硬岩条件下的钻孔灌注桩施工机械比选

硬岩条件下的钻孔灌注桩施工机械比选摘要钻孔灌注桩围护是目前项目施工中最常见的基坑支护方式，而高强度硬岩条件下的钻孔灌注桩施工则相对少见。由于受地层情况、成桩方式等因素影响，特别是硬岩条件下的钻孔灌注桩施工，还要受到岩层强度、施工机械的影响，钻孔灌注桩的效率、质量、安全管理、文明施工都很难得到有效保障。本文结合实例，阐述了南京地铁宁溧线土建工程TA09标遇到硬岩条件下的钻孔灌注桩施工难题，对比分析了分别采用全冲击钻施工以及旋挖钻+冲击钻组合模式施工的优缺点，结合现场施工的进度、质量、安全、成本等综合方面的考虑，最终确定了钻孔灌注桩的施工方案，希望为今后类似的项目施工提供借鉴。关键字钻孔灌注桩硬岩冲击钻旋挖钻1工程概述南京地铁宁溧线土建工程TA09标中山东路站，地处南京市溧水区，在秦淮大道和中山东路的交叉路口。本站呈南北走向，沿秦淮大道东侧跨中山东路布置。本站的设计总长度为151.8m，站中心里程处的宽度为21.4m，标准段的深度为23.31m，端头井的深度为25.24m。本站为地下三层结构，包括车站主体部分及车站附属部分，分别设置了4个出入口、1个安全出入口及2组风亭。其中1号出入口和4号出入口分别设在交叉口的东南角和西南角两处，规划为绿化用地；2号出入口在交叉口的东北角处，规划用作行政办公用地；3号出入口在交叉口的西北角处，规划为商住用地，并结合设置了一台无障碍电梯。2组风亭则分设在交叉口的东南角及东北角。安全出入口结合1号风亭设置，冷却塔布置在其附近。目前车站已完工。工程总平面示意如图1所示。4号出入口3号出入口2号出入口2号风亭组1号风亭组1号出入口图1工程总平面图本站的围护结构采用了61200X1400mm的钻孔灌注桩形式，共计266根，围护桩的布设形式除南端井全为长桩外，其余皆是长短桩间隔的布置。其长桩桩长为25m，共计179根；短桩桩长则分6.35m和13.1m两种尺寸，共计87根，围护桩的布置形式如图2所示。图2宁溧线TA09标中山东路站长短桩平面布置示意图本站基坑标准段的开挖深度为23.3m，南北端头盾构工作井的宽度为27.3m,开挖的深度为25.2m，采取混凝土+钢管内支撑的体系，沿着基坑深度方向设置了四道支撑。除第一道是混凝土支撑外，其余几道皆为6609X16mm的钢管桩支撑。依据地勘报告上显示，基坑内的岩体主要中风化安山岩、强风化安山岩为主。基坑北侧70m范围内的地面以下1m是中风化安山岩，基坑南侧地面以下9m左右皆中风化安山岩，呈坡状布置。本施工场地处中山东路与秦淮大道交叉路口的东侧，依据地勘报告上显示，拟建场地的地形起伏，有人工改造过。当时本站南北两边的房屋皆已拆除，而本站南侧约20m处即为中山河。且中山东路和秦淮大道沿线皆有多处的架空线及地下管线。该场地的地貌单元位于秦淮河古河道区，发育有坳沟，是侵蚀堆积平原。基坑的安全等级为一级，施工开挖时基坑周边2倍基坑的深度范围内堆载不得超过20KPa，车站围护、基坑的工程性质见表1所示。表1宁溧线TA09标中山东路站围护、基坑工程性质一览表

标准段基坑01200x14:00mm灌注桩，第轴以南有&800双重管旋喷桩24m/25.64/6.35J31w-3中风化安山岩第一道是混凝土支撑，第二、三、四道是0609x16钢管桩支撑13.71mJ31w-3中风化安山岩1号出入口、1号风亭0600x800钻孔灌注桩，悬臂端0650x450单轴搅拌桩。11.55mJ31w-3中风化安山岩1道支撑，风亭是0800x600混凝土支1.3〜11.4m，集水井深为12.95m。J31w-3中风化安山岩撑，出入2口则采用号出入口、2号风亭0600@800钻孔灌注桩，0600双重管旋喷桩桩间止16.55mJ31w-3中风化安山岩0609x12钢管桩支撑。2.3〜11.4m，集水井深为13.2mJ31w-3中风化安山岩水，咬合200mm。3号出11.J31w-32道2.3〜13.0，集水井J31w-3中依据地勘报告上显示，本站所涉及的特殊岩土主要为填土和残积土以及风化岩。按土层结构及其形状特征，大致可分为以下几种：①-1杂填土、①-2素填土、①-3淤泥、淤泥质填土、②1b黏土、粉质黏土、④-2b2粉质黏土。其下主要为J3lw-2强风化安山岩和J3lw-3R中风化安山岩。而钻孔灌注桩的桩底正处于中风化安山岩中，岩层强度为30~130MPa。本站的钻孔灌注桩分别是桩长6.35m，嵌岩为3m；桩长13.1m,嵌岩为3m；桩长25m，嵌岩为5〜20m，且全部进入中风化安山岩，岩层强度为80MPa以上。2工程难点南京地铁宁溧线土建工程TA09标中山东路站为一座地下三层结构的岛式双柱3跨车站，本站的南端头井为盾构始发井，根据南京地铁有限责任公司宁溧线工程管理处以及合同文件的工期节点要求，工程于2016年3月17日正式开工，围护结构须于2016年6月18日前完成，2016年12月1日将为盾构始发提供条件并移交场地，做盾构始发前的准备工作。根据车站地质报告，基坑开挖范围内为中风化安山岩，岩层强度高、开挖深度深，需采用爆破法进行基坑石方开挖，而爆破法为非常规的轨道交通车站基坑开挖方式，爆破施工效率、爆破过程中产生的情况、开挖功效等均无法作出准确的判断。而根据要求，盾构始发必须满足至少完成80m的结构，结构施工时间固定，加上混凝土等强以及排架拆除和清理时间固定，为确保盾构始发节点，首先必须确保围护结构施工按照工期节点完成。在高强度硬岩条件下，由于岩面分布线不均匀，常规的钻孔灌注桩施工机械无法在满足施工进度和施工质量及施工安全的情况下正常施工，选择最为合适的钻孔灌注桩施工机械，按时完成车站围护结构，为后续车站基坑石方爆破开挖以及盾构区间按时掘进创造条件，也是满足此工程关键工期节点的首要条件。3钻孔灌注桩施工机械比选在保证本站围护结构钻孔灌注桩的施工进度和施工质量的前提下，同时综合兼顾项目的工程成本、施工安全、文明施工等综合因素，确保本站的顺利完成，需对钻孔灌注桩的施工机械方案进行比选优化。3.1冲击钻施工方案目前市面上能在高强度地层中进行钻孔灌注桩施工的主要机械为旋挖钻机和冲击钻机，其中冲击钻机作为一种比较传统的钻机机械，有着地层适应范围广、施工环境要求小、施工造价较低等优点，因此前期在合同签订及工程筹划过程中，考虑到项目成本的因素，首先采用冲击钻方案进行施工。冲击钻施工如图3。图3冲击钻施工图本站共计266根钻孔灌注桩，初步拟定选用JK8型冲击钻进行施工。2016年3月17日2台桩机对2根25m桩进行试桩，两根桩分别耗时15天和17天，平均每根长桩需12天。稍后又进行了短桩成桩的试验，平均每根短桩耗时1.5天。前期计划此车站投入8台冲击钻机，每台桩机配备4人，另需配备一台挖掘机，则完成266根桩所需人员、设备、时间如表2所示。表28台冲击钻施工所需人员、设备、时间表（共266根）桩数功效长桩：长桩12天/179根根短桩：桩数功效长桩：长桩12天/179根根短桩：短桩：1.587根天/根人工员期3236人9天根据上表所示，如采取该方案，使用8台冲击钻根本无法满足现场施工进度的要求，如若需要在节点工期6月18日内完成车站全部钻孔灌注桩，则所需要的设备数量和人员如表3所示。表36月18日完成围护结构所需设备及人员数量表设备型号设备数量桩数功效人员工期JK8型冲击钻25台长桩：179根短桩：87根长桩12天/根短桩：1.5天/根10094天如若采用全冲击钻方案，则需要总共配备设备25台，人员100人方能在节点工期内完成中山东路站266根围护桩的施工。而冲击钻施工需要布置泥浆循环池，本站总长151.8m，现场施工场地根本无法同时满足25台设备的正常使用和运转，且届时施工现场布满泥浆池后，施工安全及文明施工均将无法满足相关要求。冲击钻施工方案单纯依靠机械重型锤头的自由落体对岩体的撞击和粉碎，成桩的质量也无法保证。同时，冲击钻施工过程中，因为岩层分布线不均匀，垂直度无法保证，发生偏孔后需要采用回填重新施工的方式进行纠偏，成桩质量更无法保证。而现场加入泥浆循环池，场地文明施工和人员施工安全均无法保证。综合以上因素，单纯采用冲击钻施工方案无法满足现场施工进度的需要，并且施工质量、施工安全、文明施工等各方面的要求也均无法满足。因此不考虑采用冲击钻施工的方案。3.2旋挖钻+冲击钻施工方案采用旋挖钻施工钻孔灌注桩，具有成桩功效快、成桩质量好、施工人员配备少、安全文明施工可以得到保障等优点，但施工成本也较之冲击钻施工大大增加。综合施工进度、施工成本、施工质量、施工安全以及文明施工等各个方面，初步考虑采用大功率旋挖钻机+冲击钻机的组合模式进行施工。旋挖钻施工如图4所示。图4旋挖钻施工图

其中旋挖钻的机械考虑选择徐工360钻挖钻机2台、徐工460旋挖钻机1台、宝峨25旋挖钻机1台，共计4台旋挖钻机，冲击钻机配置8台。8台冲击钻机负责长桩的施工，每台负责4根，共计32根。剩余长桩和短桩均由旋挖钻机完成，根据现场试桩情况，旋挖钻施工长桩2天/根，施工短桩2根/天。旋挖钻+冲击钻组合模式施工功效如表4所示。表4旋挖钻+冲击钻组合施工功效表设备负责桩数每台设备负责功效工期冲击钻（8台）根长桩4根/台12天/根48天徐工460旋挖钻（1台）49根长桩49根2天/根98天徐工360旋挖钻（2台）98根长桩49根/台2天/根98天宝峨25旋挖钻桩87根87根2根/天43.5天合计80天合计宝峨25旋挖钻短桩施工完成后再配合徐工旋挖钻施工长桩，加上施工过程中可能因其他因素导致的工期拖延，共计需耗时80天全部完成，按照计划，于2016年6月6日可完成全部的中山东路站围护结构灌注桩。该方案相较全采用冲击钻施工方案，虽然增加了约100万的费用，但成桩质量却得到了大大的提高，施工效率也明显增快，从而能在有限的时间内达到业主要求的工期节点。特别是在全断面中风化安山岩岩层的施工环境中，旋挖钻机能最大程度地发挥其作用，对于钻孔灌注桩定位、孔深的确定以及钻孔灌注桩的质量等各方面，均有显著功效，现场的施工安全、文明施工等也均能得到有效保障。4方案验证根据项目地层特性、项目岩层强度，结合项目工期节点、项目施工成本、项目施工质量等综合考虑，最终采用旋挖钻+冲击钻两种机械组合模式进行宁溧线土建工程09标中山东路站车站主体围护钻孔灌注桩施工。所有机械设备于2016年3月25日进场开始施工，经过2个多月的施工，于2016年6月10日提前完成了中山东路站围护的封闭，为后续基坑石方爆破开挖和盾构始发创造了有利的条件。同时在施工过程中，成孔垂直度偏差小于3/100，完全符合规范要求，经过小应变测试，所有钻孔灌注桩均为I类桩。开挖后桩的实体质量较好，过程中施工安全管理、文明施工控制、现场场容场貌均列全线的前茅。经过实践证明，旋挖钻+冲击钻的施工方案充分满足本工程施工进度、施工质量、安全文明等施工要求。5结语在钻孔灌注桩施工中机械的选择是较为重要的环节，通过本次方案的比选、调整，最终决定采用旋挖钻+冲击钻的组合模式施工，经过进度计算和实际施工，该方案功效完全满足施工进度的要求，施工质量也符合设计及规范要求，现场文明施工、安全管理等均达到了业主的需求。目前，南京地铁宁溧线土建工