杨天鸿
(杭州市钱江新城建设开发有限公司,浙江 杭州 310012)
沿江大道(观潮路—和睦港)地下综合管廊工程Ⅰ标位于杭州市钱江新城二期扩容区块内,管廊设计基坑呈长条形,开挖长度约2160m,一般段基坑开挖宽度为10.3~10.7m,开挖深度为5.0~16m,且基坑附近有需严加保护的D2400mm污水管,基坑等级为一级。基坑围护根据开挖深度分为φ800mm与φ1000mm钻孔灌注桩(桩长16~26m)、SMW工法桩、厚度80cm的地下连续墙3种围护方式。该项目地勘报告详勘揭露显示,拟建场地内6~14m处存有埋深深浅不一的抛石层,最大层厚约3m,块石粒径为25~50cm,如图1所示。障碍物对围护结构钻孔桩、三轴搅拌桩止水帷幕与坑底加固及地墙施工形成障碍。由于抛石堆积层软硬不一、岩块强度大,抓斗在遇到密集抛石的时候会无法正常张闭斗,进尺困难;若使用截齿筒式钻斗钻进,抛石层块状物不易破碎,大于钻斗进土口的块状物不能进入筒内,钻进效率很低;若用螺旋钻头钻进,钻杆摆动严重,无法钻进,且容易发生混凝土浇筑超方,造成大范围鼓包及侵入红线。为了克服该困难,施工单位采取了长套筒护壁配合钨钢齿筒钻头的方式进行清障施工。最后,钻进平稳,大部分块状物不需切削,提钻时抱爪将其抱住提出孔外,下放钻杆,其正转然后提钻,块状物全部掉出,钻进效率较高,成孔速度明显加快,日成桩5根左右。
首先采用旋挖钻机配稍大口径的螺旋钻头钻开孔,钻至障碍物层顶部;提出钻头后,用打拔桩机将钢护筒打入抛石层,更换特制钨钢齿筒钻下钻清土并清除障碍物,用筒钻切割土体,用液压抱爪将钢护筒内土石抓出;清障完成后,注入护壁泥浆,更换截齿筒式钻斗正常钻进,如图2所示。
旋挖钻机开孔时采用螺旋钻头开孔,开孔深度为2~4m,具体视土质、水位及土体自立情况而定,如图3所示。开孔的作用是粗略定位,确保套筒能够垂直准确打入桩位,因此,在下钻及提钻过程中必须保证水平位置精确和和垂直度,以较小的进尺和更多的螺旋来钻进。钻进过程中,螺旋钻头若遇到浅层零散碎砖,并不受影响;若遇到体积较大的石块,钻头会发生剧烈抖动,此时停止钻进。提钻时要保持垂直,不要接触到孔壁,保证钻孔均匀。
图1 地下障碍物示意图
图2 清障流程图
图3 旋挖钻机螺旋钻头开孔图
钢护筒可以穿过碎石之间的空隙,并在钻进清障的过程中起到支护孔壁的作用,如图4所示。护筒为钢质桶式结构,长度为4~12m不等,必要时要根据钻进的深度情况进行焊接接长。钢护筒打拔作业采用振动锤打拔机进行,施工中多只钢护筒轮流重复使用。钢套筒在测量仪器监测下调整其垂直度,由打拔机缓慢下压,下沉过程中,通过仪器全程监控垂直度,及时调整,确保长钢套筒垂直打入。遇到钢套筒打入困难未全部打入的情况,用旋挖钻机掏除筒内及筒底的碎石,掏除后用打拔机继续打入护筒。
图4 长钢护筒打拔作业
套筒下沉到位或者受阻无法下沉时,采用自带的钨钢锥齿的筒钻清障,利用桩机冲击力和钻头扭矩磨裂碎石,在护筒的护壁作用下,再用筒钻上的液压抓斗抓出钢护筒内物体。筒钻样式如图5所示。
图5 钨钢筒钻
正常钻进采用齿筒式钻斗成孔。若围护结构为三轴搅拌桩或地下连续墙,抛石全部清除后一边拔除钢护筒,一边回填素土,钢护筒全部拔除后,素土同时填到地面。若是钻孔桩,在清障后加入泥浆并更换截齿筒式钻头成孔至桩底标高。
桩基混凝土浇筑完成后,钢护筒不能马上拔出,否则混凝土会散流开。必须等到混凝土能够自立,不具备流动性之后再拔除,但为了不让混凝土出现裂缝、断桩、抱死等情况,需要在初凝前拔出。
土体的抛石位于粉土夹粉砂层中,碎石块直径为5~60cm不等,石块含量为10%~60%,在石块间间隙中填有黏土,层厚最高达3m。为简化工况,碎石块统一按照32.5cm直径和35%体积占比考虑,石块设定为最不利的球型。各障碍物及编号如图6所示。
图6 土体障碍物分布示意图(单位:m)
钻头或者套筒穿过抛石层时,会遇到3种情况:(1)护筒从障碍物石块之间的缝隙中穿过,如套筒从①、⑤、⑨、⑭号障碍物边缘擦过后沉入,振动沉入过程中只遇到土体;(2)护筒将障碍物石块挤开,如套筒会将③、⑪、⑫号障碍物挤到套筒外侧,将⑮、⑰号障碍物挤入套筒内部;(3)挤压过程中,障碍物在粉土夹粉砂土层中产生幅度不等的位移,并受到土体反力影响,如图7所示。
图7 障碍物位移示意图
在障碍物位移较小(贯入10cm以内)的情况下,可以取用地质勘察报告中粉土夹粉砂层中的桩端土端阻力特征值700kPa,计算得到障碍物移动时在土体中的阻力为700000×3.14×0.325×0.325÷4≈58kN。假设套筒到③号障碍物,触碰点位于障碍物中心水平向上35°的位置,则其竖直分力为116×sin35°≈33kN,水平向分力为116×cos35°≈47kN。其水平分力向套筒传递,受拉破坏点就是护筒与障碍物之间的接触点,根据套筒壁厚(2cm)和直径(110cm),可以计算得到套筒可以承受的水平集中力为215000000×(0.2×0.023÷12)÷0.01÷2÷0.55×2≈5.2kN,远小于47kN。在此工况下,若套筒强行下沉,将造成钢护筒扭曲。在不损害套筒的情况下,计算出被挤推的障碍物的最大直径仅为。
但实际施工中发现,钢护筒远没有想象中那么容易被破坏,10次中9次都可以将套筒顺利沉入并穿过碎石层,而套筒的变形并不影响钻头的下放。因此,可以判断出套筒可以推挤的石块远比9.7cm大,在套筒允许变形范围内。在现场实际应用中直径35cm以下障碍物可以被挤推至套筒以外,并且护筒变形不大,依旧能提供钻头下放和提升的空间。护筒不容易被破坏的原因是护筒内外都填充有土体,在受到障碍物石块挤推的过程中,除了钢套筒本体的承载力,护筒内外土体同样提供了挤推障碍物的反力,护筒变形后,内外土体会提供反力来维持套筒形状,极大提升了钢护筒的抗变形承载力,如图8所示。
图8 钢护筒挤推障碍物时受到的土体反力剖面及平面图
在竖直方向,根据振动锤的工作参数,其可提供的额定激振力足以提供最深12m范围内护筒的摩擦阻力及障碍物竖向挤推力,只需考虑障碍物竖向挤推力对护筒筒的破坏。其破坏点也是护筒与障碍物的接触位置,破坏形式为最常见的是受压屈曲破坏。
当套筒遇到35cm以上障碍物,或套筒与障碍物的接触点靠近形心时,护筒振动下沉的速度明显变小时,需要进行筒内清障,将筒底“卡”住套筒的障碍物“翘落”“切削”或“挤推”。相对于钢护筒,筒内清障使用的是筒钻清障,不但和套筒一样可以将障碍物挤推开,而且由于钨钢锥齿筒钻的结构强度远大于套筒,旋挖机可以提供180kN的下压力和280kN·m的钻头扭矩,因此筒钻可以对遇到的石块进行破碎和切削,同时完整取出筒内的石块。
钨钢筒钻清障工况示意图如图9所示。当筒钻掘至阻碍套筒下沉的⑰号障碍物上方,通过扭矩和下压力可以磨裂或挤动障碍物。障碍物顺利开裂后,筒钻得以继续下钻,下钻的同时会将筒钻外侧障碍物继续外挤,筒钻内侧的障碍物则顺利进入筒内;之后夹板合拢,将碎石连带土体一起取出;筒底清障完成后,套筒继续下沉,直到穿越碎石层。
图9 钨钢筒钻清障工况示意图
实际施工中还要注意,如果套筒受到障碍物挤压变形过大,那么筒钻下放时要保证钻头旋转,利用钻转过程中的外扩力,纠正套筒形状。必须等到钻头旋转不再被护筒卡住时,方能继续下钻,否则在提起时,容易卡钻。因此,护筒下放时,要避免硬压而导致的护筒变形过大。
通过长套筒配合筒钻清障,能够减少混凝土超方,确保基坑外壁平直。经过监测分析,该方法对土体造成的扰动较小。该方法适合碎石块直径为5~60mm不等、石块含量为10%~60%、呈现离散分布的地层。