新型低凈空鉆機在“PBA”洞樁工法中的應用

王立偉

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101399）

0 引言

“PBA”工法洞樁傳統施工方法為開挖上下雙層導洞，采用人工挖孔方式成樁，通過眾多開挖施工案例統計，傳統施工方法存有許多不足：①當地下水位高時，下層導洞的開挖支護與沉降難以控制；②底縱梁較窄，在軟弱地層，難以保證承載力；③逆作開挖落底時，側壁樁會出現水平位移，需增加橫通道和橫梁；④降水周期長，水資源浪費嚴重；⑤人工挖孔風險大，且效率低下。在以上工程背景下亟需洞內成孔機械，而地面上成熟的灌注樁機械成孔工藝多有旋挖鉆機成孔、長螺旋成孔、沖擊鉆成孔、全套管回轉鉆機成孔等工藝，但由于洞內空間狹小，地面常用機械無法直接應用于導洞內施工。

1 工程概況

1.1 工程設計概況

北京地鐵3 號線朝陽公園站為暗挖地下兩層/三層雙柱三跨島式站臺車站，與地鐵14 號線朝陽公園站呈三通道“T”形換乘，主體結構全長295.7 m。車站三層段總長44 m，總寬23.3 m，頂板覆土約6.53 m，底板埋深約25.15 m，為三層雙柱三跨箱形框架結構；車站二層段總長251.7 m，總寬23.3 m，頂板覆土約9.94 m，底板埋深約25.15 m，為二層雙柱三跨箱形框架結構。車站采用PBA工法暗挖逆筑施工。

根據北京市重大辦安全工作專題會議紀要“PBA 工法車站不使用或盡量減少使用人工挖孔作業的要求”，降低施工作業安全風險，經項目管理中心，3 號線總體組研究同意，朝陽公園站由8 導洞PBA法變更為6 導洞洞樁法施工，取消下邊導洞及條基，邊樁由人工挖孔樁改為鉆孔灌注樁，中柱人工挖孔護壁改為倒掛井壁小豎井施工。變更后三層雙柱三跨段導洞內圍護樁，圍護樁直徑1.0 m，樁長27.9～29.5 m，共83 根。二層雙柱三跨段導洞內圍護樁，圍護樁直徑1.0 m，樁長27.83～29.5 m，共373 根。車站洞樁樁位平面布置如圖1 所示。車站變更后，邊樁均在凈空3.5 m×3.04 m（起拱線）的導洞內施工，常規成孔設備均不能應用。

1.2 工程地質及水文地質條件

洞樁施工主要地層為細中砂⑥層、圓礫卵石⑥1層、粉質黏土⑦層、細中砂⑧層、圓礫卵石⑨層。車站主體結構施工范圍內共勘測到三層地下水，分別為潛水（二）、層間水（三）和承壓水（四）。

2 成孔工藝選型

目前應用較多的鉆機有沖擊鉆、全套管回轉鉆、旋挖鉆和反循環鉆機，鉆機性能對比見表1。

工程在覆土厚度不足10 m，3.5 m×3.04 m 凈空的導洞內進行，因此選擇鉆機的主要原則是體積小、重量輕、振動小、護壁好、成孔質量高。結合各種鉆機的特性，優先選擇反循環鉆機。

表1 鉆機性能對比

圖1 車站洞樁樁位平面布置

3 工程重難點

（1）成樁地層為圓礫、卵石、黏土、細中砂層，在保證鉆進速度以及控制鉆孔垂直度的同時要節約用水。

（2）排樁間距較小，要控制鉆孔過程中塌孔及減小塌孔對臨近邊樁造成的影響。

（3）地層復雜、成樁深度長，且機械成樁施工工藝復雜，控制沉渣厚度，保證成樁質量，確保樁基滿足承載要求。

（4）洞內機械成孔類似工程經驗少，要保證成孔工效，確保工序時間。

4 鉆機的研發及施工工藝

4.1 鉆機參數

根據現有導洞尺寸及地質條件，通過不斷試驗及改進，最終研發出低凈空履帶式液壓反循環鉆機，經過試樁證實，新鉆機成孔時間為8 h，完全可滿足施工要求。

鉆機尺寸4500×1500×3100 mm；整機重14 t，可分解組合；主泵功率132 kW，最大排量800 m3/h；最大鉆深150 m，鉆孔最大直徑3000 mm；動力頭轉速8 r/min，動力頭扭矩40 kN·m

4.2 成孔施工流程（圖2）

圖2 成孔流程

4.3 施工順序

圍護樁樁心間距1.3 m，為保證結構安全，采用隔三鉆一的跳打方式順序進行施工。

4.4 導坑施工

按照設計圖紙采用全站儀放出樁位，并加以保護，在人工破孔前在現場放樣時將控制點引至導洞拱頂懸掛線繩并做好標記。

洞內機械樁開口段利用人工挖孔護壁作為鉆進護筒，護壁厚度10 cm，深度2 m，開口直徑1.4 m，高度與工作面平齊。孔位經測量放樣后做好保護，施工過程中加強保護。按照測量點位用風鎬或電鎬以樁中心為圓心破除導洞底板初支結構混凝土，邊樁破除半徑為700 mm，破除仰拱格柵與環向及縱向鋼筋連接，邊樁開孔鎖口及導坑護壁采用C20 自拌混凝土。

為保證在破孔時邊導洞的穩定性及安全性應間隔開挖，不應連續破除仰拱格柵，仰拱格柵破除完成后及時施做環形鋼筋并與格柵主筋焊接牢固，開口處初支格柵與開口環形鋼筋及格柵主筋連接牢固，環向設置4 C 25 搭接成環與導洞底板格柵縱筋點焊牢固，每格柵鋼架間設置兩道A8 箍筋。

孔內作業時，孔口上面必須有人監護。挖出的土方及時運離孔口，砼圍圈上不得放置工具和站人，孔內提升設備采用自制提升架，高度1.2～1.4 m，手搖式設備（需設限位裝置）。提升設備必須安裝牢固符合相關要求，且使用狀態良好。孔內作業人員必須頭戴安全帽、身系安全帶。孔深挖至超過挖孔人身高時，在樁孔口或孔內裝設靠周壁略低的半圓防護板（網）。吊渣桶上下運土時，孔下作業人員應避于護板（網）下，做好安全防護，以防落物傷人。施工中應隨時檢查垂直運輸設備的完好情況和孔壁情況。挖孔班組人員撤離時孔口必須用硬質蓋板防護完成，避免人員墜落。

4.5 泥漿制備

（1）鉆孔樁采用泥漿護壁施工，配備泥漿循環系統。泥漿儲漿池、循環池、廢碴池等均放在導洞內，若滲漏情況嚴重則采用鋼箱放置，確保泥漿不污染周圍環境。根據工程地質情況，選用優質粘土造漿，必要時摻入適量蒙脫石含量高的膨潤土外加劑及鋸末。

（2）泥漿控制指標。①泥漿控制指標：比重1.15～1.2，黏度17～22 s，含砂率＜8%，膠體率＞95%，失水量＜1 mL/min。泥漿配比為水∶膨潤土∶火堿∶CMC=100∶20∶1∶0.6（質量比）；②鉆進中定時采集泥漿樣品，測定性能指標，不間斷給孔內補充一定稠度的泥漿，保持水頭壓力。

（3）排出的泥漿首先匯集在泥漿池，通過凈化設備將泥漿過濾后重新使用，廢渣運到豎井調走。

4.6 鉆進成孔

（1）鉆機配備及安裝：為保證鉆機穩定，鉆機四角液壓支撐必須在同一平面上，支腿應穩固，鉆機就位后底座和頂端應平穩、牢固。在鉆機鉆進前根據測量點位校核樁中心，鉆頭中與樁中心位置對應后方可鉆進；鉆進過程中使用鉆機頂部的起吊滑輪轉盤中心與鉆孔中心保持在同一鉛垂線上，另外使用吊錘輔助控制鉆機立桿垂直度，鉆進過程中經常檢查，嚴格控制鉆進速度，如有問題及時糾正。

（2）鉆孔開始時要減壓、慢速鉆進。待鉆頭和導向部位全部進入地層后，方可加速鉆進。鉆進過程中要進尺均勻，地層交界處要慢速鉆進。鉆孔作業要連續進行，作好鉆孔施工記錄。每2 h對泥漿指標進行檢測，不符合要求及時調整。鉆進過程中采用增重減壓鉆進，保持孔底承受壓力≤鉆具重量之和（扣除浮力）的80%，以避免斜孔、彎孔和擴孔現象。鉆孔至設計標高后，對孔底孔徑、孔深進行自檢，合格后進行清孔，為使沉渣及樁端注漿管安裝符合設計要求在鉆孔時刻適當超鉆150～200 mm。

4.7 成孔檢查

成孔達到設計標高后，對成孔質量進行檢驗，采用智能超聲波成孔檢測儀，檢測樁徑、樁深、垂直度等內容。在鉆進過程中經常性按照圍護樁測量點位復核鉆桿來控制，合格后進行下道工序。

5 結語

根據試樁測試，最新研發的低凈空履帶式液壓反循環鉆機可在低矮空間中施工鉆孔灌注樁，通過統計一根圍護樁的成樁時間為6～8 h，預計將在6 個月的時間保質保量的完成站內全部圍護樁作業，為整個車站的施工進度打下堅實的基礎，降水周期縮短1/3，節約大量水資源。機械化施工在安全保障、質量控制、文明施工、施工效率以及施工成本方面為工程提供巨大優勢。