香港西铁兆康站桩基工程施工工艺.docx

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香港西铁兆康站桩基工程施工工艺

收稿日期:

20021205

作者简介:

李世全（1969—）,男,工程师,1994年毕业于中国科学院

新疆分院,理学硕士。

香港西铁兆康站桩基工程施工工艺李世全

（中铁十四局集团有限公司海外部　山东济南　250014）

摘　要　介绍香港西铁兆康站的工程地质条件、桩基工程的特点、采用的各种钻孔灌注桩施工工艺的优势与不足。

关键词　香港西铁　桩基工程　施工工艺

　　香港西铁工程自九龙半岛西部的南昌站起,至新

界西南部的屯门站,全长30多km。

沿线共有9个站,

依次为南昌站、美孚站、荃湾西站、锦上路站、元朗站、

郎屏站、天水围站、兆康站及屯门站,如图1所示。

兆

康站又称屯门北站,距屯门约2km,总投资13.86亿

港元,它是西铁沿线仅有的2个建在屯门河上的车站

之一。

兆康站主要包括:

车站区,南、北接驳站,南、北

高架桥,南、北连接桥及35区结构工程等。

600多根

不同直径（0.30～2.5m）的钻孔灌注桩构成了兆康站

的基础工程。

图1　香港西部铁路一期工程平面

1　兆康站工程地质条件概述

兆康站建在屯门河上,其地质钻探资料见表1。

表1仅为该区地层典型描述,兆康站的实际地质

状况要复杂得多。

坚硬的轻微风化岩石、较硬的中风

化岩石及软弱的强风化岩石间互层现象十分普遍。

预

钻探时,有时还发现岩石之中存在因风化、侵蚀引起的

空洞。

钻孔灌注桩的桩底确定在岩芯获得率大于

85%的Ⅱ/Ⅲ类轻微风化岩石中风化岩面上。

若出现

强、弱岩层的互层现象,则应加深至稳定的Ⅱ/Ⅲ类岩

面上。

表1　典型地质描述

岩层类别地层描述

100～300mm厚混凝土Nullah河底板

灰黄色砂及灰色中粗角砾回填层

中等密实,灰黑色淤泥质中砂或灰黑色淤泥（海相沉积）

灰色、浅褐色含粘粉砂质细中砂（冲积相沉积）

剖面A剖面B剖面C

Ⅴ

灰色、浅褐色完

全风化安山岩

完全风化火山碎屑角

砾岩

灰绿色完全风化细粒火山凝灰岩

Ⅳ强风化安山岩

强风化火山碎屑角砾

岩

强风化火山凝灰岩,松散,褐色粉

砂夹棱角次棱角,细中砾火山

凝灰岩碎屑

Ⅲ

中风化安山岩,

灰色、浅黄褐色,

中密节理

中风化火山碎屑角砾

岩,浅黄褐色夹灰白

色斑点,中密节理

中风化火山凝灰岩,灰绿色夹白

色斑点,密集节理

Ⅱ

轻微风化安山

岩,灰色、浅褐

色,中密集节理

轻微风化火山碎屑角

砾岩,灰色夹白色斑

点,有时有石英脉,中

密节理

轻微风化山凝灰岩,灰绿色夹白

色变质斑点,中密集节理,节理

面有石灰质浸染及钙化

2　兆康站的桩基工程各种成孔工艺及其优缺点

在兆康站分布着600多根不同直径的钻孔灌注

桩,桩径有330、600、800、1200、1500、1800、2500

mm,桩长从10多m至80多m,最长的桩达80.10m,

桩底高程为-74.11m。

在兆康站钻孔灌注桩的各种施工工艺中,清孔、钢

筋笼绑扎、吊装钢筋笼、混凝土浇筑等工艺基本相同,主

要区别在于成孔工艺。

不同成孔工艺各有其优缺点。

2.1　振锤式全套管冲抓钻机成孔

（1）成孔工艺:

①挖掘机进行初步开挖,以便安装

临时钢护筒;②吊机、振锤安装、固定,并逐步压入第1

节护筒,边用锤式抓斗挖掘,边用振锤振动、压入护筒;

③安装、焊接第2节护筒,重复第2步工序,遇到孤石

或风化岩石层时,则使用十字冲击锤先将其击碎;④依

次连接、振动、压入其他节护筒,直至护筒下到桩端持

力层为止;⑤挖掘完毕后,即刻测定挖掘深度,确认是

否已至桩底设计高程,然后进行清孔,清孔采用内风管

空气吸泥机。

（2）优点:

①无需大型机械设备,成孔造价低;②若

桩底设计埋深较浅,而且地层简单,无软硬岩石之间互

层现象,该成孔工艺在施工进度上也有优势。

（3）缺点:

①由于采用吊机和振锤安装、固定、振

动、压入钢护筒,在控制护筒的垂直度时有很大困难,

随着护筒节数增多,垂直度控制也越困难,多次往复纠

偏花费相当长时间;②遇到软硬岩石互层时,由于使用

十字冲击锤,若岩层倾斜,则会导致井孔倾斜,产生“香

蕉桩”;③由于多次往复使用十字冲击锤冲击岩层,使

用振锤进行垂直度纠偏,使得桩端持力岩层受到扰动、

破坏,在采用内风管空气吸泥机进行清孔时,很容易出

现护筒底部“漏底”现象,使得清孔十分困难,甚至失

败,浪费工时。

在兆康站地质状况十分复杂,坚硬的轻微风化岩

石、较硬的中风化岩石及软弱的强风化岩石之间互层

现象十分普遍,有时还发现岩石之中有因风化、侵蚀引

起的空洞。

而钻孔灌注桩的桩底持力层要求确定在稳

定的Ⅱ/Ⅲ类岩面上,故此,该成孔工艺在兆康站桩基

施工中是失败的,甚至可以说是灾难性的,平均单桩工

时为2.5周～3周,而且次桩率高,甚至有“香蕉桩”。

2.2　摇动式-附着式全套管冲抓钻机成孔

（1）成孔工艺:

①以挖掘机进行场地平整及初步开

挖,以便安装摇动式附着式装置及临时钢护筒;②利用

摇动装置固定、摇动钢护筒,减少护筒与周围土体之间

摩阻力,边摇动,边压入,同时用锤式抓斗挖掘;③安装、

连接第2节护筒,重复第2步工序。

遇到孤石或风化岩

石层时,则使用十字冲击锤先将其击碎。

由于护筒顶底

都有精加工的公母接头,护筒间连接借助于内六角螺

丝,则省去护筒切割、焊接;④依次连接、摇动、压入其他

节护筒,直至护筒下到桩端持力岩层为止;⑤挖掘完毕

后,即刻测定挖掘深度,确认已至桩底设计高程,然后进

行清孔,清孔采用内风管空气吸泥机。

（2）优点:

①噪声低,振动小;②由于摇动装置是附

着在履带式吊机上,在摇动、压入护筒时,其位置固定,

运作稳定,护筒垂直度容易控制;③护筒顶底部都有精

加工的公母接头,护筒间连接借助于六角螺丝,则省去

护筒切割、焊接;④护筒插入整个井孔,孔壁不会坍落。

（3）缺点:

①施工需大型机械设备,全孔长护筒,要

求较大场地;②成孔造价较高;③由于多次往复使用十

字冲击锤冲击岩层,使得桩端持力岩层受到扰动、破

坏,在采用内风管空气吸泥机进行清孔时,可能会出现

护筒底部“漏底”现象。

该成孔工艺在兆康站桩基施工中是较成功的,平

均单桩工时为4～5d,而且成桩质量较好。

然而,当桩

身较长时,其优越性则大大降低,当桩长超过45m时,

单桩工时增加至6～8d,当桩长超过60m时,该成孔

工艺基本上不宜采用。

2.3　旋挖钻机成孔（德国Bauer公司BG钻机系列）

（1）成孔工艺:

①挖掘机进行初步开挖,以便安装

临时钢护筒;②吊机、振锤安装、固定,并压入护筒（3～

6m）,护筒顶要高出地面0.3～0.5m;③用BG钻机

系列配以尖底、平底或耙式螺旋钻头,分别进行护筒内

粘土、散土及杂填土挖掘,对于黑色海相沉积淤泥,则

采用筒式钻头;④护筒内开挖至距筒底0.5m时,向护

筒内注入膨润土泥浆,然后继续螺旋钻头或筒式钻头

挖掘至岩石露头,同时要确保护筒内膨润土泥浆水头

压力;⑤岩石露头后,则采用各种筒式钻头进行风化岩

石层的挖掘,如用锅底式钻头开挖软弱的强风化岩石

或用滚刀式钻头开挖坚硬的轻微风化岩石或较硬的中

风化岩石等;⑥挖掘至桩底设计高程后,开始清孔,清

孔采用膨润土泥浆置换法,将孔内沉渣悬浮、携带出

来,再通过脱砂机将其从泥浆中分离出来,用自卸车运

出工地。

泥浆可以再循环利用。

当膨润土泥浆的重度

<1.10g/ml,含沙量<5%,pH值为8～12时,清孔完

毕。

（2）优点:

①噪声低,振动小;②钻进速度快,成桩

时间短,当桩长不超过40m时,平均单桩工时仅为3

～4d;当桩长不超过50m时,平均单桩工时为5～7

d;③造价低;④场内施工机械移动方便;⑤由于只有1

节护筒,节省了安装、连接及纠偏时间;⑥机械安装简

单;⑦采用膨润土泥浆护壁,不易出现坍孔及护筒底部

“漏底”现象;⑧可以钻较大深度的桩孔,当桩长超过

60m时,其优越性更明显;⑨由于采用多种旋挖钻头,

对于复杂地层有广泛适应性。

（3）缺点:

①当膨润土泥浆管理不当时,有时会坍

孔;②膨润土泥浆置换不可能绝对保证将孔内泥沙全

部悬浮、携带出来,在桩孔底部有时会有残留,影响成

桩质量;③当地层中有承压水时,施工困难;④作为端

承桩,成桩检测优质桩率低（优质桩要求桩底与持力岩

层间无杂物）,缺陷修补工作较多。

2.4　复合工艺成孔

（1）施工工艺:

全套管冲抓钻机+气举式反循环

回旋钻,这种复合工艺成孔用于桩孔深度较大（H>

40m）,地层十分复杂,软硬岩石互层时,其结合了2种

施工工艺。

①用摇动式（或旋转式）附着式全套管冲

抓钻机挖掘至首层坚硬的轻微风化岩石或较硬的中风

化岩石（薄层,未至桩底设计高程）,临时钢护筒也下至

该层;②用气举式反循环回旋钻挖掘至桩底设计高

程,钻头采用牙轮钻头、楔齿滚刀式、球齿滚刀式钻头

等,用空气吸泥机排除钻渣,用清水清孔。

（2）优点:

①全套管冲抓钻机的所有优点;②无须

泥浆护壁;③桩端持力岩层不会受到扰动、破坏,无护

筒底部“漏底”现象;④成桩质量好,优质桩率高;⑤可

以钻较深的桩孔,适应复杂地层。

（3）缺点:

①施工需较多大型机械设备及护筒,要

求较大场地;②成孔造价很高。

2.5　冲击回转钻机成孔（潜孔锤钻）（MUSTANGA-

66系列）

冲击回转钻机用于兆康站的各种小直径钻孔灌注

桩施工,如北高架桥74号墩的12根直径为600mm

的H桩;兆康站的162根直径为330mm的小型钻孔

桩。

该钻机为液压控制,装配有偏心铰孔装置及潜孔

锤钻。

（1）施工工艺:

①首先用反铲挖掘2～3m深,除去

表层障碍物,再用指定土料回填;②测量放样后,安置、

固定钻机及护筒;③利用偏心铰孔装置压入第1节永

久性钢护筒,同时进行筒内土体挖掘;④安装、焊接第

2节永久护筒,重复工序3,直_________至岩石露头;⑤从孔中除

去偏心铰孔装置,安装潜孔锤钻,挖掘3.7m的嵌岩孔

槽。

潜孔锤钻冲击旋转于孔底,经钻杆供给压缩空气

使潜孔锤往复冲击,使刃口破岩;⑥挖掘至桩底设计高

程后,进行清孔,对于直径为330mm的小型钻孔桩,

其桩径很小,在开挖时,偏心铰孔装置及潜孔锤钻均由

压缩空气驱动,孔内钻渣被同时冲刷出来,即使有少许

残留,在进行高压注浆时也可被带出,无须再次清孔;

对于直径为600mm的H桩,则用空气吸泥机排除钻

渣,用清水清孔。

（2）优点:

①钻进速度快,成桩时间短,平均单桩工

时仅2～3d;②场内施工机械移动方便,机械安装简单;

③至岩石露头都有永久性钢护筒,无须泥浆护壁;④不

会出现塌孔及护筒底部“漏底”现象;⑤可施工斜桩。

（3）缺点:

①噪声高,振动大;②孔内钻渣易于飞

溅,污染环境;③埋设永久性钢护筒,成本增加。

3　成桩质量检测

在兆康站桩基施工中,对成桩质量检测十分严格,

主要采用如下方法:

超声波检测,全桩长抽芯检测,桩

底与岩石界面抽芯检测,扇形超声波检测,芯样抗压强

度试验及荷载试验。

（1）超声波检测:

采用四管超声波检测法,检测率

为100%,可根据管超声波检测柱状图,判断成桩混凝

土的连续性及质量好坏。

（2）全桩长抽芯检测:

采用装有半合管的3层取芯

管抽芯,钻孔直径为100mm,由桩顶抽芯至桩底以下

入岩700～800mm,抽测率为3%。

（3）桩底与岩石界面抽芯检测:

用取样钻机,在预

埋的直径为100mm的超声波管内钻孔抽芯,孔径为

77mm,由超声波管底至入岩700～800mm,用以观察

桩底与岩石界面的结合状况,抽测率为3%。

（4）扇形超声波检测:

在桩底与岩石界面抽芯检测

或全桩长抽芯检测完成后进行,方法与超声波检测相

同,只是将发射器放入直径为100mm的超声波管内,

直至抽芯孔底;而接收器放入其他3个直径为50mm

的超声波管内至管底。

这样,可获得扇形超声波检测

图,判断桩底与岩石界面的结合状况,抽测率为3%。

（5）芯样抗压强度试验及荷载试验:

这些都是常规

性的,这里不再叙述。

总之,香港西铁兆康站工程地质条件十分复杂,桩

基施工质量要求很高,需要先进的设备及施工工艺。

对于不同的地质条件,不同桩长、桩径的钻孔灌注桩,

应采用相应的施工工艺。

知识窗

山岭铁路隧道衬砌的类型

衬砌是沿隧道开挖周边修筑的永久性支护结构物,国内采用的衬砌类型主要有下列几种。

·整体式衬砌———用模筑混凝土或砌体施作的衬砌。

该衬砌内轮廓形状、尺寸与截面厚度,百余年来虽经多次改变,

但至今在山岭铁路隧道中仍占主导地位。

·装配式衬砌———由预制构件在隧道内拼装成的衬砌。

我国1958年曾在黔桂线张家山1号隧道和宝兰线29号隧

道扩建中试用过,拼装砌块前者为T形,后者为半圆形,均未设螺栓连接。

由于砌块接头防水问题未解决好、狭窄的洞口场地难以

满足砌块预制要求、现场制造砌块精度不够和成本较高等原因,未能得到推广。

·喷锚衬砌———喷锚支护用作永久衬砌时的通称,包括喷射混凝土衬砌、锚杆喷射混凝土衬砌、锚杆钢筋网喷射混凝土衬砌与

喷射钢纤维混凝土衬砌。

喷锚衬砌1965年在成昆线开始采用,现限于中等以上围岩的短隧道中应用。

·复合衬砌———按新奥法原理修建隧道,用喷锚作初期支护、模筑混凝土作二次支护组合而成的衬砌,在内外2层支护间根据

需要可设置防水层。

我国首座采用复合衬砌的隧道是建成于1979年的皖赣线下坑隧道。

·喷锚支护整体式衬砌———以喷锚支护（必要时可设钢筋网和格构拱）为施工支护的整体式混凝土减薄型衬砌。

它是20世纪

90年代以来,鉴于全面实行新奥法施工有困难,又无其他施工支护可使用的现实,根据国情设计的一种将喷锚施工支护作为结构受

力的一部分,与整体式衬砌相结合的衬砌新型式。

此种型式衬砌因厚度较以往所用整体式衬砌可减小,故称“减薄衬砌”,近年来已

改名为“喷锚支护整体式衬砌”,在南昆线、内昆线等新建铁路工程中得到大量应用。

（王效良　供稿）