复合地层导洞内成桩工艺研究

魏晨亮

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000）

近年来拱盖法广泛应用地下车站建设，通常做法是设置导洞，在洞内[2]施做边桩和中桩，形成稳定的受力体系后进行车站结构施工，由于洞内成桩施工机械受到限制，加上洞内场地狭小。需综合考虑作业空间、机械设备劳动力、成桩工艺等多方面因素，在北京地铁、沈阳地铁已有不少成功实例。但在广州复合地层中成孔面临成孔难、精度难以控制等难点。如何在导洞内成桩对存在的各种难点制定有效对策，确保安全质量可控、造价经济、工效合理，本文以广州地铁某拱盖法车站为工程背景对此予以探讨，旨在为类似工程提供鉴。

1 工程概况

广州地铁某拱盖法施工车站，为地下两层岛式车站，长约280m，标准段宽22.6m，覆土厚度约15m，采用两联拱双层结构。

图1 拱盖法车站施工流程示意图

2 工程地质条件

该段地层自上而下分别为＜1＞杂填土、＜4-2B＞淤泥质土层、＜4N-2＞粉质粘土层、＜3-1＞粉细砂层、＜5N-2＞硬塑状碎屑岩残积粉质粘土层、＜6＞全风化泥质粉砂岩、＜7-3＞强风化泥质粉砂岩、＜8-3＞中风化泥质粉砂岩。车站拱顶基本位于7号地层，岩石强度为12-16MPa，其余部位基本位于8 号地层，岩石强度为25-30 MPa。

3 成桩工艺研究

边桩及中桩成桩工艺主要有机械[3]成孔和人工挖孔桩。

3.1 钻孔灌注桩实验

洞内钻孔施工受导洞空间的限制，选型应充分考虑钻机性能及其空间适应性等问题，根据地质条件，满足空间尺寸要求，与地质匹配，钻机效率高、重量轻且移动方便，利于文明施工。

图2 边桩设置设计图

1） 全套管钻机，露天试验，施工中采用反循环工艺，需大型泥浆循环系统设备，垂直度偏差大，施工综合功为0.1m/小时，施工准备、更换钻头及移机10h，桩按16m 考虑，施工一根桩需要90h，施工效率低。2） 全液压反循环钻机，基坑内试验，施工中采用反循环工艺，需大型泥浆循环系统设备，垂直度偏差大（可增加配重），施工综合功为0.3m/小时，钻头磨损快，施工准备、更换钻头及移机8h，桩按16m 考虑，施工一根桩需要61h，施工效率低。3） 全液压履带反循环钻机，钻孔直径可调整（0.6m～3m）。钻进压力仅为几吨，适用于土层或砂夹卵石层，无法在岩石地层成桩。4） 反顶超低旋铣钻机，钻孔最大直径1.8m，正循环工艺，钻孔先钻导向孔直径250mm，深度大于大孔深度。换大刀盘扩孔至深度要求。钻、扩孔时注入冷却水，碎末由泥浆泵抽出，处理后水可继续使用，施工效率0.12m/小时。

表1 成桩设备比选表

3.2 钢管桩

采用锚固钻机，边桩规格：φ300@1000、双排。成桩效率：8 号地层4h/根，桩长16 米。存在问题：孔底沉渣厚，采用注浆泵或者特殊的污水泵抽出。需设置专门泥浆箱，钻孔基本满足需要，混凝土批量浇筑。

图3 边桩尺寸和锚固钻机

3.3 软土人工挖孔桩

放好桩位，破除小导洞[4]仰拱初支，修筑高度不少于10cm 护肩，采用分节挖土，分节支护（若需要），用铁锹等把渣土装入吊桶，用提升架提升至地面。

3.4 岩石水磨钻人工挖孔桩

采用水磨钻人工挖孔施工小导洞内[5]桩基，先用水磨钻沿桩孔轮廓抽芯，再用劈裂机劈裂岩芯。不设挖孔桩护壁。

4 边桩内力计算

图4 水磨钻人工挖孔桩图

图5 拱脚以下5m 为<7>号层

1） 1200@3000 砼边桩位移、内力计算；

2） 300@500 钢管边桩位移、内力计算；

拱盖法车站边桩采用混凝土桩和钢管桩，内力及侧向土压力均满足要求，300 钢管桩边桩相对偏柔。

5 施工工艺对比

1） 小导洞施工空间较小，机械钻孔桩不能选用大型设备，在广州复合地层施工难度较，人工挖孔桩地层适应性广。机械成孔施工安全优于人工挖孔桩。若桩深控制在中风化地层中，适当减少桩长，及时做好护壁及降水，可以保证安全。2） 钻机成孔采用机械化作业，单孔工效较高，导洞内净空狭小且钻机数量有限，综合工效低于人工挖孔桩。且采用人工挖孔桩，中柱梁体系等施工可与边桩的施工平行作业。初步计算，小导洞内机械成孔比人工挖孔桩多近3 个月，人工挖孔桩工期优势明显。3） 人工挖孔桩费用较高，相对于钻孔桩，综合对比费用需增加约120 万元。在广州复合地层拱盖法的边桩选型中，人工挖孔桩工艺简单对地层的适应性较强，桩身质量可靠且工期短，综合费用相对较高。钻孔桩采用机械成孔，安全性较高且综合造价低，但工艺复杂、作业环境差、工期长、桩身质量不易控制，对地层的适应性差。钢管桩施工速度快，但工程费用高。三种工法各有长短和利弊，在实际工程应用中，应根据场地地层条件、工期、造价等情况进行综合比较后确定。

图6 拱脚以下为<8>号层

图8 拱脚以下为<8>号层

综合施工环境及水文地质情况，车站范围主要以＜7-3＞强风化泥质粉砂岩、＜8-3＞中风化泥质粉砂岩地质为主，地层稳定，优先采用人工挖孔桩，桩身长度进入中风化岩层1-2 米。

6 结语

1） 洞内狭小空间施工需要对机械设备进行综合比选，使其满足洞内狭小空间的泥浆、设备、吊装和施工组织的要求；2） 机械成孔的同时需综合考虑地质条件、施工效率及工程经济性，在地质允许的条件下优选人工挖孔桩；3） 优化桩基施工工艺，确保施工安全，施工精度满规范要求，满足混凝土灌注连续、快速的要求；4） 过程中还需加强监测，合理安排施工顺序，确保管线、地表建筑物沉降满足要求。