YCJF-20型沖擊反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行地下連續(xù)墻成槽施工技術(shù)

楊東河，劉 珂，夏小興，王國偉，張永春，李紹琳

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

地下連續(xù)墻作為一種基礎(chǔ)工程新技術(shù)，具有施工振動小、墻體剛度大、整體性好、可靠性高等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于各類地下結(jié)構(gòu)物，如高層建筑物基坑擋土支護(hù)、高層建筑地下室外墻主體結(jié)構(gòu)、城市地鐵車站以及港口、橋梁等。地下連續(xù)墻施工過程中，關(guān)鍵技術(shù)是：如何在復(fù)雜的地基中開挖出符合設(shè)計要求的槽孔和保證槽孔在開挖或回填過程中的穩(wěn)定，因此對連續(xù)墻施工設(shè)備的選擇和施工工藝的研究，是連續(xù)墻成功施工的重要條件。

1 工程簡介及地層特征

廈門地鐵3號線是廈門西南-東北向骨架線，是廈門本島與翔安片區(qū)快速跨海的連接通道，全長36.7 km，包含主線和支線兩部分。湖濱東路站地下連續(xù)墻項目位于3號線主線上，項目6 m一段，設(shè)計深度43 m，厚度1 m，入巖深度10～13 m。根據(jù)前期勘探調(diào)查，該項目區(qū)域地層結(jié)構(gòu)主要為第四系覆蓋層及燕山晚期侵入巖兩大類。其巖性分布及特征見表1。

2 成槽設(shè)備和方案選擇

沖鉆法作為地下連續(xù)墻最早的一種施工技術(shù)，在連續(xù)墻的施工中一直占據(jù)著重要地位。近十幾年，隨著連續(xù)墻成槽新設(shè)備和新技術(shù)的不斷涌出，沖鉆工法在連續(xù)墻的施工中已不再占據(jù)主導(dǎo)地位，但在漂卵層、硬巖石層或單獨使用或與其它工法配合使用，依然取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

表1 項目區(qū)域巖性分布及特征

根據(jù)表1區(qū)域巖性分布及特征可以看出，湖濱東路站項目地層結(jié)構(gòu)前30 m主要是密度較小的填土層和礫砂，30 m以深為堅硬的花崗閃長巖，此種地層結(jié)構(gòu)，成槽方案可以考慮液壓抓斗和沖鉆組合、旋挖和沖鉆組合，也可以單獨選用沖鉆法，綜合地層結(jié)構(gòu)、時間和成本等多種因素，此處單獨選用了沖鉆法。設(shè)備采用了山東省地質(zhì)探礦廠生產(chǎn)的YCJF-20型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)，配備6BS/3PN型砂石泵組，采用沖擊反循環(huán)工法沖鉆成槽。

3 YCJF-20型鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)、特點和工作原理

3.1 鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

鉆孔直徑700～2000 mm；鉆孔深度80 m；鉆頭質(zhì)量6 t；沖擊行程100～1300 mm；主卷揚(yáng)提升能力100 kN；副卷揚(yáng)提升能力30 kN；工具卷揚(yáng)提升能力20 kN；鉆塔額定負(fù)荷250 kN；鉆塔有效高度7.5 m；主電機(jī)功率55 kW；主機(jī)質(zhì)量14 t；運(yùn)輸尺寸7370 mm×2300 mm×3030 mm。

3.2 鉆機(jī)特點

(1)鉆機(jī)為全液壓傳動，液壓油缸沖擊方式工作，沖擊頻率和沖擊行程可無級變速調(diào)節(jié)，操作方便，運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲低，過載保護(hù)好；

(2)鉆機(jī)整體結(jié)構(gòu)合理，實現(xiàn)了機(jī)、電、液一體化，自動沖擊采用了單片機(jī)控制，性能指標(biāo)先進(jìn)，工作安全可靠，其總體水平達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平；

(3)錘頭由差動卷揚(yáng)機(jī)牽引，可實現(xiàn)自動調(diào)平，能有效防止卡鉆事故的發(fā)生；

(4)鉆機(jī)配有液壓步履，施工現(xiàn)場可自行移位，提高了施工效率，節(jié)省了施工時間和施工成本。

3.3 工作原理

鉆機(jī)差動卷揚(yáng)機(jī)兩側(cè)卷筒伸出兩根受力相等的鋼絲繩，鋼絲繩經(jīng)過沖擊機(jī)構(gòu)天車輪，繞到鉆塔前方牽引沖擊錘頭，差動卷揚(yáng)機(jī)由液壓馬達(dá)提供動力，帶動沖擊錘頭做上下自由落體運(yùn)動，靠沖擊動能擊碎巖石。沖擊錘頭做自由落體不斷擊碎巖石的同時，副卷揚(yáng)機(jī)通過鉆塔天車輪吊裝排渣系統(tǒng)，通過6BS/3PN型砂石泵組反循環(huán)的方式及時將施工孔內(nèi)的碎渣排出。

4 成槽施工過程

4.1 施工導(dǎo)墻和先導(dǎo)孔

根據(jù)施工設(shè)計，在連續(xù)墻施工位置劃線，標(biāo)定其具體位置，之后挖掘機(jī)沿標(biāo)線開挖出寬1 m的導(dǎo)墻，因?qū)ξ挥隈R路上，其地基較為堅實，因此并未對導(dǎo)墻進(jìn)行加固處理。

YCJF-20型全液壓沖擊反循環(huán)鉆機(jī)在填土層施工相對于液壓抓斗成槽機(jī)、旋挖鉆機(jī)效率較低，因此，地下連續(xù)墻先導(dǎo)孔的施工由旋挖鉆機(jī)完成。根據(jù)湖濱東路站項目設(shè)計規(guī)劃，地下連續(xù)墻單元槽標(biāo)準(zhǔn)長度6 m，寬1 m，結(jié)合連續(xù)墻單元槽尺寸和沖擊反循環(huán)鉆機(jī)施工特點，在每段連續(xù)墻單元槽內(nèi)由旋挖鉆機(jī)施工6個?1000 mm外切圓孔作為先導(dǎo)孔，打到設(shè)計標(biāo)深后，移開旋挖鉆機(jī)，清理現(xiàn)場，為布置YCJF-20型沖擊反循環(huán)鉆機(jī)做準(zhǔn)備。

4.2 布置鉆機(jī)

導(dǎo)墻和先導(dǎo)孔施工完畢后，沿連續(xù)墻縱向方向布置沖擊反循環(huán)鉆機(jī)。布置鉆機(jī)，最重要的是要保證鉆機(jī)在施工過程中平穩(wěn)無滑動，因為鉆機(jī)一旦在施工過程中產(chǎn)生滑動現(xiàn)象，就會影響連續(xù)墻施工垂直度，而連續(xù)墻成槽垂直度是連續(xù)墻施工的重要關(guān)鍵點之一，直接影響著連續(xù)墻施工的成功與否。因此布置鉆機(jī)前，場地必須提前平整壓實，鉆機(jī)下方墊枕木并固定到一起，以防止鉆機(jī)施工過程中出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。另外，鉆機(jī)布置到位后，應(yīng)保證鉆機(jī)鉆孔中心和先導(dǎo)孔中心在同一鉛垂線上，同時可以用吊墜測中心等類似方法做中心偏差度測量，經(jīng)3次以上測量，兩中心偏差度≯2 cm為宜。鉆機(jī)現(xiàn)場布置如圖1。

圖1 鉆機(jī)現(xiàn)場布置圖

4.3 制備泥漿

鉆機(jī)在沖鉆成槽過程中，泥漿起到保護(hù)槽壁和運(yùn)送渣土的作用，因此控制護(hù)壁泥漿的質(zhì)量好壞，對成功成槽具有重要的意義。湖濱東路站項目采用了膨潤土制漿，制漿的方法和時間通過前期試驗確定，制漿時，將膨潤土、水、純堿等材料按比例配制，然后用3PNL型泥漿泵產(chǎn)生的高速水流攪動30 min以上，使膨潤土顆粒充分溶解，施工時，泥漿間隔2 h攪動一次，以保證泥漿性能最佳。施工到巖石層時，由于沖擊時間變長，泥漿容易發(fā)生沉淀、流失等現(xiàn)象，為了保證泥漿的質(zhì)量，在泥漿中加入了CMC外加劑，以提高泥漿的密度和粘度，通過實際表現(xiàn)來看，加入CMC外加劑后，對護(hù)壁泥皮的形成效果十分明顯。鉆機(jī)在整個沖鉆成槽過程中，泥漿液面高度一直保持在導(dǎo)墻以下0.5 m處，隨著槽深向下延伸，不定時向槽內(nèi)補(bǔ)充泥漿，使泥漿液面始終保持在刻度線附近；同時，每隔3～4 h，使用泥漿密度儀、粘度計等儀器對泥漿各項性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，以確保槽內(nèi)泥漿質(zhì)量。

另外，在施工過程中，對泥漿的循環(huán)利用和廢渣處理也有相應(yīng)的規(guī)范要求，特別是對施工過程中產(chǎn)生的大量廢渣，要求必須及時可靠的運(yùn)出場區(qū)，以免影響施工進(jìn)程，為此，施工現(xiàn)場還配備了挖掘機(jī)等工程機(jī)械設(shè)備。

4.4 沖鉆成槽

前期所有準(zhǔn)備工作結(jié)束后，開啟鉆機(jī)，進(jìn)行沖鉆打孔。鉆機(jī)牽引?1000 mm圓錘頭，沿鉆孔中心線放入旋挖鉆機(jī)打的先導(dǎo)孔內(nèi)，同時與6BS/3PN型砂石泵組相連接的排渣管由副卷揚(yáng)牽引，與錘頭一并下入孔內(nèi)，排渣管吸管口距離孔底控制在0.5 m左右位置，圓錘頭靠自由落體沖擊力沖擊破碎松軟的土層和堅硬的巖石層，同時破碎的渣屑則通過6BS/3PN型砂石泵組及時排到泥漿池中。沖孔起始階段，應(yīng)先采用低頻率、低沖程(0.5 m以內(nèi))沖擊，待錘頭整個平穩(wěn)的進(jìn)入沖孔內(nèi)后，再采用大頻率，大沖程(1.3 m)沖擊，確?？妆诘姆€(wěn)定。在第四系覆蓋層中沖擊作業(yè)，采用0.6～1 m沖程沖擊鉆進(jìn)，入到巖石層后，則采用最大沖程1.3 m進(jìn)行沖擊鉆進(jìn)，工作深度直至設(shè)計標(biāo)高43 m。另外，在松散或易發(fā)生流變、觸變的地層，循環(huán)方式采用了正、反循環(huán)間斷工作，以便鉆頭能沖擊擠實地層，防止泥漿漏失造成塌孔現(xiàn)象。在整個錘頭沖鉆過程中，為保證連續(xù)墻的垂直度，要求每隔2 h必須測量一次孔斜情況，孔較淺時，可根據(jù)鋼絲繩與兩側(cè)孔壁距離來判定，孔較深后，采用超聲波測壁儀來進(jìn)行確定；沖鉆過程中，一旦發(fā)現(xiàn)連續(xù)墻垂直度超過標(biāo)定數(shù)值，及時進(jìn)行修正，符合要求后，按要求繼續(xù)施工。施工完一個孔后，必須提鉆對錘頭進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有開裂地方應(yīng)及時修補(bǔ)，防止帶病作業(yè)，發(fā)生掉鉆、卡鉆現(xiàn)象。根據(jù)施工連續(xù)墻單元槽尺寸，沖擊鉆機(jī)牽引圓錘頭沿先導(dǎo)孔打出6個相切主孔(?1000 mm)，主孔與主孔之間未沖鉆到的巖石部分(副孔)，最后用方形錘頭進(jìn)行修孔、掃孔，使其成為標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)墻槽段。沖鉆成槽施工示意圖見圖2。

圖2 成槽施工示意圖

另外，在用方形錘頭修孔成槽時，先前用的方形錘頭都是在圓錘頭下圍處焊接4塊鋼板改進(jìn)而來，沖鉆效率低，而且經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，影響了施工進(jìn)度。為徹底解決此問題，我們根據(jù)連續(xù)墻施工尺寸，專門設(shè)計了專用方形錘頭(圖3)。專用方形錘頭長1800 mm，寬1000 mm，高2000 mm，有上圍板和下圍板，所有結(jié)構(gòu)件對稱分布，結(jié)構(gòu)更加合理，受力也更加均勻。得益于專用方形錘頭上述特點，沖鉆效率明顯提高，原先方錘頭沖鉆副孔，需要6次以上才能變成完整的槽孔，而現(xiàn)在僅需要沖鉆4次就可以成槽，卡鉆現(xiàn)象也基本被杜絕，沖鉆效率較原先錘頭大幅提升。

圖3 專用方形錘頭

方形錘頭進(jìn)行修孔、掃孔成槽之后，應(yīng)及時進(jìn)行清孔。清孔時，槽內(nèi)的泥漿應(yīng)先靜止一段時間，待碎渣全部沉淀到槽底后，下導(dǎo)管，借助6BS/3PN型砂石泵組反循環(huán)的方式將槽底碎渣全部排出槽外。

5 結(jié)語

此次，在廈門地鐵3號線湖濱東路站地下連續(xù)墻項目上，采用YCJF-20型沖擊反循環(huán)鉆機(jī)結(jié)合專用錘頭用沖鉆法進(jìn)行成槽施工，整體鉆進(jìn)平穩(wěn)，成孔質(zhì)量高，雖然在覆蓋層鉆進(jìn)效率相對較低，但是入巖后,在花崗巖這類硬巖層，鉆進(jìn)效率卻是最高的，總體上達(dá)到了預(yù)期施工效果，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。另外，YCJF-20型沖擊反循環(huán)鉆機(jī)在廈門地鐵3號線湖濱東路站成功施工表明，盡管沖鉆施工工法相對其它工法施工效率較低，但其工法仍有較強(qiáng)的生命力，特別是遇到漂卵石、硬巖這一類特殊地層，在其他工法無法開展情況下，沖鉆工法仍是最佳選擇方案。