富水大粒径漂石砂卵石地层旋挖成孔工艺研究

李欣旺/LI Xinwang

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001）

旋挖成孔工艺因速度快、噪声低、能耗小、适应力强等优点，已成为目前在各类地层桩基施工中最常用的工法之一。砂卵石作为一种特殊介质，粗颗粒随机分布，其组成包括砂石、卵石、砾石及大量细颗粒填充物[1]。在这种地层中使用旋挖工法施工围护桩时，主要会出现以下问题：①地层中大粒径卵石及漂石土骨架在经旋挖施工扰动后失稳，易发生孔壁溜塌现象；②大粒径漂石卵石强度高且形状不规则，表面光滑摩擦力小，极易导致钻具发生偏磨而快速损坏降低施工效率；③富水地层地下水通过孔壁补充速度极快，常规护壁措施难以形成泥膜，无法保证成孔稳定性。因此，在富水大粒径漂石砂卵石地层中进行旋挖成孔作业时，需要对传统旋挖工艺进行针对性调整，以适应在该地层中的施工需求。

1 工程概况

依托工程为都江堰至四姑娘山山地轨道交通永丰站、永丰站-蒲阳站明挖区间、蒲阳明挖隧道，3 个单位工程基坑支护形式均采用围护桩+钢支撑+桩间网喷的形式。其中永丰站主体结构基坑共计302 根∅1.0m 围护桩，桩长14～42m不等，明挖区间及蒲阳隧道主体结构基坑共计932 根围护桩，桩长16～22.4m 不等，共计1 234根围护桩（图1）。

图1 围护结构示意图

围护桩钻进施工所处地质主要以<3-12-3>卵石土（中密）及少量<3-13-1>漂石土为主，地下水一般埋深为1.8m 左右。其中∅20～150mm 卵石约占50%，∅200～1 200mm漂石约占10%～50%。漂石及卵石抗压强度达53～112MPa。

2 传统旋挖成孔工艺缺陷及改进措施

根据工程实践，本工程旋挖成孔施工有别于常规砂卵石地层旋挖施工，具体体现在：①钻进中振动荷载与冲击荷载强，机械部件极易发生疲劳破坏；②钻进过程中因大粒径卵石漂石形状不规则，尤其是孔壁处的卵石极易受到扰动后失稳垮塌，轻则造成孔径扩大混凝土超方，严重时或导致钻杆钻具因塌孔而被掩埋。若围护结构在施工过程中多次质量及安全事故，不仅对车站整体工期造成极大制约，同时也对后续基坑开挖工序造成较大安全隐患。因此，需从工装设备、施工技术、现场管理等多方面综合改进原有工艺。

2.1 钻具优化选择

在密实砂卵石层中，旋挖钻具应选用双开口旋挖钻斗钻进，在遇到砂层需采用捞砂斗[2]。但在直径较大的漂石、卵石地层中，此类钻具适应性较差。通过对试桩施工各工序时间进行统计归纳，若想提升此地层的成桩施工效率，就要从减少钻进时间，减少钻头磨损速率来实现。通过转变思路，规避改变常规钻头将土体破碎后携带出的传统做法，转为尽量减少破碎土体，直接将难以破碎的漂石排出，以达到增快钻进速度，减少钻具磨损的目标，从而实现对成桩速度的提升。通过针对性设计，在钻具内部设计合页板装置携带漂石，已实现能够携带∅850mm 粒径漂石，成桩速度最高实现单台钻机97m／天成孔进度指标，较试桩时常规钻具在此地层30m／天成孔进度指标有较大提升（图2、图3）。

图2 新型合页捞渣钻具

图3 钻进时排出大块漂石

2.2 钻进设备关键参数控制

在旋挖钻成孔施工中，对旋挖钻机的选型与操作控制常常被人忽视，但在实际施工中却是直接制约成孔施工效果的重要因素（图4～图6）。

图4 钻具截齿偏磨

图5 钻具受冲击荷载损坏

图6 孔口塌陷

1）钻机最大扭矩与大直径漂石卵石地层的适应性，若钻机扭矩不足，则极易因地层缩颈、漂石凸起导致钻具卡死。

2）下钻／提钻速度控制不当时，极易在孔内造成水土压力波动而造成护壁失效。在开始钻进或穿过软硬层交界处时，为保持钻杆垂直，应适当降低钻进速度，并在水下成孔提钻时，先停止1～3min，以防止负压吸垮孔壁。提土后要及时输浆，以防变换水头冲垮孔壁[3]。

3）钻进贯入度过高时，将导致设备扭矩、加压力陡然增大，设备钻具、钻杆等各部件磨损速率将陡然提升。

4）单次进尺深度过高时，一是单次进尺作业时间增长，塌孔埋钻风险高；二是砂卵石漂石地层土体松散系数大，单次进尺过大易引起钻具内渣土堵塞。

5）控制钻具检修频率。因砂卵石地层旋挖钻进时冲击荷载极易导致钻具截齿刀圈失效，从而导致钻具偏磨情况发生，进而引起故障传递至钻机动力系统，因此需通过时间与进尺双指标控制检修频率，确保设备利用率。

通过现场实践操作经验，以上参数建议值见表1 所示。

表1 富水大粒径漂石砂卵石地层钻机参数建议值

2.3 护壁泥浆优化

目前砂卵石地层旋挖钻施工普遍使用的泥浆护壁制备材料主要有3 种，分别为膨润土、高分子聚合物和黄土，采用自然造浆基本无法满足现场施工要求。如果单靠增加膨润土掺量来改善泥浆性质，膨润土的用量将很大，泥浆造价非常惊人[4]。在类似工程实践中，在富水砂卵石地层采用掺入量约为土体体积8%的黄土作为护壁材料以及其他辅助措施，可以有效降低砂卵石地层钻孔灌注桩混凝土超方系数[5]。因此，在本工程实际施工过程中，经现场实际施工试验，采用了“三合一”配比进行泥浆制备施工，保证了泥浆的护壁效果、保水效果、润滑效果均较为良好。

泥浆制备材料的掺入时机同样重要，需采用比重控制与进尺控制双指标控制，确保孔内泥浆在钻进施工全过程中的性能指标统一。本工程实践中各材料具体配比与实际作用见表2，实际施工中需根据地层情况进行试验以最终确定比率。

表2 护壁材料掺量表

2.4 施工工艺管理要点

富水大粒径砂卵石漂石地层旋挖钻成孔施工，因地层的不稳定性导致在施工管理方面容错率极低，通过对实际施工过程中发生的质量安全施工统计分析，列举施工过程中易忽视的管理问题，及相应应对措施（表3）。

表3 施工工艺管理措施

3 结论及展望

1）通过创新使用合页式旋挖钻具，在大粒径漂石砂卵石地层中以捞排为主、破碎为辅的钻进理念可有效提升成孔速度，同时对工程成本管理有一定的促进效果。

2）通过对钻机操作关键参数的总结分析，对大粒径漂石卵石地层桩机司机及现场技术管理人员提供管控思路，快速了解地层性质并针对性制定钻进策略。

3）通过对安全质量问题进行分析，提出了施工过程重点管控措施要点，对项目安全保质保量完成旋挖桩基作业有一定的参考价值。

4）由于富水卵石漂石地层颗粒效应，旋挖施工有更大的不确定性，同时冲击荷载、振动荷载等施工荷载在数值分析中也较难复刻实现，因此对该地层中的钻机切削土体原理、施工中特殊征兆的发现与处理还有待进一步研究分析。