临海上软下硬地层中地铁车站抗拔桩施工技术研究

林蓬勃

(中交（深圳）工程局有限公司)

0 前言

随着城市化的进程不断快速发展，城市生活节奏加快，城市地下空间得到大规模的开发及利用，城市轨道交通建设由此发展迅速。在珠三角地区普遍存在上软下硬地层，且地下水位高，使得抗拔桩的施工过程面临着泥砂、砂砾同时涌入桩孔，以致于抗拔桩成孔缓慢、泥砂及砂砾下沉速度快、孔身泥浆护壁难度大、塌孔频次增加。在不同的地质条件下选择不同的成桩工艺差别较大，若工艺选择不当，容易影响成桩质量。

本案例以深圳市城市轨道交通8 号线小梅沙站为工程背景，集成创新了一种组合成孔施工工艺，实现了上软下硬地层中地铁车站抗拔桩成桩工艺的重大突破，能够高效、快捷、安全、环保地进行上软下硬地层中抗拔桩施工。

1 工程背景

小梅沙站是深圳地铁8 号线二期工程的第四个站，位于大鹏湾海域。小梅沙站为地下双层岛式车站，全长377.5m，车站标准段结构净宽20.1m，开挖深度15.94～17.04m，采用明挖顺作法施工，采用地连墙+内支撑的支护方式。基坑竖向布置三道内支撑，第一道支撑为钢筋混凝土支撑，第二、三道支撑采用直径800mm 的钢管支撑。

2 地质水文情况

图1 车站周边环境航拍图

小梅沙站东南方向约200m 为大鹏湾海域，地下水位埋深0.30～3.90m，地下水位受潮汐影响明显，车站范围内地下水与海水存在一定的水力联系。车站范围内地质属于复合地层，呈典型上软下硬分布，上层分布透水性极强的砂层，且厚度达到13m，小里程端下层分布超硬岩层，入岩深度达到8～14m，岩性为微风化花岗岩，单轴抗压强度达到135MPa。

根据地质详勘报告，基坑施工范围地层由上向下依次为人工填土、海陆交互沉积及冲洪积粘性土、砂层及卵石层、残积层、基岩全风化层、强风化层、中等风化及微风化岩层。

图2 地质取芯微风化花岗岩岩样

3 技术特点

3.1“冲击锤+旋挖钻+气举反循环”组合成孔工艺

在上部软弱地层中使用冲击锤成孔至软硬交界面，充分利用冲击锤在软弱地层中施工孔壁质量好等优点，避免在深厚砂层中塌孔的风险。在下部超硬岩层中施工时换上旋挖钻机，利用旋挖钻对土体扰动小、施工速度快的特点，直至成孔结束。组合工艺有效避免出现斜孔、孔壁坍塌等现象，能确保抗拔桩成桩质量，有力地保证了主体结构的安全，可在类似上软下硬地层施工中广泛推广。

通过采用气举反循环工艺清孔，将压缩的空气沿气管输送到孔底的喷导管，与泥浆形成气水混合物，由于气水混合物的比重较低会自行在孔内上浮，导致气道的末端与喷导管底部区域形成负压，将孔内的泥浆和孔底沉渣排送至泥浆池。该工艺能提高在深厚砂层地质条件下的成孔质量，对提高抗拔桩成桩质量有重要的意义。

3.2 一种新型牙轮钻头装置

提出一种新型牙轮钻头装置。对于相同地层使用同一钻进扭矩，采用不同的斗齿刃前角度，其钻进效率也是不同的。因此，选用合适的刃前角，才能提高旋挖机的进尺效率。对于硬度较小的岩层，斗齿刃前角选取45°～65°；在超硬岩地层中钻进时，斗齿刃前角稍小些，选取25°～45°。

通过现场试验，发现将斗齿刃前角从45°改成28°，可减小阻力提升进尺效率，助力加速复杂地质条件下进尺效率，钻进能力显著提高，功效高，有效节省工期。

图3 普通的截齿钻斗刀具

图4 优化后牙轮钻斗刀具

4 技术原理

本技术主要利用冲击锤、旋挖钻组合成孔工艺以及钻头选型优化。在软弱地层中使用冲击锤成孔，成孔至软硬交界面，随后采用旋挖钻机对硬岩部分进行处理，使用优化后的牙轮钻头在孔底连续地挤压、切削破碎岩石至设计要求深度，最后换上截齿钻斗将底部破碎后的岩石取出。

5 施工技术要点

结合本车站现场实际情况和技术特点，本文重点从组合成孔、泥浆制备两方面进行分析。

5.1 施工工艺流程

“冲击锤+旋挖钻+气举反循环”组合成孔工艺施工流程：桩位放样→埋设护筒→冲击锤成孔→旋挖钻成孔→一清→钢筋笼吊装→二清、验孔→浇筑混凝土→拔出护筒→空孔回填→下一孔位施工。

5.2 冲击锤成孔

冲程控制：在淤泥层和黏土层冲击时，钻头应采用中冲程(1.0～2.0m)冲击；在砂层冲击时，应添加小片石和黏土，采用小冲程(0.5～1.0m)反复冲击，以加强护壁；在任何情况下，最大冲程不宜超过6.0m；为正确提升钻锥的冲程，应在钢丝绳上作长度标志（油漆标注、绑扎布条等）。

冲击钻进时，机手要随进尺快慢及时放主钢丝绳，使钢丝绳在每次冲击过程中始终处于拉紧状态，既不能少放，也不能多放。放少了，钻头落不到孔底，因此不仅无法获得进尺，反而可能造成钢丝绳中断、掉锤；放多了，钻头在落到孔底后会向孔壁倾斜，撞击孔壁，造成扩孔。

图5 冲击锤施工

5.3 旋挖钻成孔

垂直度控制：在钻孔作业前需对钻杆进行垂直度调整。将旋挖钻中电脑系统调节到显示桅杆作业画面，从桅杆工作画面中可以实时观察到桅杆的X 轴、Y 轴方向的偏移，将桅杆X 轴、Y 轴方向的偏移调节到正负零的位置，司机可在钻进过程中通过调整桅杆X 轴、Y 轴方向的偏移量来保证钻杆的垂直度。

在整个钻进过程中，应始终保持孔内泥浆液面高出地下水位1～1.5m，并低于护筒顶面0.3m 以上，若在钻进过程中发现泥浆液面掉落，应及时补充泥浆，防止孔壁坍塌。

钻进速度：需要根据地质情况控制旋挖钻进尺速度。本工法在软土地层中施工时采用的是冲击锤成孔，旋挖钻主要用于超硬岩地层中。钻进至岩层后，钻进时每次进尺应当控制在50㎝左右。frk＜60MPa 时，旋挖钻钻进速度为0.8～2m/h；60MPa≤frk≤130MPa 时，旋挖钻钻进速度为0.3～1m/h；frk≥130MPa 时，钻进速度则为0.1～5m/h。

旋挖钻钻进过程中根据岩层岩性特性应选用不同的钻具来起到提高功效的作用。钻进至脆性较软岩层时，可选择截齿筒钻作为钻具，截齿在钻头带动公转时自转，使截齿产生滑动，滑动的出现使岩石在剪切条件下碎岩；当钻进至中、微风化花岗岩等硬岩基层时，则选择牙轮筒钻，钻机施加钻压使硬质合金齿压入岩石进行冲击回转碎岩，当牙轮硬质合金齿对岩石产生的压应力超过岩石的抗压强度后，使得岩石产生体积破碎。

图6 旋挖钻施工

图7 牙轮钻头

5.4 泥浆制备

泥浆池制作：泥浆循环系统由泥浆池、泥浆泵、进出泥浆管等组成。

泥浆制作：泥浆采用膨润土、纯碱、纤维及水配制。采用专用的泥浆搅拌桶搅拌，拌好后倒入泥浆池，常温膨化24 小时后进行泥浆指标检测，合格后方可使用。

回收泥浆必须经过泥沙分离器处理，性能指标达到要求后才可循环利用。

本工法采用冲击锤、旋挖钻组合成孔工艺，由于旋挖钻成孔不易形成泥皮，护壁性相对较差，容易缩径、塌孔，因此旋挖钻施工阶段需采用泥浆护壁成孔，对泥浆配置要求相对较高。

泥浆管控要点主要为以下两方面：

⑴泥浆液面控制。保证泥浆液面始终保持在地下水位1～1.5m 以上，护筒顶以下30～50cm，并且在钻进的同时及时向孔内补浆，使孔内水头保持一定高度，防止孔壁坍塌。

⑵泥浆指标控制。施工过程中应多次测试泥浆指标，当泥浆指标不符合要求时及时调整，使泥浆指标保持在规定范围内。

图8 泥浆池

图9 泥砂分离系统

6 结语

结合临海地铁车站的地质、水文及周边环境等特点，在深圳市城市轨道交通8 号线小梅沙站抗拔桩施工中采用“冲击锤+旋挖钻+气举反循环”组合成孔清孔工艺，解决了成孔质量差、硬岩地层钻进效率低下等问题，获得了良好的经济及社会效益，对于今后在临海上软下硬地层中进行桩基施工有一定的指导意义和广阔的应用范围。

表1 泥浆性能指标