～120MPa。

2 ?將傳統(tǒng)咬合樁施工工藝應(yīng)用于本項(xiàng)目的試驗(yàn)、研究

2.1 施工機(jī)械組合方案

結(jié)合車站地質(zhì)情況，通過(guò)理論計(jì)算，傳統(tǒng)鉆孔咬合樁施工工藝在本項(xiàng)目的適用性進(jìn)行研究。素樁采用超緩凝砼灌注，素樁初凝前成孔葷樁。施工設(shè)備按以下2種組合方案：

方案1：磨樁機(jī)+沖抓斗或旋挖鉆機(jī)成孔;

方案2：DTR2005H全套筒全回旋機(jī)+沖抓斗成孔。

按方案1試施工p19、p17、p15、P18、P16共5根樁。

按方案2試施工D9號(hào)“葷樁”及d2號(hào)“素樁”共2根樁。

2.2 試樁結(jié)果及分析

①磨樁機(jī)套管不能在強(qiáng)度超過(guò)30MPa巖層中連續(xù)鉆進(jìn)。②全套筒全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)轉(zhuǎn)速慢、鉆具單一，套管靴底鉆頭不能及時(shí)更換，在強(qiáng)度大于30～45MPa中風(fēng)化花崗巖中平均鉆速僅為3cm/h，工效極低，巖石強(qiáng)度超過(guò)60MPa幾乎沒(méi)有進(jìn)尺。③對(duì)高強(qiáng)度基巖，上述2種傳統(tǒng)咬合樁施工工藝的套管入巖效率低，套筒切削巖石能力有限，高強(qiáng)度巖石地層套管不能超前，“素樁”未初凝超緩凝砼涌入“葷樁”孔內(nèi)，葷樁被迫終孔，無(wú)法滿足“葷樁”設(shè)計(jì)孔深。故均不適用于本項(xiàng)目硬質(zhì)巖傾填石地層及嵌巖咬合樁施工。

3 ?咬合樁成樁技術(shù)創(chuàng)新

經(jīng)過(guò)理論分析、模擬計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及對(duì)傳統(tǒng)鉆孔咬合樁施工工藝及設(shè)備進(jìn)行研究分析后提出：硬質(zhì)巖填石地層嵌巖咬合樁宜采用“干咬”成孔，即先采用旋挖鉆成孔“素樁”，灌注普通水下砼，待“素樁”砼達(dá)到一定強(qiáng)度后，旋挖鉆干切相鄰素樁成孔葷樁，徹底避免“管涌”現(xiàn)象發(fā)生。

4 ?嵌巖咬合樁施工機(jī)械及鉆具的選型

因本項(xiàng)目樁基入巖深、巖石強(qiáng)度高（基巖單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)100～120MPa）。選擇合適機(jī)型及并針對(duì)硬質(zhì)巖選擇適當(dāng)鉆具、鉆進(jìn)參數(shù)等來(lái)提升施工工效為本項(xiàng)目另一需解決的技術(shù)難題。

經(jīng)研究分析，本項(xiàng)目擬根據(jù)地質(zhì)鉆機(jī)取芯原理進(jìn)行硬巖成孔。即旋挖鉆先環(huán)向切削基巖，當(dāng)切削至一定深度后，通過(guò)彎、扭、拉、拔綜合作用力作用在巖芯上，剪斷巖芯。

先通過(guò)模擬計(jì)算確定機(jī)械選型范圍，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)合理優(yōu)化。

4.1 施工機(jī)械選型

4.1.1 理論計(jì)算

①分析。

微風(fēng)化花崗巖變形模量E0=12000MPa，泊松比ν=0.432。根據(jù)《巖土鉆鑿工藝學(xué)》文中的推薦值及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，其組合破壞強(qiáng)度取：8MPa。工程實(shí)際中考慮機(jī)械振動(dòng)、沖擊效應(yīng);機(jī)械設(shè)備持續(xù)沖擊剪切、構(gòu)件疲勞等，實(shí)際剪斷扭矩值會(huì)適當(dāng)降低。

1m樁徑的巖心直徑約80cm。因此計(jì)算模型為直徑D=0.8m，高H=1m圓柱體，底部固定，在其頂部施加豎直Z軸拉力F和繞Z軸扭矩T，計(jì)算在巖體在受拉和受扭的組合變形下，該模型的破壞荷載。

根據(jù)不同旋挖鉆機(jī)主卷?yè)P(yáng)的提升力大小，按拉力F分別為50kN、100kN、200kN計(jì)算3種工況下模型發(fā)生破壞的扭矩T。

②計(jì)算過(guò)程。

1）理論計(jì)算：根據(jù)材料力學(xué)，選用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算。2）有限元計(jì)算：采用通用有限元軟件Abaqus進(jìn)行計(jì)算，選取實(shí)體單元建立模型（如圖1）。其中工況一（拉力F為50kN）mises應(yīng)力云圖如圖2所示。

③計(jì)算結(jié)果。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

4.1.2 機(jī)械配置

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選用SR-360、XR-1050，XR-460型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行試樁，深入探究嵌巖咬合樁施工工效及施工機(jī)械的適用性。

4.1.3 不同型號(hào)旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)工效研究

為探究不同型號(hào)旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)工效率，對(duì)強(qiáng)度30MPa～60MPa中風(fēng)化花崗巖E、N、M、L型樁試樁實(shí)驗(yàn)。

①不同旋挖鉆機(jī)鉆速試驗(yàn)結(jié)果。

1）XR-460D旋挖鉆機(jī)最大鉆速0.79m/h，最小鉆速0.7m/h。鉆速在0.73m/h趨于穩(wěn)定。2）SR-360旋挖鉆機(jī)最大鉆速0.6m/h，最小鉆速0.39m/h，鉆速在0.5m/h處趨于穩(wěn)定。3）XRS-1050旋挖鉆機(jī)最大鉆速0.47m/h，最小鉆速0.3m/h，鉆速在0.38m/h處趨于穩(wěn)定。

②機(jī)械選型。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明3種鉆機(jī)均能滿足施工要求。

SR-360與XRS1050旋挖鉆機(jī)購(gòu)置價(jià)格基本相同，但SR-360施工工效要略優(yōu)于XRS-1050。

XR-460D鉆速明顯大于SR-360，但是XR-460D旋挖鉆機(jī)存在以下兩點(diǎn)問(wèn)題：

1）購(gòu)置價(jià)格高、耗油高，施工成本高。且翰林站咬合樁總?cè)胪辽疃冗h(yuǎn)大于入巖深度，XR-460D旋挖鉆機(jī)無(wú)法最大程度發(fā)揮機(jī)械工效，獲取最大經(jīng)濟(jì)效益。2）鉆桿直徑為680mm，鉆桿伸縮時(shí)導(dǎo)致泥漿流失嚴(yán)重，拔出鉆桿后泥漿液面常低過(guò)護(hù)筒底部，無(wú)法有效護(hù)壁，易塌孔。

結(jié)論：對(duì)比3種鉆機(jī)鉆速、工效、效益，SR-360旋挖鉆機(jī)成孔？覫1000mm嵌巖咬合樁為首選。

4.2 嵌巖咬合樁施工鉆具的選型

4.2.1 施工鉆具的選擇

硬質(zhì)巖樁施工時(shí)機(jī)械、鉆具磨損大。合理選擇鉆具能加快施工進(jìn)度，減少機(jī)械磨損，提高經(jīng)濟(jì)效益。硬巖掘進(jìn)鉆具類型包括截齒鉆和牙輪鉆（如圖3）。

4.2.2 理論分析

①截齒鉆。

截齒鉆合金鉆頭對(duì)巖石產(chǎn)生剪切破壞而鉆進(jìn)。剪切破巖時(shí)，截齒既要受到鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)運(yùn)行阻力，又受加壓荷載壓入阻力，因此需合理布齒，探究截齒最優(yōu)切入角度，使齒間相互為對(duì)方創(chuàng)造自由面，確保高效破巖。

現(xiàn)場(chǎng)截齒磨損試驗(yàn)表明。切入角45～60°時(shí)截齒磨損嚴(yán)重，且合金鉆頭利用率低。切入角度20～45°時(shí)截齒更換頻率較慢且鉆頭利用率高。因此，巖層強(qiáng)度大于60MPa微風(fēng)化花崗巖中截齒切入角宜20～45°。

②牙輪鉆。

牙輪鉆的牙輪掌既能繞鉆桿柱公轉(zhuǎn)，又能繞牙掌心軸自轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)動(dòng)是以阻力較小的滾動(dòng)形式進(jìn)行，所以能承受較大鉆壓。牙輪鉆頭與孔底巖石接觸時(shí)，牙掌上合金鑲齒與巖石接觸面積小（成支點(diǎn)接觸），容易獲得較高單位軸心壓力，以利壓碎巖石。牙輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)除受鉆柱軸心壓力外，還受到因回轉(zhuǎn)時(shí)錐中心高度變化而產(chǎn)生的沖擊載荷作用，提高了碎巖效果。且牙掌鑲齒在孔底滾動(dòng)交替碎巖，有效提高鉆進(jìn)效率，降低鉆具磨損率，提高鉆頭壽命。

4.2.3 不同鉆具鉆進(jìn)工效研究

為研究不同鉆具鉆進(jìn)工效，分別進(jìn)行強(qiáng)度30～60MPa中風(fēng)化巖層及60～120MPa微風(fēng)化巖層鉆進(jìn)速度的試驗(yàn)研究。

①30～60MPa中風(fēng)化巖層中鉆進(jìn)施工。

1）截齒鉆施工7根樁，鉆巖27.09m，損壞鉆頭34個(gè)，平均每鉆進(jìn)1m損壞1.3個(gè)鉆頭。2）牙輪鉆施工7根樁，鉆巖9.3m，損壞牙輪鉆1個(gè)，基本無(wú)損耗。3）截齒鉆平均鉆速約0.69m/h，牙輪鉆平均鉆速約0.35m/h。

施工工效對(duì)比：在強(qiáng)度30MPa～60MPa的中風(fēng)化巖層中，使用截齒鉆的鉆速、施工效益均遠(yuǎn)超過(guò)牙輪鉆。

②60MPa～120MPa巖層中鉆進(jìn)施工。

1）截齒鉆施工4根樁，鉆巖2.5m，損壞鉆頭37個(gè)，平均鉆進(jìn)1m損壞15個(gè)鉆頭。2）嵌巖牙輪鉆施工8根樁，鉆巖10.1m，損壞牙輪鉆3個(gè)。平均3～4m耗費(fèi)1個(gè)鉆頭。3）牙輪鉆平均鉆速0.17m/h。截齒鉆鉆速極慢且鉆具耗費(fèi)嚴(yán)重，因此僅施工了3根樁，鉆進(jìn)速度0.1m/h。如圖4。

③施工工效對(duì)比及總結(jié)。

1）強(qiáng)度30MPa～60MPa巖層中鉆進(jìn)時(shí)，截齒鉆施工工效、經(jīng)濟(jì)效益均遠(yuǎn)超牙輪鉆。2）強(qiáng)度60MPa～120MPa巖層中鉆進(jìn)時(shí)，截齒鉆速度慢且鉆具損耗嚴(yán)重，牙輪鉆鉆速較截齒鉆快、磨損較小、經(jīng)濟(jì)效益超截齒鉆。3）在咬合樁施工前認(rèn)真研究分析地質(zhì)詳勘資料、補(bǔ)勘資料，了解不同部位地質(zhì)情況，若強(qiáng)度為30～60MPa中風(fēng)化花崗巖層，使用截齒鉆能最大提升施工效益。若強(qiáng)度60MPa巖層，則使用牙輪鉆更經(jīng)濟(jì)，為最優(yōu)施工鉆具。

5 ?嵌巖咬合樁施工參數(shù)選擇

翰林站基巖強(qiáng)度高達(dá)120MPa，如此強(qiáng)度巖層，正確選擇施工參數(shù)會(huì)大幅降低機(jī)械及鉆具磨損，提高施工進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)效益。

5.1 理論分析

XR-360旋挖鉆機(jī)具有鉆孔轉(zhuǎn)速及扭矩自適應(yīng)控制技術(shù)功能。即根據(jù)不同地質(zhì)對(duì)鉆桿施加壓力產(chǎn)生的阻力情況，能夠利用自適應(yīng)控制技術(shù)功能動(dòng)改變動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速及扭矩，最大限度地提高鉆進(jìn)效率。

旋挖鉆機(jī)鉆進(jìn)時(shí)不同壓力對(duì)應(yīng)不同轉(zhuǎn)速。壓力越大，鉆機(jī)的輸出扭矩越大、動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速越小。由于牙輪鉆鉆頭既能繞鉆桿柱公轉(zhuǎn)，又能繞牙掌心軸自轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)動(dòng)是以滾動(dòng)形式進(jìn)行，運(yùn)轉(zhuǎn)阻力較小，因此所需扭矩較小，而為保證掌心軸承的使用壽命，牙輪鉆頭不能承受過(guò)大的鉆桿壓力及動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速。

因此下文中僅對(duì)截齒鉆所需的工作參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。探究不同工作參數(shù)對(duì)旋挖鉆機(jī)施工鉆進(jìn)速度的影響。

5.2 不同工作參數(shù)鉆進(jìn)工效研究

選取3組微風(fēng)化花崗巖中鉆進(jìn)，進(jìn)行截齒鉆試樁試驗(yàn)，如圖5。

①由圖5可得，當(dāng)鉆桿壓力5.5～6.6MPa時(shí)平均鉆速0.35m/h。鉆桿壓力7.5～9.5MPa時(shí)平均鉆速0.45m/h。鉆桿壓力10～11.6MPa時(shí)平均鉆速0.52m/h。因此鉆速與鉆桿壓力及輸出扭矩大小成正比，與動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速成反比。

②試驗(yàn)表明，隨著鉆桿壓力增加，截齒鉆鉆頭耗費(fèi)也逐漸增多，噪音也越大。鉆桿壓力5.5～6.5MPa時(shí)每米耗費(fèi)鉆頭4.15個(gè)，噪音在94～96分貝之間。鉆桿壓力7.5～9.5MPa時(shí)每米耗費(fèi)鉆頭5.43個(gè)，噪音提升至98～102分貝。鉆桿壓力10～11.6MPa時(shí)平均每米耗費(fèi)鉆頭7個(gè)，噪音變?yōu)?04～110分貝。即鉆桿增壓越大，更換鉆頭越頻繁，更換鉆頭時(shí)間越多，施工噪音越大。

③分析表明，鉆桿壓力在7.5～9.5MPa時(shí)，既能保持一定鉆進(jìn)速度，又能適當(dāng)減少鉆具損耗，施工效益最好。

6 ?結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)上述研究成果組織本項(xiàng)目的咬合樁施工，并根據(jù)不同地質(zhì)情況，記錄不同施工參數(shù)對(duì)旋挖鉆機(jī)施工工效的影響，選擇最優(yōu)施工參數(shù)，確保了施工進(jìn)度及質(zhì)量，保障了施工效益。

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