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1、限高条件下粘土地层钻孔灌注桩钻机选型摘 要：为了保证地铁车站施工进度，本文结合合肥市轨道交通1号线望湖城车站围护桩施 工方案，针对现场应用和分析的基础上，探讨了在限高条件下粘土底层钻孔灌注桩钻机选型， 通过各种机型的比选，得到最佳机械配置，得以完成在限高条件下的围护桩施工，确保了施 工进度，并在实践中取得了较好的控制效果和良好的生产效益。关键词：限高条件 钻孔灌注桩 桩机 选型1工程概况望湖城车站位于望湖中路与庐州大道交口， 望湖中路修建于 2005 年，当时 工程范围起点在望湖中路与庐州大道交口的切线位置，将交口预留庐州大道扩建 时实施，后庐州大道一直未扩建，望湖中路与庐州大道也一直未贯通，
2、道路 K0+045-K0+140 段两侧已作为弃土场使用，经长时间的雨水侵蚀，弃土已侵占 道路中间，经现场勘查，现状望湖中路除雨污水管道，可见入地电力、电信、架 空的电力线，该地段有多条架空高压电缆及架空的信息线接入附近的望湖城小区 及民航家园小区，构成一个错综复杂的高压架空高压网，这个架空高压线给车站 的围护桩施工造成了极大的干扰，因此，在高压线架空线的限高条件下合理的选 择钻机型号来完成围护灌注桩成了项目部首要的问题。2工程地质条件望湖城站结构底板埋深约为16.55m,基坑侧壁土层自上而下主要为粉质粘 土填土层，粘土层层、粘土层。粉质粘土填土层属于人工堆积层（Qml）, 主要岩土工程特性为
3、灰褐色灰黑色，松散稍密，湿饱和，以粉质粘土为主， 局部为耕植土，含灰渣、砖渣、碎石、植物根系，该层分布较连续。粘土层层 属于第四纪全新世冲洪积层（Q41al+pl），主要岩土工程特性为：褐灰色黄褐 色，坚硬硬塑，含氧化铁、铁锰结核、钙质结核及灰白色高岭土，局部铁锰质 结核富集，断面光滑，干强度高。粘土层属于第四纪晚更新世冲洪积层 （Q3al+pl ），主要岩土工程特性为：灰黄色褐黄色，坚硬硬塑，含氧化铁、 铁锰结核、钙质结核、高龄土，局部铁锰结核富集，断面光滑，干强度高，局部 夹粉质粘土薄层。望湖城站基坑顶部的粉质粘土填土层厚度约为1.8m,填土的 成分复杂，力学性质差异大，稳定性差，施工过程
4、中极易发生坍塌，施工时需及 时支护，且须重点考虑；粘土层、粘土层具有弱膨胀潜势，基坑开挖后，在 膨胀土含水量发生变化、反复收缩变形条件下，容易在基坑边坡部位形成浅层滑 坡，增加支护结构的受力，造成边坡垮塌，施工过程中同样需要采取支护措施。 3现状调查望湖城车站周围的地线及架空的高压线进行调查及测量，收集资料、整理和 分析，集思广益，共同讨论，最后归纳出以下架空线的调查图及调查表：望湖城车站架空线调查表1#粧融乂上的调查表及图中可以看到，6条架空线在较为了保证望湖城车站围护桩的正常施工。4方案比选从以 的施工,大程度上制约着整个车站针对目前成孔钻机类型繁多，同一地层采用不同类型的钻机成孔，消耗的
5、成 本存在显著差异,而钻孔桩施工成本的高低在一定程度上会直接影响整个项目的 建设成本。因此，如何从降低成本角度出发，根据地质条件选用钻机类型就成为控 制建设成 济效益就好； 至亏损。（本和施工质量的关键。钻机类型选择合理，钻探进尺就快，工期就短，经 :;否则，凝速度难以确保, 因此，选择钻机前就应充分了蝕工成本加大，甚技术经济参数,序号类型电缆性质与地铁站关系电缆架空高度安全距离要求1电力机场专用高压沿庐州大道南北向布置，横跨车站主体11.5 米不得小于1.5m2电力望湖城小区高压架空 申缆沿庐州大道西南方向布置横跨车站主 体及1号出入口10.8 米不得小于1.5m3电力华联超市专用高压架 空
6、电缆沿望湖中路东西向布置，横跨车站主体 和4#出入口10.5 米不得小于1.5m4电力望湖中路入地高压架 空电缆沿望湖中路东西向布置，横跨车站主体 及4号出入口11.2 米不得小于1.5m5电力民航飞行小区专用高 压架空电缆沿望湖中路东西向布置，横跨车站主体10.5 米不得小于1.5m6综合 信息庐州大道南北架空综 合信息线沿庐州大道南北向布置，横跨车站主体6.5米不得小于1.5m并对现场环境因素进行调研。只有综合分析各类钻机的性能等各项指标,才能找 到合适的、与现场施工环境相匹配的钻机,方能使成本控制在较理想范围,达到效 益、进度、安全和质量的平衡与统一。目前钻孔桩施工采用的大都是大口径钻机
7、,常见的有 3 种类型。第 1 类是冲 击钻机,如冲击钻、冲抓钻机等。根据冲锤的不同,冲击钻又分为实心锤和空心锤； 第 2 类是回转钻机,包括正循环钻机和反循环钻机,依据配备的钻头的不同,又分 为合金钻、牙轮钻和滚刀钻等；第 3类就是目前市场上应用比较广泛的旋挖钻机。 也是我们地铁车站围护桩最常用采用的钻机类型，各类钻机都有着各自不同的特 点,对各种施工环境都有着一定的适应性和局限性。如何在限高条件下合理的选择适合于该土层的钻机类型是实现围护桩的安 全及快速的施工是我们研究的关键。以下是各个类型的钻机的优缺点：空心冲击钻 空心冲击钻用冲击锥进行冲砸,提筒进行捞渣,钻具上下速度快,成孔后清孔 换
8、浆时间短,适用于黏土层、密实的砂层、圆砾层施工,但用于含粒径大于 15cm 的卵石层和坚硬岩石层钻进时则进尺缓慢,而且冲击锥易损坏。与之相反,在松散 的厚度较大的砂层中,冲击钻在钻进时,又很容易塌孔。其主要原因为冲击钻进时 孔内泥浆比重不均匀,孔上部泥浆比重小,下部泥浆比重大,再加上清孔时用提筒 频繁上下捞渣,使松散砂层水位降低,产生水位差造成塌孔。实心冲击钻机适用于 卵石层、坚硬岩层的钻进，由于锤头重量大（一般为57t铸铁钻头），冲程长，落 距大,在卵石层和坚硬岩石中成孔效果较好;对于松散厚度较大的砂层,如果同时 采用 3PN 型泥浆泵进行循环排浆，护壁效果明显，不会造成水头降低，一般不易塌
9、 孔;但对于黏土层和密实砂层而言 ，其进尺速度要低于旋挖钻机和回转钻机的速 度。正/反循环钻机正循环回转钻机的特点是进尺速度比冲击钻略快 ，但由于清孔时间长，特别 是在钻进坚硬岩石层时必须配置滚刀钻头或牙轮钻头，所以成孔费用要比冲击钻 机高。反循环钻机适用于黏土层和密实砂层，进尺速度较快，不需要清孔，但在钻 进粒径大于 10cm 的卵砾石层时常会因吸水管堵塞而很难钻进;对于厚度较大的 松散砾层，由于砾层所含泥浆比重小，护壁效果不好，经常造成塌孔;对于坚硬岩 石，必须配置滚刀钻头或牙轮钻头，钻进速度与正循环回转钻机相似。旋挖钻机 旋挖钻机适用于黏土层和密实砂层，进尺速度优势明显，不需要清孔，无需
10、大 量制造浆液，因而排浆工作量大幅下降（一般为其他钻机的 1/31/4）。但其缺点 是对于厚度较大的松散砂层在钻进时易孔，在卵石含量较大的卵石层钻进时速度 慢，更不适用坚硬岩石，而且设备价值远高于其他钻机（一般价格为其他类型钻机 的 20 倍以上），如果在钻孔桩数量很少时使用，经济上不合理，成本较高。根据可钻性进行钻机经济指标比选的同时，钻机施工对周围环境的影响、施 工场地以及工期等因素常常也是影响钻机选择的主要因素。如某一地层为黏土层 的钻孔桩施工,根据可钻性,可同时选择冲击钻机、回转钻机和旋挖钻机的任一种, 但前 2 种都会产生大量泥浆,存在污水处理问题。为符合当地的环境保护要求, 外弃泥
11、浆的工作量相对较大,引起的费用也较高。尤其是冲击钻的震动在居住区 直接影响居民的正常工作和生活,危及公用设施和临近建筑物安全。在上述施工 条件下,旋挖钻产生的泥浆很少 ,噪音的指标可满足城市施工的要求 ,对于直径 1.0m、桩长30m的钻孔桩而言，成孔速度是其他2种类型钻机的310倍。以此 相比,旋挖钻机虽然单价偏高,但总体经济效益明显优于其他钻机,因此根据本车 站的地质情况，应优先选用旋挖钻机采用干作业成孔法来施工时最好的选择之一但是由于在高压线下方施工，高压线的架空距离地面只有10米左右，而旋 挖钻机的钻杆则高达 18米，因次在这种限高条件下采用旋挖钻机 施工显然已不 满足现场的施工，因此
12、需要重新选择钻机类型来完成望湖城车站的架空线下的钻 孔桩施工。各种钻机的现场施工方案验证：旋挖钻机旋挖钻机是近年来发展最快的一种新型桩基成孔施工方法，它通过钻杆和钻 斗的旋转，以钻斗自重并液压作为钻进压力，使土屑装满钻斗后提升钻斗出土， 通过钻斗的旋转、挖土、提升、卸土和泥浆置护壁，反复循环而成孔。旋挖钻机 适用于各类粘土、粉土、密实砂土、淤泥质土、人工回填土及含有部分卵石、碎 石的地层，借钻具自重和钻机加压力，耙齿切入土层，在回转力矩的作用下钻斗 同时回转配合不同钻具，适应于干式（螺旋）、湿式（回转斗）的成孔作业。旋 挖成孔的施工方法具有施工质量可靠、成孔速度快、成孔效率高、适应性强等特 点
13、，大大缩短了工期，废浆少，低噪音，污染小保护了环境，克服了机械成孔时 孔底沉淤土多、桩侧摩阻力低、泥浆管理差的缺点，极大地提高了施工质量。但 是由于其钻干长度过长，不满足在限高条件下的施工，因此旋挖钻机不能作为限 高条件下粘土地层钻孔灌注桩钻机类型。洛阳铲 洛阳铲利用卷扬机提升洛阳铲，靠洛阳铲自重及自由下落加速度闭合抓土， 卷扬机通过钢丝绳提升至地面卸土，依次循环成孔。达到扩底部分时，采用人工 操作，扩底时先挖桩身圆柱体，再按扩底尺寸从上到下削土成形。洛阳铲在施工 中能够真实反应地质层的变化，为桩端头是否达到持力层提供直观可靠的依据， 确保了桩身完整。洛阳铲钻机的钻架高度只有 6 米，从钻机的
14、施工高度来看，是可以满足现场 限高条件的，但是由于洛阳铲达到扩底部分时，采用人工操作，扩底时先挖桩身 圆柱体，粘土的土体在铲斗内无法快速的用人工翘出，造成了很大的时间和资源 的浪费，因次，洛阳铲只是满足了限高条件下的施工环境，但是不满足粘土地质 的土层。导向杆铲头卷扬机洛阳铲施工工艺示意图二角支丄撑架 一、.- f现场洛阳铲施工的照片冲击钻冲击钻机是一种比较传统的钻进机具，依靠冲击锤进行冲砸，掏渣筒掏渣， 上下往复冲击将土石劈裂、砸碎，部分被挤入孔壁之内，普通泥浆护壁。由于钻 具上下速度快,成孔后清孔换浆时间短,适用于黏土层、密实的砂层、圆砾层施工, 但用于含粒径大于 15cm 的卵石层和坚硬
15、岩石层钻进时则进尺缓慢,而且冲击锥 易损坏。与之相反,在松散的厚度较大的砂层中,冲击钻在钻进时,又很容易塌孔。 其主要原因为冲击钻进时孔内泥浆比重不均匀,孔上部泥浆比重小,下部泥浆比 重大,再加上清孔时用提筒频繁上下捞渣,使松散砂层水位降低,产生水位差造成 塌孔。实心冲击钻机适用于卵石层、坚硬岩层的钻进,由于锤头重量大（一般为 57t铸铁钻头），冲程长，落距大，在卵石层和坚硬岩石中成孔效果较好;对于松 散厚度较大的砂层,如果同时采用3PN型泥浆泵进行循环排浆,护壁效果明显，不 会造成水头降低，一般不易塌孔;但对于黏土层和密实砂层而言是非常适合的。由 于冲击钻的施工机械高度为8米，对于限高的环境要求也是满足施工要求的，因 此在限高的条件下，采用冲击钻是对粘土土层施工灌注桩最好的钻机类型。 5结论通过合肥市轨道交通1号线望湖城车站基坑围护工程的施工来看，旋挖钻机 干作业施工方法具有施工质量可靠、成孔速度快效率高，环保的特点，克服了冲 击钻及循环钻孔底沉渣多，泥浆管理差的缺点。虽然一次性投资高，但适用性强， 最终经济效益还是远大于普通机械钻机，是目前地铁围护结构中首选施工方法及 围护方式。也将引领者地铁围护施工的未来。主要参考文献1、地基处理手册编写委员会，地基处理手册，第二版，北京：中国建筑工业出版社，20002、叶观宝编著，
