臨海上軟下硬地層中地鐵車站抗拔樁施工技術研究

林蓬勃

(中交（深圳）工程局有限公司)

0 前言

隨著城市化的進程不斷快速發展，城市生活節奏加快，城市地下空間得到大規模的開發及利用，城市軌道交通建設由此發展迅速。在珠三角地區普遍存在上軟下硬地層，且地下水位高，使得抗拔樁的施工過程面臨著泥砂、砂礫同時涌入樁孔，以致于抗拔樁成孔緩慢、泥砂及砂礫下沉速度快、孔身泥漿護壁難度大、塌孔頻次增加。在不同的地質條件下選擇不同的成樁工藝差別較大，若工藝選擇不當，容易影響成樁質量。

本案例以深圳市城市軌道交通8 號線小梅沙站為工程背景，集成創新了一種組合成孔施工工藝，實現了上軟下硬地層中地鐵車站抗拔樁成樁工藝的重大突破，能夠高效、快捷、安全、環保地進行上軟下硬地層中抗拔樁施工。

1 工程背景

小梅沙站是深圳地鐵8 號線二期工程的第四個站，位于大鵬灣海域。小梅沙站為地下雙層島式車站，全長377.5m，車站標準段結構凈寬20.1m，開挖深度15.94～17.04m，采用明挖順作法施工，采用地連墻+內支撐的支護方式。基坑豎向布置三道內支撐，第一道支撐為鋼筋混凝土支撐，第二、三道支撐采用直徑800mm 的鋼管支撐。

2 地質水文情況

圖1 車站周邊環境航拍圖

小梅沙站東南方向約200m 為大鵬灣海域，地下水位埋深0.30～3.90m，地下水位受潮汐影響明顯，車站范圍內地下水與海水存在一定的水力聯系。車站范圍內地質屬于復合地層，呈典型上軟下硬分布，上層分布透水性極強的砂層，且厚度達到13m，小里程端下層分布超硬巖層，入巖深度達到8～14m，巖性為微風化花崗巖，單軸抗壓強度達到135MPa。

根據地質詳勘報告，基坑施工范圍地層由上向下依次為人工填土、海陸交互沉積及沖洪積粘性土、砂層及卵石層、殘積層、基巖全風化層、強風化層、中等風化及微風化巖層。

圖2 地質取芯微風化花崗巖巖樣

3 技術特點

3.1“沖擊錘+旋挖鉆+氣舉反循環”組合成孔工藝

在上部軟弱地層中使用沖擊錘成孔至軟硬交界面，充分利用沖擊錘在軟弱地層中施工孔壁質量好等優點，避免在深厚砂層中塌孔的風險。在下部超硬巖層中施工時換上旋挖鉆機，利用旋挖鉆對土體擾動小、施工速度快的特點，直至成孔結束。組合工藝有效避免出現斜孔、孔壁坍塌等現象，能確保抗拔樁成樁質量，有力地保證了主體結構的安全，可在類似上軟下硬地層施工中廣泛推廣。

通過采用氣舉反循環工藝清孔，將壓縮的空氣沿氣管輸送到孔底的噴導管，與泥漿形成氣水混合物，由于氣水混合物的比重較低會自行在孔內上浮，導致氣道的末端與噴導管底部區域形成負壓，將孔內的泥漿和孔底沉渣排送至泥漿池。該工藝能提高在深厚砂層地質條件下的成孔質量，對提高抗拔樁成樁質量有重要的意義。

3.2 一種新型牙輪鉆頭裝置

提出一種新型牙輪鉆頭裝置。對于相同地層使用同一鉆進扭矩，采用不同的斗齒刃前角度，其鉆進效率也是不同的。因此，選用合適的刃前角，才能提高旋挖機的進尺效率。對于硬度較小的巖層，斗齒刃前角選取45°～65°；在超硬巖地層中鉆進時，斗齒刃前角稍小些，選取25°～45°。

通過現場試驗，發現將斗齒刃前角從45°改成28°，可減小阻力提升進尺效率，助力加速復雜地質條件下進尺效率，鉆進能力顯著提高，功效高，有效節省工期。

圖3 普通的截齒鉆斗刀具

圖4 優化后牙輪鉆斗刀具

4 技術原理

本技術主要利用沖擊錘、旋挖鉆組合成孔工藝以及鉆頭選型優化。在軟弱地層中使用沖擊錘成孔，成孔至軟硬交界面，隨后采用旋挖鉆機對硬巖部分進行處理，使用優化后的牙輪鉆頭在孔底連續地擠壓、切削破碎巖石至設計要求深度，最后換上截齒鉆斗將底部破碎后的巖石取出。

5 施工技術要點

結合本車站現場實際情況和技術特點，本文重點從組合成孔、泥漿制備兩方面進行分析。

5.1 施工工藝流程

“沖擊錘+旋挖鉆+氣舉反循環”組合成孔工藝施工流程：樁位放樣→埋設護筒→沖擊錘成孔→旋挖鉆成孔→一清→鋼筋籠吊裝→二清、驗孔→澆筑混凝土→拔出護筒→空孔回填→下一孔位施工。

5.2 沖擊錘成孔

沖程控制：在淤泥層和黏土層沖擊時，鉆頭應采用中沖程(1.0～2.0m)沖擊；在砂層沖擊時，應添加小片石和黏土，采用小沖程(0.5～1.0m)反復沖擊，以加強護壁；在任何情況下，最大沖程不宜超過6.0m；為正確提升鉆錐的沖程，應在鋼絲繩上作長度標志（油漆標注、綁扎布條等）。

沖擊鉆進時，機手要隨進尺快慢及時放主鋼絲繩，使鋼絲繩在每次沖擊過程中始終處于拉緊狀態，既不能少放，也不能多放。放少了，鉆頭落不到孔底，因此不僅無法獲得進尺，反而可能造成鋼絲繩中斷、掉錘；放多了，鉆頭在落到孔底后會向孔壁傾斜，撞擊孔壁，造成擴孔。

圖5 沖擊錘施工

5.3 旋挖鉆成孔

垂直度控制：在鉆孔作業前需對鉆桿進行垂直度調整。將旋挖鉆中電腦系統調節到顯示桅桿作業畫面，從桅桿工作畫面中可以實時觀察到桅桿的X 軸、Y 軸方向的偏移，將桅桿X 軸、Y 軸方向的偏移調節到正負零的位置，司機可在鉆進過程中通過調整桅桿X 軸、Y 軸方向的偏移量來保證鉆桿的垂直度。

在整個鉆進過程中，應始終保持孔內泥漿液面高出地下水位1～1.5m，并低于護筒頂面0.3m 以上，若在鉆進過程中發現泥漿液面掉落，應及時補充泥漿，防止孔壁坍塌。

鉆進速度：需要根據地質情況控制旋挖鉆進尺速度。本工法在軟土地層中施工時采用的是沖擊錘成孔，旋挖鉆主要用于超硬巖地層中。鉆進至巖層后，鉆進時每次進尺應當控制在50㎝左右。frk＜60MPa 時，旋挖鉆鉆進速度為0.8～2m/h；60MPa≤frk≤130MPa 時，旋挖鉆鉆進速度為0.3～1m/h；frk≥130MPa 時，鉆進速度則為0.1～5m/h。

旋挖鉆鉆進過程中根據巖層巖性特性應選用不同的鉆具來起到提高功效的作用。鉆進至脆性較軟巖層時，可選擇截齒筒鉆作為鉆具，截齒在鉆頭帶動公轉時自轉，使截齒產生滑動，滑動的出現使巖石在剪切條件下碎巖；當鉆進至中、微風化花崗巖等硬巖基層時，則選擇牙輪筒鉆，鉆機施加鉆壓使硬質合金齒壓入巖石進行沖擊回轉碎巖，當牙輪硬質合金齒對巖石產生的壓應力超過巖石的抗壓強度后，使得巖石產生體積破碎。

圖6 旋挖鉆施工

圖7 牙輪鉆頭

5.4 泥漿制備

泥漿池制作：泥漿循環系統由泥漿池、泥漿泵、進出泥漿管等組成。

泥漿制作：泥漿采用膨潤土、純堿、纖維及水配制。采用專用的泥漿攪拌桶攪拌，拌好后倒入泥漿池，常溫膨化24 小時后進行泥漿指標檢測，合格后方可使用。

回收泥漿必須經過泥沙分離器處理，性能指標達到要求后才可循環利用。

本工法采用沖擊錘、旋挖鉆組合成孔工藝，由于旋挖鉆成孔不易形成泥皮，護壁性相對較差，容易縮徑、塌孔，因此旋挖鉆施工階段需采用泥漿護壁成孔，對泥漿配置要求相對較高。

泥漿管控要點主要為以下兩方面：

⑴泥漿液面控制。保證泥漿液面始終保持在地下水位1～1.5m 以上，護筒頂以下30～50cm，并且在鉆進的同時及時向孔內補漿，使孔內水頭保持一定高度，防止孔壁坍塌。

⑵泥漿指標控制。施工過程中應多次測試泥漿指標，當泥漿指標不符合要求時及時調整，使泥漿指標保持在規定范圍內。

圖8 泥漿池

圖9 泥砂分離系統

6 結語

結合臨海地鐵車站的地質、水文及周邊環境等特點，在深圳市城市軌道交通8 號線小梅沙站抗拔樁施工中采用“沖擊錘+旋挖鉆+氣舉反循環”組合成孔清孔工藝，解決了成孔質量差、硬巖地層鉆進效率低下等問題，獲得了良好的經濟及社會效益，對于今后在臨海上軟下硬地層中進行樁基施工有一定的指導意義和廣闊的應用范圍。

表1 泥漿性能指標