苏州桥站中桩中柱施工工艺参数监测及分析

周翠红，陈佳蕊，冯利华，张洪军

(1.北京石油化工学院机械工程学院环境工程系， 北京 102617；2.中铁一局集团第二工程有限公司， 河北 唐山 063000)

随着国家轨道交通建设的大力发展，对城市内进行隧道施工提出了更高要求。目前，暗挖施工洞内机械成桩技术可以有效解决前期降水困难、施工受阻的困境。暗挖车站洞桩法中的桩基施工通常采用泥浆护壁钻孔灌注桩技术，洞内机械成桩法可以有效缩短整个工程工期、降低工程造价，机械成孔施工在不同地层的适应性良好[1-2]。

为确保暗挖导洞内桩基施工质量，需要对桩基质量进行监测，其中机械成孔是施工中的关键步骤，决定工程进度与工程质量[3-4]，由于该施工任务主要都在隐蔽处进行，且成孔较深，在多数施工中难以对其进行持续有效的观察和控制，给施工带来一定的不可预见性，甚至成为影响工程质量的隐患[5-6]。施工中任何环节出现问题将导致重大经济损失与社会不良影响，因此必须保质保量地完成桩基施工[7]。为使机械成孔施工效率得到进一步提升，并减少资源浪费，有必要针对复杂地层的施工状况的施工工艺参数进行监测分析[8-9]。通过对钻机在施工过程中的参数调整，从而优化施工质量、缩短工期、降低工程造价[10-11]，同时通过监测参数指导现场施工工艺，利用人工神经网络对影响机械成孔质量的因素进行预测并判断成孔质量，不仅能够确保中桩施工的安全与质量，而且能提高工程项目在经济和环境方面的效益[12]。在此基础上根据工况调节资源输出量可以加快地铁工程建设，降低施工成本，实现绿色节能环保的要求[13-14]。

调整中柱施工方法及工艺流程也可以有效提高施工效率。利用调垂机对钢管柱进行一体化吊装调垂施工，可以提升钢管柱的安装和调垂施工效率。在保障调垂质量的前提下，一体化施工方式可以极大地减少中柱施工周期。

根据北京地铁12号线苏州桥站洞内中桩中柱施工情况，对机械成孔的施工参数进行了监测，对机械成孔施工的用时及资源成本消耗、影响施工进度和工程资源使用量的机械成孔参数进行了分析，以期通过对钻机工艺参数、资源输出量的调整和优化达到缩短施工周期、减少施工成本的目的。

1 工程概况

北京地铁12号线苏州桥站采用洞桩逆作法施工，边桩共有367根，桩径1 m，桩长26.91～33.04 m，分A～F共6种型号。导洞中的中桩及钢管柱共62根，柱下桩基长10 m，桩径1.8 m，钢管柱长23.81～26.84 m，钢管柱直径为0.9 m，成孔总深度为29.81～33.06 m，总体工程量大。

主要地层结构如图1所示，成孔主要穿越地层为卵石⑤层、粉质黏土⑥层、细中砂⑥3层、卵石⑦层、粉质黏土⑧层、砂质黏土⑧2层、细中砂⑧3层、卵石⑨层。所使用钻机型号为657液压履带式循环钻机GF-350。

2 中桩施工参数分析

2.1 成孔参数分析

在中桩施工过程中，复杂地层环境易引发桩孔偏位、塌孔等问题，是影响成孔用时的关键因素。地层平均成孔用时如图2所示。通过对2号导洞内30根中桩的机械成孔时间进行监测分析，穿过地层的平均成孔时间参数表明：地层⑥与地层⑧的机械成孔难度低，多为粉质黏土与细中砂构成，相较其他地层的成孔用时较短。地层⑤、地层⑦与地层⑨为较难施工的卵石地层构成，故成孔时间较长。中桩的机械成孔用时在整体成桩施工中所占用时比重最大，根据地层情况提高机械成孔效率可以有效缩短中桩施工用时。

对洞内所有中桩的钻机扭矩、钻进速度及机械成孔时间进行监测分析，共计1 440组数据，根据钻机同一扭矩下的平均钻进速度与机械成孔时间绘制钻机工艺参数图，如图3所示。由图3中可以看出，随着钻机扭矩的增大，钻机的平均钻进速度降低，成孔时间增长。研究表明：钻进速度正常是保证工程效率的重要因素。在机械成孔过程中，钻进速度的调整应与地层环境相适应，在地层岩石硬度小，便于钻进成孔的地层⑥与地层⑧时，增加钻进速度至2 m/h可以有效缩短成孔时间，减少施工周期。但在地层遇到硬岩层及孤石、卵石钻进困难时，不能为提高钻进效率而盲目增加钻进速度，钻进速度过大不但会增加钻具的损耗、降低使用寿命，甚至还会造成钻机成孔故障。这是因为扭矩不足以抵抗卵石阻力时瞬间发生卡钻现象，长时间钻进时钻杆产生机械疲劳导致撕裂。不同地层的钻机转杆堵塞及钻具磨损现场施工情况如图4所示。若钻机施工参数的调整仍不能与地层相适应，必要时也可更换钻具来提升成桩施工效率。

2.2 资源用量分析

2号中桩的施工资源用量参数如表1所示。2号中桩施工通过地层⑧、⑨时出现地下水，通过地层⑥的用水、电的资源用量最低，地层⑧次之，地层⑥、⑧混凝土用量均最小为1.7 m3。对洞内30根中桩成桩施工通过不同地层的工程资源用量进行监测分析发现，资源用量与地层施工难度相关。

表1 中桩通过不同地层的资源用量 (编号：2号中桩)

Table 1 Resource usage of middle pile passing through different stratum (No.2 middle pile)

地层地下水水用量/m3电用量/(kW·h)(钻机+1台水泵)混凝土用量/m3⑤无25.3765.95⑥无8.4255.31.7⑦无33.81021.26.7⑧有16.9510.61.7⑨有50.61531.932

洞内所有中桩施工通过不同地层的水资源平均用量情况如表2所示。水资源消耗主要为反循环钻机需要的钻液。在中桩施工通过地层⑥与地层⑧时水资源使用量少，通过地层⑦与地层⑨时钻机易出现钻杆堵塞现象，加大水资源用量可以增强泥浆对孔的护壁效果，通过调整改善泥浆的配比提高泥浆的携渣能力，及时将钻孔内的钻渣排出，降低堵管的可能性。用电量、混凝土量与用水量的资源消耗与地层施工的难易程度保持较高相关性。监测中桩施工的资源用量参数，根据地层和成孔工况调节资源消耗可以有效节约施工成本。

2.3 工艺改进

机械成桩施工用时如图5所示。根据中桩的施工顺序对机械成桩的施工用时进行统计分析，18号中桩的成桩用时为85.5 h，而29号桩的成桩用时仅为24.5 h。根据地层环境通过对机械参数调整与资源工艺改进后的成桩施工用时明显降低，成桩的施工效率得到明显提升。进行工艺改进能有效缩短机械成桩的施工周期，降低工程资源的消耗成本。

表2 中桩通过不同地层的施工水用量 (m3)

Table 2 Water consumption of middle pile passing through different stratum (m3)

桩号5地层6地层7地层8地层9地层225.38.433.816.950.6322.57.530.015.045.0439.413.152.526.378.8525.38.433.816.950.6625.08.333.38.350.0726.08.734.78.752.0828.09.337.39.356.0927.69.236.89.255.21024.08.032.08.048.01127.09.036.09.054.01229.09.738.79.758.01330.010.040.010.060.01416.05.321.35.332.01518.79.346.79.356.01620.010.050.010.060.01720.010.050.010.060.01818.79.346.79.356.01918.79.346.79.356.02016.08.032.016.048.02220.010.040.010.070.02318.49.236.89.264.42418.09.027.018.063.02520.010.030.020.070.02619.39.729.019.367.72716.016.024.016.048.02828.19.428.118.865.62924.416.324.416.348.83030.010.030.020.070.03127.29.127.218.163.43228.19.428.118.865.6

3 成孔工况预测

对现场监测的成孔参数进行输入参数与目标输出参数的分类，确定输入参数、目标输出参数作为训练样本。输入数据选择钻孔深度、钻进速度和扭矩，目标输出参数为成孔用时。为了提升模型的收敛速度达到更好的训练效果，对输入参数与目标输出参数进行正则化处理，将用于训练与仿真的参数归一到[0，1]之间。

为了方便快捷地处理大量监测参数，实现对成孔工况的快速预测，使用Matlab软件中NNTool工具箱预测中桩的成孔工况。

使用人工神经网络进行预测分为两部分：第1部分为人工神经网络的训练，首先将用于训练网络的所有中桩输入参数(钻孔深度、钻进速度、扭矩)和目标输出参数(成孔用时)，共397组数据全部加载到Matlab软件中的NNTOOL，然后共同建立1个BP网络并对其进行训练，训练完成的BP网络结构如图6所示。第2部分为人工神经网络的预测，向第1部中已经完成训练的BP网络中加载10、19、20、28号中桩的输入参数(钻孔深度、钻进速度、扭矩)，使用该网络来预测4根中桩的成孔用时，正则化成孔用时的预测结果与监测参数如表3所示。最后，计算成孔用时的预测结果与监测参数的绝对误差评价成孔工况。

预测结果与监测参数的绝对误差如表4所示。预测结果表明，10号、19号、20号中桩的预测结果与监测参数的平均绝对误差分别为1.44%、4.19%、1.24%，28号桩的平均绝对误差为16.49%，平均绝对误差大于5%，表明28号中桩的成孔工况出现异常。同时在实际施工过程中，28号中桩出现了钻孔的塌孔、缩孔等异常工况，导致28号中桩第1次成孔时未达标，因此后续进行了重新填埋并二次成孔。现场的施工情况验证了该预测方法的正确性和有效性，因此使用该方法可有效地辅助预判中桩的成孔工况。

表3 正则化成孔用时的预测结果与监测参数 (h)

Table 3 The stimulation result and monitoring parameters of regularized drilling time (h)

10号中桩19号中桩20号中桩28号中桩预测结果监测参数预测结果监测参数预测结果监测参数预测结果监测参数0.24140.25000.34800.30000.30150.30000.34870.34000.24280.25000.34610.30000.30240.30000.34710.34000.24320.25000.44610.45000.30220.30000.34470.34000.35460.35000.49540.50000.24330.25000.21920.25000.20170.20000.49510.50000.24340.25000.27750.25000.20210.20000.49520.50000.24360.25000.25740.40000.20260.20000.49550.50000.24390.25000.25460.40000.20310.20000.49590.50000.30090.30000.37210.40000.35330.35000.43980.55000.30090.30000.31570.20000.35330.35000.60290.60000.35330.35000.32150.20000.35340.35000.60420.60000.35340.35000.33740.35000.35350.35000.60550.60000.35350.35000.33670.35000.35350.35000.60680.60000.35350.35000.33590.35000.35330.35000.60800.60000.35330.35000.33490.35000.35270.35000.60870.60000.35270.35000.33360.3500

表4 预测结果与监测参数的绝对误差 (%)

Table 4 The absolute error between stimulation result and monitoring parameters (%)

误差绝对误差平均绝对误差10号中桩19号中桩20号中桩28号中桩3.4416.000.502.562.8815.370.802.092.720.870.731.381.310.922.6812.320.850.982.6411.001.050.962.5635.651.300.902.4436.351.550.820.306.980.9420.040.3057.850.940.480.9460.750.970.700.973.601.000.921.003.801.001.131.004.030.941.330.944.310.771.450.774.001.444.191.2416.49

4 中柱施工分析

4.1 钢管柱调平

在中柱施工过程中，钢管柱的安装和调平时间较长。传统的钢管柱施工先对钢管柱进行分节安装，采用校正架通过自重与螺栓的反复调节来控制钢管柱的中心线与垂直度。四点一线的调垂方式为保持卡盘中心、钢管柱的柱底中心、柱顶中心、两道纵向轴线中心这四点在同一直线上，确保钢管柱的垂直度。一体化吊装调垂机可以对钢管柱实施一体化的安装和调垂工作，通过液压调整钢管柱垂直度可以实现精准快速调平。在中柱施工中采用一体化调垂机替代传统的钢管柱施工可以极大地提高中柱的施工效率，缩短中柱施工周期。

4.2 混凝土灌注

水泥浆凝结时间的长短对施工方法和工程进度有很大影响，需要对凝结时间进行测定，以检验其是否满足混凝土施工所提出的要求。钢管柱灌注施工用时易受混凝土性质和搅拌质量等因素影响，灌注时间过长会使混凝土上部结块，造成桩身混凝土夹渣，因此要严格控制灌注施工用时，避免对灌注桩质量和中柱施工周期造成影响。

5 结论

中桩中柱施工是影响整体地铁车站施工周期的关键因素，且资源消耗量巨大。合理进行施工监控有助于提高工程效率，节省施工成本的同时为绿色施工提供保障。研究结果表明：

(1)根据中柱施工工艺参数规律分析，钻进速度正常是保证工程效率的重要因素，需要根据地层状况进行调整。增大地层⑦与地层⑨的水资源用量可加强泥浆对桩孔的护壁效果，提高泥浆携渣能力。

(2)使用现场数据建立了输入数据选为钻孔深度、钻进速度和扭矩，输出参数为成孔时间的人工神经网络模型，利用该模型对4个桩的工况进行预测，预测结果与施工情况相符，提供了根据监测参数简单快速的对中桩成孔工况进行预测的方法。

(3)采用一体化吊装调垂机替代传统钢管柱的吊装及调垂施工可以有效提高中柱的施工效率；避免灌注施工用时过长影响灌注桩的质量。