富水大粒徑漂石砂卵石地層旋挖成孔工藝研究

李欣旺/LI Xinwang

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

旋挖成孔工藝因速度快、噪聲低、能耗小、適應力強等優點，已成為目前在各類地層樁基施工中最常用的工法之一。砂卵石作為一種特殊介質，粗顆粒隨機分布，其組成包括砂石、卵石、礫石及大量細顆粒填充物[1]。在這種地層中使用旋挖工法施工圍護樁時，主要會出現以下問題：①地層中大粒徑卵石及漂石土骨架在經旋挖施工擾動后失穩，易發生孔壁溜塌現象；②大粒徑漂石卵石強度高且形狀不規則，表面光滑摩擦力小，極易導致鉆具發生偏磨而快速損壞降低施工效率；③富水地層地下水通過孔壁補充速度極快，常規護壁措施難以形成泥膜，無法保證成孔穩定性。因此，在富水大粒徑漂石砂卵石地層中進行旋挖成孔作業時，需要對傳統旋挖工藝進行針對性調整，以適應在該地層中的施工需求。

1 工程概況

依托工程為都江堰至四姑娘山山地軌道交通永豐站、永豐站-蒲陽站明挖區間、蒲陽明挖隧道，3 個單位工程基坑支護形式均采用圍護樁+鋼支撐+樁間網噴的形式。其中永豐站主體結構基坑共計302 根?1.0m 圍護樁，樁長14～42m不等，明挖區間及蒲陽隧道主體結構基坑共計932 根圍護樁，樁長16～22.4m 不等，共計1 234根圍護樁（圖1）。

圖1 圍護結構示意圖

圍護樁鉆進施工所處地質主要以<3-12-3>卵石土（中密）及少量<3-13-1>漂石土為主，地下水一般埋深為1.8m 左右。其中?20～150mm 卵石約占50%，?200～1 200mm漂石約占10%～50%。漂石及卵石抗壓強度達53～112MPa。

2 傳統旋挖成孔工藝缺陷及改進措施

根據工程實踐，本工程旋挖成孔施工有別于常規砂卵石地層旋挖施工，具體體現在：①鉆進中振動荷載與沖擊荷載強，機械部件極易發生疲勞破壞；②鉆進過程中因大粒徑卵石漂石形狀不規則，尤其是孔壁處的卵石極易受到擾動后失穩垮塌，輕則造成孔徑擴大混凝土超方，嚴重時或導致鉆桿鉆具因塌孔而被掩埋。若圍護結構在施工過程中多次質量及安全事故，不僅對車站整體工期造成極大制約，同時也對后續基坑開挖工序造成較大安全隱患。因此，需從工裝設備、施工技術、現場管理等多方面綜合改進原有工藝。

2.1 鉆具優化選擇

在密實砂卵石層中，旋挖鉆具應選用雙開口旋挖鉆斗鉆進，在遇到砂層需采用撈砂斗[2]。但在直徑較大的漂石、卵石地層中，此類鉆具適應性較差。通過對試樁施工各工序時間進行統計歸納，若想提升此地層的成樁施工效率，就要從減少鉆進時間，減少鉆頭磨損速率來實現。通過轉變思路，規避改變常規鉆頭將土體破碎后攜帶出的傳統做法，轉為盡量減少破碎土體，直接將難以破碎的漂石排出，以達到增快鉆進速度，減少鉆具磨損的目標，從而實現對成樁速度的提升。通過針對性設計，在鉆具內部設計合頁板裝置攜帶漂石，已實現能夠攜帶?850mm 粒徑漂石，成樁速度最高實現單臺鉆機97m／天成孔進度指標，較試樁時常規鉆具在此地層30m／天成孔進度指標有較大提升（圖2、圖3）。

圖2 新型合頁撈渣鉆具

圖3 鉆進時排出大塊漂石

2.2 鉆進設備關鍵參數控制

在旋挖鉆成孔施工中，對旋挖鉆機的選型與操作控制常常被人忽視，但在實際施工中卻是直接制約成孔施工效果的重要因素（圖4～圖6）。

圖4 鉆具截齒偏磨

圖5 鉆具受沖擊荷載損壞

圖6 孔口塌陷

1）鉆機最大扭矩與大直徑漂石卵石地層的適應性，若鉆機扭矩不足，則極易因地層縮頸、漂石凸起導致鉆具卡死。

2）下鉆／提鉆速度控制不當時，極易在孔內造成水土壓力波動而造成護壁失效。在開始鉆進或穿過軟硬層交界處時，為保持鉆桿垂直，應適當降低鉆進速度，并在水下成孔提鉆時，先停止1～3min，以防止負壓吸垮孔壁。提土后要及時輸漿，以防變換水頭沖垮孔壁[3]。

3）鉆進貫入度過高時，將導致設備扭矩、加壓力陡然增大，設備鉆具、鉆桿等各部件磨損速率將陡然提升。

4）單次進尺深度過高時，一是單次進尺作業時間增長，塌孔埋鉆風險高；二是砂卵石漂石地層土體松散系數大，單次進尺過大易引起鉆具內渣土堵塞。

5）控制鉆具檢修頻率。因砂卵石地層旋挖鉆進時沖擊荷載極易導致鉆具截齒刀圈失效，從而導致鉆具偏磨情況發生，進而引起故障傳遞至鉆機動力系統，因此需通過時間與進尺雙指標控制檢修頻率，確保設備利用率。

通過現場實踐操作經驗，以上參數建議值見表1 所示。

表1 富水大粒徑漂石砂卵石地層鉆機參數建議值

2.3 護壁泥漿優化

目前砂卵石地層旋挖鉆施工普遍使用的泥漿護壁制備材料主要有3 種，分別為膨潤土、高分子聚合物和黃土，采用自然造漿基本無法滿足現場施工要求。如果單靠增加膨潤土摻量來改善泥漿性質，膨潤土的用量將很大，泥漿造價非常驚人[4]。在類似工程實踐中，在富水砂卵石地層采用摻入量約為土體體積8%的黃土作為護壁材料以及其他輔助措施，可以有效降低砂卵石地層鉆孔灌注樁混凝土超方系數[5]。因此，在本工程實際施工過程中，經現場實際施工試驗，采用了“三合一”配比進行泥漿制備施工，保證了泥漿的護壁效果、保水效果、潤滑效果均較為良好。

泥漿制備材料的摻入時機同樣重要，需采用比重控制與進尺控制雙指標控制，確保孔內泥漿在鉆進施工全過程中的性能指標統一。本工程實踐中各材料具體配比與實際作用見表2，實際施工中需根據地層情況進行試驗以最終確定比率。

表2 護壁材料摻量表

2.4 施工工藝管理要點

富水大粒徑砂卵石漂石地層旋挖鉆成孔施工，因地層的不穩定性導致在施工管理方面容錯率極低，通過對實際施工過程中發生的質量安全施工統計分析，列舉施工過程中易忽視的管理問題，及相應應對措施（表3）。

表3 施工工藝管理措施

3 結論及展望

1）通過創新使用合頁式旋挖鉆具，在大粒徑漂石砂卵石地層中以撈排為主、破碎為輔的鉆進理念可有效提升成孔速度，同時對工程成本管理有一定的促進效果。

2）通過對鉆機操作關鍵參數的總結分析，對大粒徑漂石卵石地層樁機司機及現場技術管理人員提供管控思路，快速了解地層性質并針對性制定鉆進策略。

3）通過對安全質量問題進行分析，提出了施工過程重點管控措施要點，對項目安全保質保量完成旋挖樁基作業有一定的參考價值。

4）由于富水卵石漂石地層顆粒效應，旋挖施工有更大的不確定性，同時沖擊荷載、振動荷載等施工荷載在數值分析中也較難復刻實現，因此對該地層中的鉆機切削土體原理、施工中特殊征兆的發現與處理還有待進一步研究分析。