市区富含大粒径漂石复合地层中钻孔桩施工技术

1、1、工程概况及特点、难点1.1工程概况xx地铁X号线是一条位于城市西部，整体呈南北走向的线路，主要分布在xx、xx两个行政区。线路起点设在xx区xx。xx地铁X号线全长为16.5km，全部为地下线，共设车站14座，车辆段1座。地铁X号线工程除西客站及其两端区间和国图南站及其南端部分区间已经建成外，其他工程一次建成。xx地铁X号线X标段位于X号线线路最北段部分，地理位置处于xx市区西北部，全长3018米，包含三站三区间，工程规模及主要施工内容详见下表：工程规模及主要施工项目表序号名 称结构型式规模、长度施工工艺1A站地下3层（局部4层）三跨两柱箱形框架结构长173米、宽21.9m明挖+暗挖2B站

2、（X号线部分地下2层（换乘节点部分3层）三跨两柱箱形框架结构长231米、宽22.70米明挖3B站（X号线部分）：地下3层三跨两柱箱形框架结构长153米、宽22.90米明挖4C站A站区间砼管片衬砌单线1212米盾构法5A站B站区间盾构：砼管片衬砌暗挖：初支+二衬砼859米盾构+矿山法6B站D站区间初支+二衬砼结构524米矿山法7盾构竖井地下3层矩形砼结构2114米明挖8盾构始发井地下3层矩形砼结构914米明挖9盾构接收井地下3层矩形砼结构914米明挖本标段三个车站及盾构竖井的明挖基坑围护结构，均采用围护桩+钢管支撑体系。施工总平面示意图见下图：地铁X号线X标段施工平面示意图1地铁X号线X标段施工

3、平面示意图2全标段围护桩约1571根，具体统计情况详见下表：地铁X号线X标段围护桩统计序号工程部位名称围护桩1000/长(米)围护桩800/长(米)围护桩600/长(米)备注一军事博物馆站-A站区间盾构井89/21-33.8围护桩89根二A站车站围护桩453根1车站主体251/29-30.521号出入口、2号风道85/2533号出入口68/1542号出入口、1号风道67/2554号出入口58/10-16三A站-B站区间1盾构始发井44/33.4围护桩44根2盾构接收井44/33.4四B站X号线车站1车站主体374/20-30.525号、6号出入口120/15.5五B站6号线车站1车站主体251

4、/3123号、4号出入口120/15.5小计1263根68根240根586根总计1571根本标段工程围护桩自xxx盾构井至东-白区间盾构始发井段，桩的下半部要深入砾岩层，该地层和其上面的界面层含有大量的大粒径卵漂石，且强度在100mpa以上，常规的施工方法成孔困难，需采取特殊的工艺，具体的施工范围有：军东区间盾构始发井（89根）、A车站（453根）及东白区间盾构始发井（44根），此范围地质情况类似，上部12.5米处于第四纪地层，围护桩下部全部进入砾岩层，且周边地下管线、建构筑物等环境条件复杂。区间盾构始发井围护桩设计参数：桩径为10001400mm钻孔灌注桩，；风道结构部位桩径为8001300

5、mm。桩长有3种，长度分为37.017m、18.797m、14.197m。A站围护桩设计参数：桩径10001500钻孔灌注桩，桩长27.12m28.93m。区间盾构始发井围护桩设计参数：桩径为10001300mm钻孔灌注桩，盾构始发井桩长长度30.747m。1.2施工难点和特点1.2.1工程所处地质条件复杂，常规工艺成桩困难很大：根据本场区地层地质和地下水情况，施工区域地层下部含有大量的大粒径卵石和漂石，漂石强度较高，可见漂石已测出在124187MPa之间，不排除有更高强度的漂石存在，这就给桩基施工造成很大困难，因此需要从桩基施工机械的适用性和该区域地层特点两方面综合考虑选择桩基施工方法。1.

6、2.2地下管线距桩位较近，成桩时必须妥善保护：本工程车站和盾构井均位于城市主干路上，地下管网密集，管线种类繁多，归属不同的管理单位，个别管线紧贴桩位。施工前要详细调查地下管线情况，必要时挖探坑确认，临近管线的桩孔施工时，管底至地面的桩长部分可采用人工挖孔护壁或采用钢套管护壁，防止塌孔对地下管线造成影响，同时也防止上下水管线渗漏造成桩身塌孔。1.2.3采用常规机械成孔时震动和噪音等对城市环境影响大：本线路道路两侧有大量居民楼，特别是A站周围居民楼很多，最近的居民楼距桩位仅4米，常规机械成孔施工时产生的震动和噪音污染将严重扰民，且居民楼比较老旧，容易引起纠纷。施工时只能白天施工，将严重影响工程进度

7、，同时桩基不能连续施工，容易造成塌孔等问题。同时采用旋挖、冲击钻等常规机械施工时将要建泥浆池，对现场的污染比较大，不环保，同时在狭小的施工空间内也比较困难。1.2.4地铁工程对成桩尺寸精度要求高，桩身不能侵入结构：如采用冲击钻成孔，扩孔率比较大，一般要大于桩身直径10%以上，特别是在砂卵石地层中，成桩的外形尺寸很不规则，桩内钢筋位移较大，开挖基坑后，将有很多桩身部位侵入结构内，二次剔凿的量很大，剔凿时有可能外露桩身钢筋，危害围护桩质量。1.3工程地质、水文情况调查1.3.1A站地质、水文概况（1）详勘的工程地质概况拟建场区地形基本平坦，钻孔孔口处地面标高为52.5553.24m。本站场地内土层

8、分布较为稳定，人工填土普遍厚度13m；第四系覆盖层厚度约为9-10m，地面以下13m进入晚第三纪天坛组砾岩?层。 地层情况如下：人工填土层杂填土层，粉土填土1层，细砂填土2层（粉土填土1层：黄色黄褐色，稍密中密，湿，含砖渣、灰渣等；杂填土层：杂色，稍密中密，湿，含房渣土、砖块、石块等，该层层底标高为46.8151.85m。）；第四纪全新世冲洪积层粉土层，粉质粘土1层，粉土2层，粘土3层，粉砂、细砂4层（粉土层：黄褐色褐黄色，中密，湿，1-2=0.140.26MPa，属中压缩性土，含云母、氧化铁，局部含有机质，局部夹细砂薄层；粉质粘土1层：褐黄色，可塑，1-2=0.18MPa，属中压缩性土，含氧

9、化铁、砂粒；粉细砂3层：褐黄色，中密，标准贯入击数N=16，含云母、氧化铁，呈透镜体分布，该层层底标高为42.8148.48m。）；细砂、粉砂层（粉土2层：褐黄色，中密，湿，属中压缩性土，含云母、氧化铁，呈透镜体分布；粉细砂3层：褐黄色，中密密实，湿，标准贯入击数N=2146，含云母、氧化铁，个别砾石；中粗砂4层：褐黄色，密实，湿，标准贯入击数N=4653，含云母、氧化铁、少量砾石，该层层底标高为37.7142.87m。）；卵石、圆砾层，粉质粘土1层，细砂2层（圆砾卵石层：杂色，密实，湿，重型动力触探击数N63.5=3863，最大粒径不小于300mm（依据附近探井资料），一般粒径2040mm，

10、亚圆形，中粗砂充填；粉细砂2层：褐黄色，密实，湿，标准贯入击数N=75，含云母、氧化铁，呈透镜体分布，该层层底标高为32.1138.48m。）；强风化砾岩?层，强风化粘土岩?2层（以棕黄色为主，强风化中风化，松散胶结，砾石成分主要为花岗岩、安山岩、石英岩等，亚圆形，最大粒径不小于110mm，一般粒径4080mm，夹泥岩薄层，水理性质很差，强度低，浸水后易崩解破碎。），详见下图所示：图1-1地质地质纵断面（2）车站补勘的工程地质情况A、车站补勘所揭示的地层规律与原勘察报告（工程编号：2006地铁详勘9-23）所揭示的基本一致。按土层沉积顺序自上而下简述如下：表层为厚度2.00m的人工填土层；深度

11、2.06.5m为第四纪沉积的粘性土、粉土层；深度6.514.4m为第四纪沉积的砂卵石层（含粘性土夹层）；深度14.4m以下至井底（深度24.0m）为第三纪岩层。有关地层的分布情况参见“图1-2 探井柱状图”。B、车站基坑开挖揭露的地层情况图1-3 深度03.5米的粉质粘土层 图1-4 深度3.5-10米的细砂、卵石层图1-5深度10-12.5米的圆砾、卵石层 图1-6 深度12.518.5米的砾岩层图1-7 深度18.527.2米胶结性较好的砾岩层图1-8 卵石层内大粒径漂石图1-9 砾岩层内大粒径漂石（3）水文概况本车站场区勘探期间（2006年12月下旬2007年2月上旬），勘察深度范围内测

12、到1层地下水：地下水类型为潜水，水位标高为39.0640.39m（埋深12.2013.60m），含水层为卵石、圆砾层。1.3.2军东盾构区间xxx盾构井地质、水文概况（1）详勘的工程地质概况本次勘察深度范围内地层自上而下可分为人工堆积层、第四纪沉积层及第三纪岩层三大类，按地层岩性及其物理力学性质进一步分为7个大层及其亚层，有关各土层的特征描述如下：人工填土层Qml：粉土填土层：黄色黄褐色，稍密中密，湿，含砖渣、灰渣；杂填土1层：杂色，稍密中密，湿，含砖块、石块等，局部为房渣土。该层一般厚度约2m，在xx公园内分布较厚，普遍在4m左右，该层层底标高为51.0844.98m。第四纪全新世冲洪积层Q

13、41al+pl：粉土层，褐黄色，中密，湿，含云母、氧化铁，局部夹粘性土薄层或透镜体；粉质粘土1层，褐黄色，可塑，含云母、氧化铁；粘土2层，褐黄色，可塑，含云母、氧化铁；粉细砂3层：褐黄色，中密，湿，含云母、氧化铁；该层层底标高为42.6348.48m。粉土2层，褐黄色，中密，湿，含云母、氧化铁，局部夹粘性土薄层或透镜体；粉细砂3层：褐黄色，中密，湿，含云母、氧化铁；中粗砂4层，褐黄色，中密，湿，含云母、氧化铁；该层层底标高为43.7439.90m。第四纪晚更新世冲洪积层Q3al+pl：圆砾卵石层：杂色，中密，湿饱和，重型动力触探N63.5=3176，最大粒径不小于300mm（依据探井资料），一

14、般粒径2080mm，亚圆形，中粗砂充填；中粗砂1层：褐黄色，中密密实，湿，标准贯入击数N=49，呈薄层或透镜体分布；粉细砂2层：褐黄色，中密密实，湿，含云母、氧化铁，呈透镜体分布。该层层底标高为39.6928.18m。粉土2层：褐黄色，密实，很湿，Es1-27.214.9Mpa，av1-20.100.24 Mpa-1，属中压缩性土层，含云母、氧化铁。在里程K10+900K11+300段，该层局部性状与强风化泥岩相似，本次勘察将其划分为粉质粘土层。卵石层：杂色，密实，湿饱和，重型动力触探N63.5=5890，最大粒径不小于300mm，一般粒径30-80mm，粒径大于20mm颗粒含量约为总质量的6

15、070。亚圆形，中粗砂充填；中粗砂1层：褐黄色，密实，湿饱和，含少量砾石；粉细砂2层：褐黄色，密实，湿饱和，含个别砾石。该层层底标高为35.5024.39m。晚第三纪天坛组(N1)砾岩层：杂色为主，强风化中风化，松散胶结，砾石成分主要为花岗岩、安山岩石英岩等，亚圆形，最大粒径不小于150mm，一般粒径4080mm，夹砂岩透镜体，易崩解破碎；泥岩1层：以红色、灰白色为主，强风化，部分风化为粘土，结构大部分破坏，矿物成分发生显著变化。该层具有膨胀性，天然湿度单轴抗压强度R0.7-2.0Mpa（经验值），该层顶板起伏较大，本次勘探未穿透此层。经过现场调查，该竖井所在地层内含有大粒径的卵石，可见最大粒

16、径为1.5米，卵石强度可达187兆帕。对围护桩施工影响很大。图1-10 军东区间xxx盾构井地质纵断面图（2）世纪坛盾构井补勘的工程地质情况补勘和现场地层调查工作从盾构始发井开挖至碎石土（深度约10m）后开始，施工开挖所揭示的地层规律与原勘察报告（工程编号：2006地铁详勘9-22）基本一致。按土层沉积顺序从碎石土自上而下简述如下：深度10.013.7m范围内为第四纪沉积的卵石层；深度13.7m以下为第三纪沉积岩层：其中13.715.0m深度范围内一般为粘土岩层，再往下至槽底深度（29.50m）范围内以砾岩层为主，局部约24.026.0m深度范围内为粘土岩与砾岩互层。A、卵砾石粒径调查结果1、

17、碎石土层调查情况：（1）深度10.013.3m范围内以卵石为主，局部为圆砾，卵石粒径一般为68cm，粒径大于10cm卵石较少；（2）深度13.313.7m范围内（第四纪碎石土层底部）卵石粒径相对上部地层较大，一般粒径为810cm，局部有粒径约4060cm的漂石个别存在。2、第三纪岩层顶部（深度约13.7m）至隧道结构顶部（深度约21.0m）范围内砾石粒径调查情况：（1）深度13.715.0m范围内整体为粘土岩层，表层厚约0.50m为全风化，受地下水影响强度较低，再往下基本为强风化状态，强度相对较高，混少量风化碎石屑；（2）深度15.018.0m范围内整体为砾岩层，强风化，泥质胶结，砾石一般粒径

18、为58cm，局部分布有少量粒径约2030cm的漂石，极个别最大粒径可达5060cm；（3）深度18.021.0m范围内整体为砾岩层，强风化，泥质胶结，胶结程度较好，砾石一般粒径为69cm，同时分布有少量粒径约3040cm的漂石，极个别最大粒径可达80110cm。3、隧道结构深度范围内（约21.029.5m）砾石粒径调查情况：（1）深度21.023.0m范围内整体为砾岩层，强风化，泥质砂质胶结，胶结程度较好，较大粒径砾石相对集中分布，一般粒径为48cm，局部分布有较多约3060cm粒径的砾石，最大粒径可达80cm；（2）深度23.026.0m范围内整体为粘土岩层，强风化，其中混少量风化碎石屑；（

19、3）深度26.027.5m范围内整体为砾岩层，强中等风化，泥质砂质胶结，胶结程度较好，较大粒径砾石相对集中分布，一般粒径为48cm，局部分布有较多约3050cm粒径的砾石，最大粒径可达60cm；（4）深度27.529.5m（槽底）范围内整体为砾岩层，强中等风化，泥质砂质胶结，胶结程度较好，整体强度相对较高，较大粒径砾石分布较少，一般粒径为69cm，极个别位置有粒径约4050cm的漂石存在。具体追踪调查的各点的统计分析情况如下表1所示。盾构井结构深度范围内砾石粒径分布情况 表1序号调查日期位置深度(m)粒径分布情况19.16东侧中部21.57080cm（长径）4560cm（短径）砾石3块，503

20、045cm砾石2块，30cm20cm砾石约40块，粒径大于20cm的漂石约占30，其余一般粒径小于10cm，以48cm为主，一般为砂质胶结，局部为粘粒，胶结物约占20。29.18东北角22.5长径约70cm1块，4050cm3块，2035cm5块，15cm左右5块，粒径大于20cm的漂石约占15，其余一般粒径小于10cm，以48cm为主，一般为砂质胶结，局部为粘粒，胶结物约占25%。盾构井结构深度范围内砾石粒径分布情况 续表1序号调查日期位置深度(m)粒径分布情况39.19西侧中部23.5粒径约2030cm10块，1020cm30块，粒径大于20cm的漂石约占10，其余一般粒径小于10cm，以

21、56cm为主，一般为砂质胶结，局部为粘粒，胶结物约占25。49.21整个槽底24.0槽底大部分区域见粘土岩，部分仍为砾岩，粘土岩为砾岩层中厚度不大的夹层。59.22整个槽底25.0槽底大部分区域仍为粘土岩，个别部位为砾岩，砾岩中砾石粒径不大，一般为46cm，泥质胶结。69.23整个槽底26.0开挖到此深度大部分区域粘土岩已被挖除，开始揭示砾岩，粒径不大，但胶结性更好，手难以掰开。79.25西侧中部27.05060cm（长径）3545cm（短径）砾石4块，30cm25cm砾石4块，粒径大于20cm的漂石约占15%，其余一般粒径小于10cm，以48cm为主，以泥质胶结为主，胶结物约占30。89.2

22、7东侧中部28.05040cm砾石1块，30cm25cm砾石1块，粒径大于20cm的漂石约占5，其余一般粒径为69cm，以砂质胶结为主，胶结物约占40%。99.28整个槽底29.5已开挖至设计槽底标高，整个槽底未见明显粒径很大砾石，一般为48cm，个别可达到1520cm。以上调查的点均只是盾构始发井槽底的一小部分，因盾构始发井平面范围较大，上述大粒径砾石的分布情况在盾构始发井开挖断面的不同位置差异较大，并无明显的规律性。从整体开挖的情况看，有明显粒径更大的情况，目前开挖揭示的最大粒径约为135cm85cm。开挖揭示槽底已扰动砾岩的情况如下图1-11所示。图1-11 开挖揭示的已扰动砾岩情况开挖

23、揭示槽壁砾岩的情况如下图1-12所示。图1-12 基坑侧壁揭露的未扰动砾岩层开挖揭示砾岩中大粒径砾石情况如下图1-1314所示。图-1-13 基坑开挖过程中的大粒径砾石图1-14 盾构始发井开挖过程中发现的最大粒径砾石，长径约135cm（3）水文地质条件本区间处于工程水文地质分区b亚区。受第三纪岩层顶板标高起伏影响（总体呈南北高中间低），地下水位变化较大。本区间场区南北两端勘探期间（2006年12月下旬2007年1月下旬），于勘察深度范围内测到1层稳定分步的地下水：地下水类型为潜水，水位标高为38.4938.77m(埋深13.3013.80m),含水层为卵石、圆砾层。1.3.3xx区间盾构始发

24、井地质、水文概况（1）工程地质概况本段土层分布较为稳定，自上而下依次为人工堆积层、第四纪沉积层、第三纪岩层，其中人工填土普遍厚度1.62.8m；依据钻探揭露，本段线路第四纪沉积层厚度最小约为15m，一般厚度为50m左右。本次勘察揭露地层最大深度为39.00m，根据钻孔钻探揭露与原位测试及室内土工实验结果，本次勘察深度范围内地层土质分布情况分述如下：工程地质单元岩土分类地质特征：人工填土层：杂填土层：杂色，稍密，稍湿，含砖块、灰渣、碎石，局部混凝土路面；粉土填土层：黄褐色，中密，稍湿湿，含灰渣、局部为粉砂填土。该层层顶标高为52.6852.99m,层厚一般1.602.80m，局部在2401孔附近

25、揭露为5.50m。第四纪沉积层：粉土层：黄褐色褐黄色，密实中密，稍湿湿，压实模量Es1008.010.6MPa，属中缩性土，含云母、氧化铁，局部含粘土、粉砂夹层；粉质粘土1层：褐黄色褐黄（暗色），中密中下，湿饱和，可塑（局部硬塑），压缩模量Es100=3.87.1MPa，属中高高压缩土，含氧化铁，局部含粘土、粉土夹层。粉砂、细砂4层：褐黄色，中密，标准贯入击数N=1625,属低压缩土，含云母，氧化铁，局部含粉土夹层。该层层顶标高47.2251.29m。粉砂、细砂层：褐黄色，密实中密，标准贯入击数N=2943,属低压缩土，含云母，氧化铁，局部含粉土夹层、少量园砾。该层层顶标高45.9847.12

26、m。圆砾卵石层：杂色，密实中密，湿饱和，剪切波速VS值376448m/s，重型动力触探击数N63.5=21100,属低压缩性土，钻探揭露卵石部分D大8cm，D长12cm，D一般26cm,亚圆形，级配较好，含细砂约30，局部含粘土团；细砂2层：褐黄色，密实，饱和湿，标准贯入击数N=3154,属低压缩性土，含云母，氧化铁，据不含粉土夹层，少量园砾。该层层顶标高41.1342.59m。粉质粘土层：褐黄色，中密，湿饱和，可塑，属中压缩性土，含氧化铁，局部含粘土，粉土夹层，混少量园砾。该层呈透镜体分布，层顶标高为33.2934.63m。卵石、园砾层：杂色，密实，饱和湿，剪切波速VS值452532m/s,

27、重型动力触探击数N63.5=50150,属低压缩性土，钻探揭露卵石部分DDA =8CM,D长12cm，D一般36cm,亚圆形，级配较好，含细砂约25。该层层顶标高为31.5932.83m。第三纪岩层砾岩（11）层：棕红色灰红色，半胶结弱胶结的极软岩，成岩性较差，强风化，胶结物以粘粒组为主，局部为细砂，易掰碎，砾石粒径一般2mm2.5mm6cm8cm,局部达20cm以上，磨圆度中等；砾岩（11）1层：紫灰色杂色，弱胶结极软岩，成岩性较差，强中等风化。胶结物以强风化的砂泥质物为主，砂石粒径一般2mm3mm9cm12cm,局部达20cm以上砾岩（11）2层：棕红色，极软岩，胶结中等差，强风化，含少量

28、云母及中粗砂粒，局部含少量砾石。该层层顶标高为30.6936.79m。图1-15 东白区间盾构始发井地质纵断面图始发井基坑开挖及区间暗挖挖揭露的地层情况图1-16 始发井往北区间暗挖的砾岩层图1-17 始发井往北区间暗挖土斗内集中的漂石图1-18 暗挖拱部砾岩层内的大漂石（2）水文地质条件本区间处于工程水文地质分区b亚区，勘探期间（2007年1月下旬3月下旬）于勘察深度范围内测到1层地下水：地下水类型为潜水，受第三纪岩层层顶标高起伏影响地下水位变化较大，表现为随第三纪岩层顶板由南向北逐渐降低，水位标高逐渐降低。根据底层分布规律、水位标高、含水层将本设计范围内区间地下水分布情况分为两段：区间起点

29、盾构始发井：本段第三纪岩层层顶标高为30.6936.79m，地下水富存在第三纪岩层上覆的第四纪卵石、园砾层中，实测水位标高为37.19m（埋深15.80m），盾构始发井盾构接收井；18.9621.00m，地下水富存在第三纪岩层上覆的第四纪卵石、园砾层中，实测水位标高为24.04m（埋深28.30m）（2）浅层地下水动态变化规律工程厂区潜水天然动态类型属渗入-蒸发、径流型，主要接受大气降水入渗、地下水侧向径流等方式补给，以地下水侧向径流及人工开采为主要排泄方式，其水位年动态变化规律一般为：11月份来年3月份水位较高，其他月份水位变化幅度一般为23米。1.3.4砾岩层地质特点（A站，xxx盾构井，

30、东白区间盾构始发井） 对于围护桩影响最大的第三纪强、中等风化砾岩?层及强风化粘土岩?2层。粘土岩和砾岩成岩时间较晚，成岩程度低，其强度较低，一般的粘土岩和强风化砾岩单轴抗压强度为0.32.0Mpa，为极软岩；中等风化的砾岩及夹有的粘土岩工程性质较好。总的来讲：围岩不稳定、变形较大，开挖后在极短时间将松弛坍塌，引起地面沉降和开挖断面塌方。根据原位勘探及车站基坑开挖调查情况分析，车站范围内存在随机分布的大粒径卵石和漂石，砾岩中也分布有颗粒较大的砾石，据推测大于400的卵石含量在1540之间，且随机分布，调查期间可见最大粒径12001500大漂石。2、项目工作内容和可行性分析2.1项目工作内容xx地

31、铁X号线是一条位于城市西部，整体呈南北走向的线路，主要分布在xx、xx两个行政区。线路起点设在xx区xx，沿xx路南延向北，从xx火车站东侧穿过并一直向北至xx路路口，右转沿道路向东，穿过xx，至xx路路口，左转沿道路向北，穿过xx西客站以及xx公园，沿xx路继续向北，从xx桥的东侧穿过，至国家图书管与四号线衔接。xx地铁X号线全长为16.5km，全部为地下线，共设车站14座，车辆段1座。其中X标段包括A站、B站2个车站和x站北A站、A站B站（部分）2段盾构法区间隧道以及A站B站（部分）、B站国图站2段矿山法区间隧道，全长约3km。在砂卵石地层和砾岩地层中（地层中含有大量大粒径、高强度的卵石和

32、漂石），且在地下水位以下采取何种成桩工艺技术是本项工程顺利开展的突破点。同时，本工程位于城市繁华市区，地下管线、社会交通、楼房林立、人员密集等周边环境异常复杂，给成桩施工带来很大的难度。成桩工艺选择、钻孔机械选型、经济成本、环保指标控制等技术等均需要进行专题研究，以求在该技术领域能够有所创新、有所突破。其研究成果不但为本工程建设任务的圆满完成提供坚实的技术保障，而且还能够推动复杂条件下的地铁围护桩或桩基施工技术的进步。研究内容主要包括：砾岩、卵石地层中成桩工艺选择分析；各种类型钻机在砾岩、卵石地层施工中对周边环境影响的对比分析；钻机在砾岩、卵石地层中的垂直度等质量指标控制；全套管钻机在有水卵石

33、地层条件下提高施工工效的方法、措施；全套管钻机针对大粒径卵石、漂石的破岩、冲抓施工技术研究等。2.2目的和意义近年来，随着社会经济的发展，城市规模不断扩大，交通问题日益严重，各大城市陆续开始兴建地铁项目，xx市也迎来了地铁建设的高峰期。目前xx市正在兴建多条地铁线路，由我公司承担的地铁X号线6标地铁工程穿越城市复杂外部社会环境和地质条件，其具体地质条件为含大粒径砾石、飘石（局部大块飘石粒径1.5米）的砾岩层、卵石层，如此复杂的工程条件在今后建设xx市西南部地区的地铁等地下工程中都会遇到，具有很好的借鉴意义。为使地铁复杂地质条件及环境条件下的施工安全、高效，必须解决好施工中的关键性问题，包括成孔

34、工艺选型研究、成桩施工质量控制、全套管钻机针对大粒径卵石、漂石的破岩、冲抓施工技术研究等方面的施工工艺、以及现场信息化管理等。为此，我们提出了“城市环境富含大粒径漂石复合地层中钻孔桩施工技术研究”这一课题，旨在通过这一课题的研究，为当前xx乃至全国的基坑围护桩穿越复杂地质条件和环境条件下提供施工依据，解决施工中遇到的难题，提高国内桩基的施工工艺和技术水平。2.3国内外研究现状及发展趋势目前国内外成桩工艺和技术多种多样，机械设备也在不断更新，各种地层结构均有较成熟的施工技术和配套的施工设备，施工工艺设备的选择主要考虑进度、安全、质量、环境、和造价等方面的因素。目前世界上发达地区在市区施工多采用全

35、套管钻机，基本上干孔作业，机械化程度高，由于没有泥浆，对环境的影响小，但造价相对较高，不太适合中国国情，但随着中国经济的进一步发展，社会对工地环境的要求越来越高，采用相对环保的施工工艺是发展方向。随着对施工安全的越来越高的要求，像在国内传统的人工挖孔桩工艺也越来越受到更多的限制，必然要研究发展替代的施工工艺和方法。2.4技术可行性分析2.4.1本项目研究的技术关键及技术创新点；富含大粒径漂石砾岩、卵石地层中钻机成孔工艺选择分析。各种类型钻机在富含大粒径漂石砾岩、卵石地层施工中对周边环境影响的对比分析；钻机在富含大粒径漂石砾岩、卵石地层中的成桩垂直度和质量控制。全套管钻机在有水卵石地层条件下提高

36、施工工效的方法、措施；全套管钻机针对大粒径卵石、漂石的破岩、冲抓施工技术研究。2.4.2研究、试验方案或主要技术路线；通过调研、收集国内外本领域发展现状，总结已有类似工程成功的经验；预测施工过程中可能发生的偏差、断桩、卡钻、地质变化等情况，从而有针对性地采取有效控制措施；采用信息化施工方法，在临近管线部位设置监测点，加强对施工过程的监测，发现异常及时采取措施，保证桩基施工周边地下管线和构筑物的安全。2.4.3主要技术指标。（1）桩垂直度控制指标：5：桩顶的设计标高，允许误差为顺轴向+50、-50mm，垂直轴向+50、0 mm。其他技术指标满足规范要求。（2）施工进度满足总体施工进度要求。（3）

37、工程造价可控3围护桩成孔施工工艺技术研究围护桩按照开挖形式分为机械成孔和人工成孔；按照护壁方式分为泥浆护壁、钢护筒护壁、混凝土护壁等；按照成孔工艺分为干成孔和湿成孔。根据调研目前可用于本项工程的成孔方法主要有：日本车辆回转全套管RT-150型钻机，宝峨全套管钻机，昆明MZ100摇管式全套管钻机，潜孔锤钻机，冲击钻，宝峨大功率旋挖钻机，螺旋钻机，正反循环钻机，人工挖孔等。各种成孔工艺的调研和试验详见以下各节：3.1日本车辆回转全套管RT-150型钻机属于套管旋转挖掘式的全套管工法，适用于含有大卵石、漂石、旧的钢筋砼结构、旧桩、钢板桩和岩石地层，调研的日本车辆生产的RT-150型钻机，通过一台液压

38、装置转动外套管，使套管端头的刀具切割地层，向下逐渐达到设计高度，配合冲抓工具将管内土石取出成孔。该套装置提供的扭矩和压力强大，使外套管切削能力强大，配合不同的刀具，可切削坚硬的岩石甚至钢材。切断后的漂石通过中心抓斗直接抓出，钻孔深度达到130米，直径1.5米以内，由于采用切削方式，所以能在低噪声、低震动的状态下进行施工。该钻机单价约500万元（不包含配套的履带吊车），单桩成孔时间约24小时，目前国内上海海腾公司有进口的钻机，每个车站如果全部采用本设备，约需腰3-4台设备，配合其他钻机使用时效率较低。该钻机具有以下功能：（1）已确认能够对单轴抗压强度为137-206mpa的卵漂石或岩层进行切割。

39、（2）已确认在砂砾、软岩层等地层的挖掘深度可达62m，在淤泥、粘土层等的挖掘深度可达73m。（3）已确认挖掘的垂直精度可达1/500。（4）已确认能够有地下障碍物（现存的钢筋砼结构物、钢筋砼桩、钢桩等）的地层进行挖掘。（5）已确认利用楔形夹紧机构能进一步提高套管加紧的可靠性，同时还由于在夹紧机构开闭时不需要进行软管的的拆装，所以减少了作业时间。（6）已确认通过自动控制套管的压入力，可以保持符合切削对象最合适的切削状态，以及防止切削钻头的超负荷。下图为该钻机施工系统配置图：包含钻机主机、套管、履带吊、液压站、发电机等。右图为该钻机切削卵漂石示意图： 套管旋转时向下施加压力，利用套管端头的破岩刀具

40、将卵漂石切断，利用抓斗抓出成孔。下图为切断和抓出的岩石：RT-150全套管钻机性能参数详见下表：RT-150全套管回转钻机施工照片优点：成孔能力强，无污染，噪音小缺点：钻机移动困难、占地大、造价高3.2 SH22液压风动冲击钻机（潜孔锤）该设备为上海金泰工程机械有限公司研制的液压风动冲击钻机，此设备是一种以钻进基岩为主的新型桩基础施工设备。其工作原理是：以风动潜孔锤向基岩冲击使岩石局部压碎和剪切破碎进行基岩钻孔，采用伸缩式钻杆进行气举反循环、气举正循环排渣，或破碎后进行干式取土，能够实施对大断面硬岩的高效钻进。该设备克服了在GPS工程钻机上配置潜孔锤对硬岩施工也具有不少的局限性，如加接钻杆时工

41、序复杂，潜孔锤检测不方便，钻杆的密封要求高，经常漏气、漏浆，造成了实际工作效率低，劳动强度大，环境污染严重等不足。 该设备主要有以下几点创新：（1）结合二十多年的潜孔锤研制经验，针对不同地质条件开发了 多种钻头，有球齿式、滚刀式、破碎用的长钎头以及复合式等；（2）根据地层情况可多种工艺方法组合使用。（3）配备伸缩钻杆，很好地解决了加接钻杆时的工艺复杂性；（4）可以很方便地在冲击和旋挖等工法中进行转换；（5）大三角结构的应用，使得整机稳定性大大提高。主要技术参数如下所示：（1）额定功率为194KW（2）钻孔最大深度为56米（3）主卷扬机提升力为220KN（4）动力头最大输出扭矩为100KN.m（

42、5）加减压油缸的最大行程为5700mm（6）总重量约为70T（不带钻杆，其重量为12T） ?钻具?天车?桅杆?绞盘?大三角?动力头?卷扬机?空压机?上底盘?下底盘SH22液压风动冲击钻机整机示意图 采用中空贯通式气动潜孔锤采用压缩空气驱动工作，以冲击的方式对岩石进行体积破碎。破碎后的岩屑以反循环的形式由中心管道迅速排出，极大地较少了重复破碎现象，成孔速度快，钻进效率高，成孔质量好，尤其是在中等硬度岩石以上具有巨大优势，施工效率较常规钻进方式有明显提高。用于破岩的潜孔锤破除卵漂石的潜孔锤进行破岩试验的照片优点：可与旋挖钻机配套使用、振动噪音较小、对场地没有要求缺点：造价较高、破岩时易塌方、垂直度

43、控制存在缺陷3.3昆明MZ100摇管式全套管钻机该工艺采用一台液压摇动式全套管灌注桩基，由磨桩机、钢套管、液压系统、冲抓头和牵引吊组成，磨桩机通过锁定油缸和定位油缸夹紧钢套管，收缩提升油缸使钢套管受到向下的压力，同时用摇动油缸摇动夹具，钢套管经反复扭动并受压向下深入土层，用冲抓偷在钢套管中取土，从而达到成空的目的，灌注砼的同时向上逐节拔出套管，完成装的施工。MZ100摇管式全套管钻机施工示意图为检验该钻机在本工程的适用情况，2009年4月在A站工地进行了试钻，试钻情况如下：3.3.1试桩目的 通过本次试成桩施工达到以下目的：1）验证选用全套管钻机成孔施工工艺在本工程场地地质条件下的可行性；2）

44、通过本次试验获得成桩施工所需技术参数，为后续正式施工提供依据；3）通过成孔钻进过程中所取土样与现有岩土工程勘察报告进行对比，进一步明确该场地岩土工程条件；4）通过试成桩施工发现该场地施工中存在和可能出现的问题，提出处理方法和意见。3.3.2成孔工艺试验要求（1）1捷程牌MZ-3型全套管钻机进行套管、冲抓（冲击）成孔工艺试验；（2）设备组成：MZ100型全套管钻机一台，功率75KW；宇通YTQU55T履带式起重机一台；1000外套管40m；锥形冲锤一只，重2T；环形冲锤一只，重3T；十字冲锤一只，重3T；活瓣冲抓一只，重3T。（3）成孔直径（套管外径）1000mm；（4）成孔孔深30.5m；（5

45、）垂直度要求5；（6）成孔时间36小时（单孔）；3.3.3具体成孔过程和施工过程中采取措施如下：因11m以内是回填土及局部夹砂层，在地层11m以内保持套管刀头超前于开挖面或与开挖面保持相平，以防止土层塌孔增大充盈系数。在11m进入砂砾石，12.5m进入强风化砾岩层，进入此层后施工难度大，砾石分布密集且粒径较大、强度高，在施工中遇大粒径若在套管孔内直接用活瓣抓斗下孔取出，若遇个别砾岩较大且切在套管刀头锯齿处起用圆形冲锤、十字冲锤冲击，击碎后用抓斗取；遇到管底有多块大粒径砾石采用锥形冲锤冲击，再用十字冲锤击碎后用抓斗取出，为减小振动影响，冲锤落距一般控制在5m以内。通过对试桩成孔的试验，发现施工过

46、程中存在一些问题，工效时间和振动影响等问题，工效在以后施工熟练摸索经验过程中会有所提高，振动问题尽量减小冲锤落矩，并且夜间22：00时以后不采用冲锤施工。地质方面在24m以上与提供地质报告基本吻合，24m以下无详细资料，25.5m30.5m之间都接近于中风化砾岩层，施工难度大，机械损耗大。为防止相邻桩受影响，在后期主体围护施工中采取间隔2根桩施工，若施工相邻桩也必须待其超过24小时后方可施工。本标段地下水埋深为12.2m，因在成桩（成孔、浇砼）过程中全是钢套管护壁，起隔离封闭作用，地下水对成桩无明显影响。结论：从4月15日4月17日累计钻进深度为30.5m，有效施工时间为30小时30分钟，经验

47、孔测得垂直度为4.5。抓斗抓出的漂石和破碎后抓出的岩石抓斗抓出的漂石和破碎后抓出的岩石MZ100摇管式全套管钻机试钻施工情况3.4乌卡斯冲击钻适用于各种土层，尤其是破碎有裂隙的坚硬岩土和大的卵砾石、漂石具有明显的优点，破碎效果好，在含有较大卵砾石层、漂砾石层中施工成孔效率较高。但冲击钻孔噪音较大，有震动，施工速度较慢，成孔质量相对于其它工法较差，特别是在管线密集的城市容易造成附近管线破坏。适合在第四纪晚更新世冲洪积层及其以下晚第三纪的砾岩层施工。钻机社会保有量很大，每延米成孔造价相对较低。试钻钻进情况记录表标高（m）钻孔深度（m）时间（min）地质情况钻进及噪音情况52.9210-50.921

48、2杂填土人工挖掘47.921515粉质粘土钻进较快5m内噪音70db（旋挖钻成孔）44.921810出现细砂钻进较快5m内噪音70db（旋挖钻成孔）42.9211035出现砂砾钻进较快5m内噪音70db（旋挖钻成孔）40.62112.33719cm碎卵石钻机出现强烈振动5m内噪音95db（旋挖钻成孔）39.06113.86351（5.8h）碎卵石地面有强烈振感、5m内噪音120db（冲击钻成孔）37.69115.23378（6.3h）碎砾石地面有强烈振感、5m内噪音120db（冲击钻成孔）36.56116.36360（6.0h）碎砾石地面有强烈振感、5m内噪音120db（冲击钻成孔）试钻结论：

49、根据本次试钻所使用的设备，并且针对不同深度所取出的土样特征及进尺情况。由于12m以上主要土质为粘土、粉土及砂卵层，采用旋挖钻机成孔较为顺利，12m以下旋挖钻无法成孔。由于12m以下主要土质为漂石及砾岩层，12m以下冲击成孔虽可进尺，但困难较大进尺缓慢，平均进尺速度为4.8h进尺1m；且周围居民多次反映噪音太高，地面振动太大。钻进至16.5m后经多方协商后试桩结束，将此试钻孔改做成水位观测井。（1）每天上午9点-下午4点施工，共施工4天，每天进尺1米。（2）噪音和振动扰民严重，无法继续施工。（3）冲击钻施工间隔共进行了两次更换旋挖钻施工，无进尺。（4）钻进探明的底层情况与地质报告、补堪报告和前期

50、地质调查的情况相符。冲击钻机试钻情况3.5宝峨大功率旋挖钻机3.5.1宝峨钻机简介德国宝峨公司在国内的天津宝峨公司是德国宝峨公司设在天津的一家独资企业,主要组装宝峨BG系列旋挖钻孔机和连续墙施工设备,并提供在中国所有宝峨公司产品的售后服务。该公司组装生产的BG25旋挖钻孔机,该机最大的特点是动力头为双级扭矩输出,配置有两级重型减震器和万向接,当小扭矩输出时,最大钻进速度可达到60rpm,大大提高了施工效率;该机可配5种自锁式或摩擦式6键钻杆,长度58m,能适应坚硬复杂地层的钻进,耐用可靠;发动机额定功率仅为145kW,耗油量小,储备功率低,主要适于在平原施工;其二级变幅的结构形式较为特别,在转

51、台上升起一横向支柱,变幅油缸安装在上面。这一设计可以加大变幅油缸安装距,增大钻桅的稳定性。但它也使转台的设计变的复杂,且升高了运输时的整车高度,另一个特点是主副卷扬都安装在钻桅上,节省了回转平台上的安装空间,便于转台的布置。这一结构使其整机外形较小,特别是回转平台与底盘显得小,外观上显得前重后轻,有一种不安全的感觉。但多年的使用经验证明此结构是可靠的,较小的机重有利于降低成本。宝峨BG25旋挖钻机地层适应能力强,使用嵌岩钻头可钻进单轴抗压强度超过100MPa的岩石,在国内已有多次钻进强度超过70MPa的岩石;可用动力头直接驱动套管进行长护筒施工,并在国内有大量施工实例;配置M6-L3-T5标准

52、的重型卷扬机,在半载荷的情况下可达到卷扬机的全寿命。3.5.2德国宝峨(Bauer)公司：宝峨BG25旋挖钻机的主要参数:动力头扭矩245kNm(在30MPa时)动力头最大转速:60 r/min钻桅高度:22.8m整机重量:74吨最大钻孔直径:2000mm(钻孔中心到钻桅外缘距离为1m)最大钻孔深度:使用4节钻杆时可达58.8m;使用5节钻杆时可达70m卷扬机最大拉力:17t(M6-L3-T5欧洲标准)3.5.3宝峨BG25旋挖钻机破岩 宝峨旋挖钻机使用环形抓斗，安装牙轮可切削整块岩石或大块漂石，安装破岩头可以将岩石或漂石磨碎，但效率都较低，牙轮和破岩头磨损严重，需要经常更换，从而影响工程进度

53、，并使工程造价升高，比较适用桩底少量嵌入岩层的桩的施工成孔，对需要经常破岩或漂石含量大的地层，适应性较差。宝峨钻机的破岩抓斗安装牙轮的宝峨抓头安装破岩头的宝峨抓头宝峨BG25C在郑武高铁孝感段钻出的岩石，岩石强度高达105MPA宝峨BG25C在京沪高铁山东段钻出的岩石，强度高达80MPA 宝峨钻机还可配备全套管施工，采用动力头直接下套管和搭配液压摇管机两种方式操作，以便于处理极端地质情况。未配备摇管机的全套管钻机 配备摇管机的全套管钻机优点：以为方便、设备保有量大、噪音震动小、缺点：遇到漂石较多时速度慢、造价高3.6人工挖孔A站附近xxxx医疗大楼基坑工程经验表明：人工挖孔桩施工工艺在该区域施工可行，但该工艺本身易造成人员伤亡事故，施工管理上存在一定难度。该区段人工挖孔桩开挖至砾岩层后，由于有地下界面水，且砾岩层有一定的强度，加上有大量大漂石的影响，地下作业空间有限，导致开挖比较困难。工地周边人工挖孔情况：（1）海军医院基坑围护桩，200多根，桩长20-23米。（2）海军医院塔吊基础，8根，桩长20米。（3）A站施工补勘，2根，深度24米。人工挖孔桩在施工过程中应在孔口防护保护措施、孔口周围防水方案、防触电措施、起重机具的双重保护、渣土、施工材料、机具的垂直运输、人员上下井、防止物品坠落的措施、防止冒水、孔璧坍塌的措施、洞内通风、有害气体监测方法