全套筒全回转钻机地下障碍物一次清除技术研究

全套筒全回转钻机地下障碍物一次清除技术研究

[摘要]十号线*站采用全回转全套管钻机对与围护结构连续墙冲突的既有二号线*站C出入口围护桩、顶板、底板及侧墙等障碍物进行切除。为避免障碍物清除不彻底会造成施工困难及清障机械重复进场带来的工期和清障费用的损失，根据围护结构实际施工情况确定了本次清障范围，同时按照全回转全套管钻机清障施工工艺精心组织施工，成功切除了连续墙范围内全部地下障碍物，消除了障碍物对围护结构施工的影响。该清障技术在城市密集人流与复杂周边环境地铁工程施工中具有良好的借鉴意义。

1工程概况

1.1新建地铁十号线车站情况

*站为十号线工程新建段第九座车站，与已投入运营的二号线*站换乘。有效站台中心里程为YDK17+607.200，设计起点里程为YDK17+531.850，设计终点里程为YDK17+697.350。车站为地下三层岛式站台车站，全长165.5m，公共区无柱段宽为22.7m，设备区有柱段宽22.3m，车站基坑开挖深度约为28.0m、24.5m。车站共设3个出入口，2组风亭，2条换乘通道，其中既有二号线C1号出入口口部改造为十号线活塞风井，既有二号线C号出入口通道改造为非付费区换乘通道。

1.2既有二号线情况

既有二号线*站为地下两层车站，车站全长164m，标准段宽度17.6m，基础型式为整体筏板基础+抗拔桩，基坑开挖深度为17.46m～17.76m，采用钻孔灌注桩加内支撑的围护结构形式，桩径1000mm，桩净距150mm，桩身入强风化岩3.5m或中风化岩2.5m。

图1.2-1 十号线*站与既有二号线*站位置关系平面图

鉴于既有二号线*站C出入口及通道与拟建十号线*站地下连续墙存在冲突，故采用全回转全套管钻机直接破除C出入口围护桩和部分结构，整个冲突部分分成三个区域进行处理：C1出入口为区域一、通道部分为区域二、C2出入口为区域三。

图1.2-2 既有二号线C出入口拔桩清障区域划分平面图

1.3周边建构筑物及管线情况

施工区域一东侧为内环路高架桥，单层框架结构，基础型式为钻孔灌注桩，桩长约19～33m，距离施工部位最近约19.37m；区域三南侧为晓港湾-惠侨苑E栋与晓港湾-惠侨苑E1～E2栋商场、住宅，最近距离约5.29m。

影响施工范围内的管线主要有自来水管、通信、电力、燃气、路灯线等。

图1.3-1 既有二号线C出入口拔桩清障周边环境平面图

2地质及水文地质情况

本施工区域内从地表往下主要地质为：

回填土：0～4.5m，80%中风化碳质泥岩（块状构造）及建筑废弃物，20%砂土，空隙比较大，含水丰富。

淤泥：4.5～7.0m，深灰色，软塑，主要由黏粒、粉粒组成，土质均匀，黏滑，含少量有机质，局部含砂粒，为高灵敏度黏土。

粉质黏土：7.0～11.0m，褐黄色，可塑状，局部硬塑状，主要由粉黏粒组成，局部含砂粒，切面规则，无摇振反应。

淤泥质土、粉质黏土：11.0～14.5m。

强风化砂质泥岩：14.5～15.0m，灰褐色、灰色为主，母岩多为粉砂质泥岩，岩石矿物风化强烈，风化裂隙发育，原岩组织结构已基本风化破坏，但尚可辨认，岩芯呈坚硬土状或密实土状，浸水易软化崩解。本层为含水层，施工时，孔内水位增长。

中风化粉质泥岩：15.0～17.0m。本层为含水层，施工时，孔内水位增长。

地下水埋深约为地表下0.7m，其中回填层中的富水层对清障拔桩影响较大。

3方案比选

对于地下障碍物的处理，常见的方案有开挖、冲桩、全回转处理等。

3.1开挖方案

原初步设计方案即采用采挖的方式进行处理，主要利用既有二号线出入口基坑的围护桩架设支撑，随基坑开挖逐步拆除既有二号线出入口结构，随后基坑内回填土方，拆除支撑、腰梁、冠梁，回填土方至地面，平整场地，进行下步施工。

采用开挖方案，对于出入口的拆除有两个前置条件：

1、由于C1、C2出入口及通道部分利用既有围护结构开挖，一次性进行处理，涉及的范围需要一次性围蔽。

2、该附属位于现状侨港路下方，上部管线众多，拆除前需要将冲突的管线进行迁改。

*站施工现已进场，实现部分围蔽， C2出入口并未在围蔽范围内，暂不具备拆除施工条件。

*站燃气、给水、污水管需迁改至车站南侧。由于车站南侧暂未围蔽，管线无法迁改，通道部分暂不具备拆除施工条件。

初步设计阶段对既有二号线出入口的改造方案考虑利用既有二号线出入口基坑的围护桩（人工挖孔桩∅1200@1500）并架设两道支撑进行基坑开挖，随基坑开挖逐步拆除既有二号线出入口结构(含顶板、侧墙、底板、出入口楼梯、顶管管节)，最后将基坑回填。之后，利用全回转套管将与新做车站围护结构冲突的围护桩进行拔除，再进行下一步主体围护施工。

处理过程涉及基坑开挖和回填、支撑架设和拆除、结构破除、全回转拔桩等较多工序，过程繁琐。而且，既有出入口上方为城市道路，冠梁和上部桩体由于施工道路和管线的要求已经凿除，重新施作冠梁和支撑较为困难。2号线*站已经建成并运营多年，改造方案利用既有围护桩开挖，C出入口的围护桩桩间处理质量不能保证，开挖期间可能会出现涌水涌砂的风险，还需要考虑对于桩间止水的措施。

3.2冲桩方案

采用冲击钻对地下障碍物进行处理是最普遍的做法，其原理和成桩过程冲击破岩类似，通过冲锤反复锤击地下结构，将原有结构破坏。冲桩方案造价低，而且可以通过增加设备来缩短工期。*站位于闹市区，周边紧邻住宅小区，对于振动要求、环保要求高，冲桩方案被首先放弃。

3.3全回转全套筒方案

全套筒全回转清障方案，也是目前比较常用的方案。采用咬合的方式进行钻孔，一次性的切除车站连续墙施工范围的既有出入口围护桩和结构主体，减少前期破除量。待新建*站围护结构封闭后，随着基坑开挖将剩余出入口围护桩和结构破除，减少提前处理的工程量。该方案对比开挖清障方案，大大减少了基坑开挖的风险，同时也缩短了工期；对比冲桩方案，振动小、更环保，对于周边居民造成的影响很小，故本工程选用全回转全套筒方案进行清障施工。

4施工工艺

4.1施工工艺流程

施工准备→挖探→回填→测量放线→360度全回转套管钻机就位→切割拔桩、清障→桩孔回填一360度全回转套管钻机移位。

4.2施工准备

施工前对施工区域进行人工探挖，拟考虑开挖深度为地表以下2m，探挖出的管线进行改迁或保护回填后方可进行全回转全套管定钻机切割拔桩清障施工。拔桩前对探挖出的障碍桩进行编号并标注桩具体位置，以便拟定合理的拔桩顺序实施拔桩。

4.3全回转套管机带动钢套管沉入

全回转套管机就位，调整机身垂直度，并使机身抱箍系统中心与障碍桩中心保持垂线方向一致。由全回转套管机环抱驱动钢套管旋转沉入到预定深度﹐从而实现大幅度减小桩身与桩周土体摩阻力。依据本项目的地质资料，以及对周边环境保护，控制钢套管沉入速度。

4.4拔桩清障

考虑到本工程障碍桩桩长可能较深（约16.6m），桩为人工挖孔灌注桩﹐整桩抗拔力较大等因素，整个拔桩过程采用分段截除﹑分段吊离、多次重复的方式，视特殊情况也可采用一次性拔除。

(1)障碍桩的切断

钢套管沉入预定深度后，实现了桩周分离减摩，对桩体较长无法一次性拔除的情况，可采用冲锤冲断桩体﹐冲锤冲击无效时可下放特制的钢锲(重量5t、长 5m)到套管内﹐切入老桩与钢套管间，由全回转套管机环抱驱动钢套管旋转，通过钢锲带动障碍桩偏心旋转﹐分段将障碍桩桩体切断与桩内钢筋扭断，通过观察全回转套管机自带的控制压力计数值大幅减小，为确定己断开。

(2)清除障碍桩

当障碍桩与套管同时旋转时，取出钢锲，下放钢丝绳将已被截断并与整个桩身脱离的部分桩锁扣牢固锁住拔出。实施完成上部桩体拔除后，如在拔除的过程中桩体发生断裂等，可采用吊车配备冲抓斗抓除剩余桩体。

图4.4-1 全回转全套管拔除的部分桩体图

(3)压入清理

在障碍桩再次套管沉入切除之前，抓斗抓取清理套干净管内的渣块。

图4.4-1 抓斗抓取渣土图

(4)全部清除

① 将全套管的下端旋挖至障碍桩的最下端，当障碍桩与套管同时旋转时，采用冲锤破碎，再用抓斗将剩余的障碍桩取出；

② 本工程切除障碍桩一孔多桩情况（双联体），吊出桩体重量过大，无法一次性取出﹐采用冲锤分段破碎后抓除3～5m；若为多孔一桩的偏磨切除时，加大刀具型号，加设全套管头部进口合金刀具，采用低速、轻压、慢进尺的方式切割、清除。

图4.4-3 全回转全套管切除双联体障碍桩吊出图

③ 钢套管旋转切割障碍物一定深度后，便可以使用吊车利用冲抓斗清除。清除碎块桩体时，如冲抓斗抓除困难，可改用冲锤再次破碎后抓除；

④ 拔桩过程中起拔速度不宜过快，一边用起重设备缓慢用力，一边用全回转套管机驱动钢套管旋转，减少桩体摩擦应力。拔除的障碍桩整齐堆放于现场，待累计一定数量后即时清理或外运。

(5)桩孔回填

鉴于清障部位后期进行地下连续墙施工，为避免成槽时出现塌孔，障碍桩拔除后，桩孔使用M5砂浆进行回填，必要时进行注浆加固。

图4.4-4 桩孔回填砂浆图

5总结及优化建议

城市市区内人流量大及周边环境复杂地铁车站施工时，侵入施工结构的地下遗留障碍物清除是工程施工的一大难题，尤其在围护结构施工阶段，如遇类似本文提及的现有结构侵入拟建车站结构的情况，地下障碍物清除严重制约了施工进度。

本文主要介绍了采用360°( DTR-2005H型）全回转全套管钻机切除既有出入口围护桩、顶板、底板及侧墙的情况，相比传统的旋挖钻、冲桩机以及明挖等施工清障方法而言，本工法具有对四周土体及临近建构筑物扰动小、安全环保、周边环境影响小、费用底、噪音小及可与连续墙同期施工的高功效等优点，是一种可在复杂周边环境施工条件下进行地下清障的优选工艺，在拓展地下建构筑空间方面极具应用价值。

(1)钢套管的选取

在全回转全套管拔桩清障施工中，钢套管型号的判断选择是施工顺利与否的关键。钢套管口径选择过小会导致清障不彻底，甚至会产生闷管现象，严重影响施工进度，钢套管口径过大则会导致障碍桩难以与土体分离，影响施工效率。因此钢套管口径选择要结合实际情况进行选取。

(2)地基处理

若施工场地较为复杂或为软弱地层时，需要提前清理并做场地硬化平整，同时在施工区域铺设大型工作平台，防止地基软弱造成钻机下陷或倾覆。

(3)全套管垂直度的控制

第一节全套管的下压垂直度对后节全套管的垂直度精度影响较大，在第一节钢套管下压过程中必须从正交的两个轴线方向通过测锤或经纬仪检查钢套管是否垂直，若出现偏斜及时纠偏。

(4)障碍桩切除

全回转全套管钻机依靠强大的扭矩将障碍桩桩体与周围土体分离，实现障碍桩独立拔除的前提条件为全套管全回转钻机带动钢套管回转时， 内部桩体跟随套管一同回转。此时，应当安排专人进入钢套管内部进行桩头部分捆绑固定工作，根据不同的现场情况可采用捆绑、焊接等方式进行固定，固定完成后采用履带吊车与全回转全套管钻机相互配合将其拔除。

(5)清障作业与围护桩施工同期进行

*站既有出入口处理施工过程，有大部分区域沿连续墙轴线进行切除。围护桩或地下结构处理后进行回填，然后再进行连续墙施工。后续类似工程，可以将该部分连续墙改成咬合桩，全回转套筒清障后可以继续向下钻进至围护桩桩底标高，抓取套筒内渣土后进行围护桩施工，全回转套筒也能够对先期施工的素桩混凝土进行切除。

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