京滬高速鐵路樁基施工技術(shù)研究

彭海松，韓偉歡

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川都江堰 611830)

1 工程概況

新建京滬高速鐵路土建工程JHTJ－3標段金山鋪特大橋橋梁全長3830.44m，起迄里程DK443+113.35 ～DK446+943.79，橋梁線路位于魯中南低山丘陵及丘間平原，地表以剝蝕為主，部分地段基巖裸露，地形起伏大。該段受區(qū)域構(gòu)造的影響，以剝蝕為主，沖溝發(fā)育，河谷下切明顯，丘間谷地發(fā)育有小型的沖洪積平原及盆地。主要巖性為新黃土、黏土、粉質(zhì)黏土、卵石土、圓礫土、礫砂等，下伏花崗片麻巖，斜長片麻巖，局部有閃長巖侵入體，節(jié)理裂隙發(fā)育;新黃土具濕陷性。沿線地下水水位較深，一般深度大于10m，大氣降水為地下水的主要補給來源。地下水對混凝土不具侵蝕性。

橋梁基礎(chǔ)設(shè)計為明挖基礎(chǔ)、挖井和鉆孔樁基礎(chǔ)等基礎(chǔ)形式，全橋共設(shè)計有鉆孔樁1200多根，樁徑為1m，樁基每個橋墩含樁數(shù)為8、10、12個不等，單樁最大孔深54m，最小孔深7m。本段橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計為柱樁，嵌入基巖3～8m。

2 樁基礎(chǔ)工藝原理及工藝流程

2.1 工藝原理

鉆孔灌注樁是采用機械或人工開挖等方式，在地層中按要求形成一定形狀(斷面)的井孔，待其達到設(shè)計高程后，將按照設(shè)計圖紙制作的鋼筋骨架吊入井孔中，再灌注混凝土成為樁基礎(chǔ)。

根據(jù)地層和地下水情況以及周邊環(huán)境問題，京滬高速鐵路金山鋪特大橋樁基施工采用了沖擊鉆機成孔、旋挖鉆機成孔和人工挖孔三種不同的施工方法。

2.2 樁基施工成孔方式

2.2.1 沖擊鉆機成孔

沖擊鉆機成孔在樁基中適用范圍比較廣，不受地層、地下水等因素的影響，在金山鋪特大橋樁基施工中，大部分樁基施工均采用該方法，其工藝流程為:整平場地→埋設(shè)護筒→安裝鉆機→泥漿護壁鉆孔→清孔、驗孔→拆除鉆架→安裝鋼筋籠→安裝澆筑支架→安裝導(dǎo)管及儲料斗→澆筑混凝土→樁基檢測。

2.2.2 旋挖鉆機成孔

2.2.2.1 旋挖鉆機施工的主要特點

(1)旋挖鉆機功率大、鉆孔速度快、施工效率高、自動化程度高、定位準確，成孔質(zhì)量可靠。

(2)旋挖鉆機適用范圍較小。由于嵌巖困難，僅適用于各類粘性土、粉質(zhì)土、砂土地層、砂卵石層及軟弱巖石地層;同時，不宜用于易坍塌的飽和砂層并不能有超徑的漂石、孤石等。此次只在金山鋪特大橋進行了4個墩、48根樁的施工。

(3)旋挖鉆機不能自身造漿，但制備的泥漿可以循環(huán)使用。

(4)旋挖鉆機移動方便，噪音小、環(huán)保，但自重大，對場地要求高。

(5)其施工工藝流程與沖擊鉆機類似。

2.2.2.2 施工方法

旋挖鉆機采用筒式鉆斗，鉆機安裝后調(diào)整好桅桿的垂直度和鉆機的水平度，注入調(diào)制好的泥漿，然后進行鉆孔。當鉆頭下降到預(yù)定深度后，旋轉(zhuǎn)鉆斗并施加壓力，將土擠入鉆斗內(nèi)，儀表自動顯示筒滿時，鉆斗底部關(guān)閉，提升鉆斗，將土卸于堆放地點。鉆機施工過程中，要保證泥漿面始終不得低于護筒底部，以保證孔壁的穩(wěn)定性。這樣，通過鉆斗的旋轉(zhuǎn)、削土、提升、卸土和泥漿撐護孔壁，反復(fù)循環(huán)直至成孔。同時，在鉆孔過程中，鉆機提鉆甩渣復(fù)位后，應(yīng)檢查鉆頭是否對中。

在砂粘土和砂土中鉆進，直接用旋挖筒成孔和取渣。在礫石和砂卵石層中鉆進，應(yīng)先用螺旋鉆頭將其松動，再用旋挖筒取渣。

鉆桿鉆進過程中，保持持續(xù)轉(zhuǎn)動，鉆進轉(zhuǎn)速范圍為5～30r/min，一般小于30r/min?？讖捷^小、地層較軟時可用較大的轉(zhuǎn)速，反之用較小的轉(zhuǎn)速。一定要保證取土斗底部土體不被擠壓破壞并順利進入斗體中，確保土體鉆進過程中局部沒有形成失穩(wěn)的滑孤面，有利于鉆孔護壁。

鉆具配備:上部粘性土使用錐形體的挖泥斗，相應(yīng)增加斗體中平衡孔的面積，在提升斗體過程中減少對孔底土體的抽真空作用(負壓)，有利于鉆孔護壁，也利于斗體卸土;下部砂土改用砂石斗挖掘。

2.2.2.3 施工要點

(1)由于鉆機設(shè)備較重，施工場地必須平整、寬敞并具有一定硬度，避免鉆機發(fā)生沉陷。

(2)鉆機施工中應(yīng)檢查鉆斗，發(fā)現(xiàn)側(cè)齒磨壞、鉆斗封閉不嚴時必須及時整修。

(3)泥漿初次注入時，垂直向樁孔中間進行入漿，避免泥漿沿著護筒壁沖刷其底部，致使護筒底部土質(zhì)松散。

(4)因粘土層中鉆進過深易造成頸縮現(xiàn)象，在鉆機施工時應(yīng)嚴格一次鉆進深度。

(5)根據(jù)不同地質(zhì)情況，施工中要加強對泥漿的管理，嚴格保證泥漿質(zhì)量，確保泥漿對孔壁的撐護作用。

(6)對于粒徑小于100mm的地層可用常規(guī)鉆削式鉆斗取土鉆進，鉆進時應(yīng)注意滿斗后及時起鉆卸土;鉆進較軟的地層應(yīng)選用小切削角、小刃角的楔齒鉆斗，鉆進較硬的地層應(yīng)選用大切削角的錐齒鉆斗;當?shù)貙又泻辛?00～200mm的大卵石時，應(yīng)采用單底刃大開口的取石鉆斗鉆進或用沖擊鉆頭擊碎后再用鉆削式鉆斗鉆進;遇到大于粒徑200mm的漂石或孔壁上有較大的探頭石時，應(yīng)采用筒形取石鉆斗撈取，或采用環(huán)形牙輪鉆斗先從孔壁上切割下來再撈取。

(7)遇到硬土層時，為加快鉆進速度，可先鉆小孔，然后再擴孔。

(8)為防止孔斜和超挖過大，每次下鉆都要對準孔位，最好采用原位卸土的方法。

(9)鉆至設(shè)計標高后，旋挖筒取渣時間要相對延長，但不能加壓，要做到既要保證能取盡鉆渣，又要避免超鉆。

2.2.3 人工挖孔

2.2.3.1 人工挖孔的主要特點

(1)樁身截面大，單樁承載力高，結(jié)構(gòu)傳力明確，沉降量小。

(2)施工機具設(shè)備簡單，占地面積小，操作簡便。

(3)施工無振動、無噪聲、無泥漿污染，對周圍建筑物無影響，在金山鋪特大橋金山鋪村、曹莊村居民密集區(qū)即采用該方法進行樁基施工。

(4)施工質(zhì)量可全面直觀檢查，持力層可準確判斷，成樁質(zhì)量可靠。

(5)施工速度快，工程造價低。

(6)適用于無地下水或地下水較少的人工填土、粘土、粉質(zhì)粘土和含少量砂、砂卵石的粘土層，特別適用于黃土層，可嵌入風(fēng)化巖層一定深度。

2.2.3.2 工藝流程

場地整平——放線、定樁位——挖第一節(jié)樁孔土方——支模澆灌第一節(jié)混凝土護壁——在護壁上二次量測標高及樁位十字軸線——設(shè)置垂直運輸架、安裝電動葫蘆(或卷揚機)、吊土桶、潛水泵、鼓風(fēng)機、照明設(shè)施等——探孔——第二節(jié)樁身挖土——清理樁孔四壁、校核樁孔垂直度和直徑——拆上節(jié)模板、支第二節(jié)模板、澆灌第二節(jié)混凝土護壁——重復(fù)第二節(jié)挖土、支模、澆灌混凝土護壁工序，循環(huán)作業(yè)直至設(shè)計深度——檢查持力層后進行擴底——對樁孔直徑、深度、擴底尺寸、持力層進行全面檢查驗收——清理虛土、排除孔底積水。

2.2.3.3 樁孔開挖及護壁

挖孔由人工自上而下逐層用鎬、鍬進行，先挖中間，后挖周邊，允許尺寸誤差30mm。遇堅硬土層，用錘、釬破碎;遇孤石或巖層時，先鉆孔用小藥量爆破予以松動，然后用鋼釬、風(fēng)鎬進行撬挖和清理。開挖斷面為設(shè)計樁徑加2倍的護壁厚度。每節(jié)的高度根據(jù)地質(zhì)條件而定，一般為0.9～1.2 m。每挖完一節(jié)，由孔口吊線檢查并修邊，使孔壁上下順直一致。

井口鎖口對挖孔樁施工十分重要，可以提供井口操作平臺并保護井內(nèi)開挖施工。護壁厚度根據(jù)樁徑、地質(zhì)、地下水等因素決定?；炷磷o壁形式采用內(nèi)齒式，目的是為了便于澆灌井圈混凝土。支護厚度一般為20～30cm(圖1)。

圖1 混凝土護壁形式圖

2.2.3.4 人工挖樁的安全防護

(1)開挖過程中，嚴格按照要求進行護壁，不能因地層較硬而不進行護壁支護。

(2)出渣過程中上下操作人員一定要密切配合，提升設(shè)備確保完好，孔口附近不能堆放渣土，防止向孔內(nèi)墜物。

(3)隨時向孔內(nèi)通風(fēng)，特別是爆破后，一定要將孔內(nèi)的爆破異味全部清除后方可進行施工。

(4)作好防止停電、停風(fēng)等措施，特別是井下人員的安全撤離工作。

2.3 樁基施工其他的主要工序

2.3.1 清 孔

(1)沖擊鉆機成孔方式的清孔可采用抽桶出渣、循環(huán)泥漿、氣舉法等方法進行出渣清孔，保證孔底沉渣厚度及泥漿比重滿足水下混凝土澆筑要求。

(2)旋挖鉆機成孔方式的清孔主要是注意孔底鉆渣的清除。在施工過程中，配備了專門的撈渣鉆頭，通過打撈后，仍有少量不能清除的鉆渣，遂又改用專用鉆頭將其鉆磨成粉末，通過調(diào)節(jié)泥漿使其懸浮。

(3)人工挖孔就是將開挖或爆破松動的渣土全部清理干凈即可，其中對于有水的，必須先行抽干后將渣土徹底清理。

2.3.2 鋼筋籠的制作與安裝

鋼筋籠可按設(shè)計長度和設(shè)備吊裝能力采用整根或分段制造。當采用分段吊裝時，應(yīng)先在加工廠進行試拼對接合格，再分開吊裝，以保證對接鋼筋的連接質(zhì)量。

主筋搭接焊時，同一斷面內(nèi)的鋼筋接頭不得超過主筋總數(shù)的50%，兩個接頭的間距不小于500mm。主筋的焊接長度、雙面焊為不小于5d(主筋直徑)，單面焊為不小于10d。

聲測管一般在鋼筋籠加工場預(yù)先安裝在已成型的鋼筋籠上，聲測管應(yīng)下端封閉，上端加蓋，管內(nèi)無異物;聲測管采用綁扎方式與鋼筋籠連接牢固(不得焊接);聲測管連接一般采用外加套筒焊接的方式或采取絲扣連接的方式進行，預(yù)防連接處斷裂或出現(xiàn)堵管現(xiàn)象;連接處應(yīng)光滑過渡，不漏水;管口應(yīng)高出樁頂300mm以上，且各聲測管管口高度應(yīng)一致。

吊放鋼筋籠入孔時應(yīng)對準鉆孔，保持垂直，慢放入孔。入孔后不宜左右旋轉(zhuǎn)，徐徐下放并嚴防孔口坍塌。若遇阻礙應(yīng)停止下放，查明原因進行處理。嚴禁猛提猛落和強制下放，吊裝到位后通過孔口進行固定，防止其下沉或上浮。

作好鋼筋籠制作臺帳，確保鋼筋原材料的可追溯性。

2.3.3 水下混凝土澆筑

(1)檢查導(dǎo)管的水密性并確保導(dǎo)管安裝到位;

(2)建立好混凝土原材料臺帳，保證原材料的質(zhì)量滿足要求，并具有可追溯性，主要對混凝土的坍落度、含氣量、泌水率、水膠比和拌合物等進行測試鑒定。灌注混凝土前及過程中，應(yīng)按規(guī)定時間檢測高性能混凝土的坍落度、擴展度、含氣量和入模溫度并做好記錄。待檢測指標符合后，方可灌注混凝土。

(3)首批封底混凝土計算。

導(dǎo)管口到孔底的距離為0.3～0.5m，首批混凝土數(shù)量V按下式計算:

式中 D為鉆孔樁直徑;d為導(dǎo)管直徑;HC為首批需要混凝土面至孔底高度=導(dǎo)管埋深(1m)+導(dǎo)管底部至孔底高度;H1為混凝土面到水面高度。

混凝土灌注前精確計算首盤混凝土方量，制作合適容積的漏斗(大小根據(jù)首批封底混凝土方量計算)，確保封底順利。在確認封底成功后，進行正常灌注。灌注過程嚴格依照規(guī)范進行，隨時進行混凝土質(zhì)量、導(dǎo)管埋置深度等各項檢測，以保證整個灌注過程的順利。

(4)水下混凝土澆筑。

水下混凝土應(yīng)連續(xù)澆筑，中途不宜停頓，并應(yīng)盡量縮短拆除導(dǎo)管的間斷時間，保證每根樁在配合比設(shè)定的初凝時間內(nèi)澆筑完成。

在澆筑混凝土過程中，應(yīng)采用在水中泡透且經(jīng)合格鋼尺校正后的測繩測量孔內(nèi)混凝土頂面位置，保持導(dǎo)管埋深在2～6m范圍。當混凝土澆筑面接近設(shè)計高程時，應(yīng)緩慢提升導(dǎo)管，并用取樣盒等容器直接取樣確定混凝土的頂面位置，保證混凝土頂面澆筑到樁頂設(shè)計高程以上1m。在澆筑水下混凝土過程中，應(yīng)如實填寫混凝土澆筑記錄，同時防止鋼筋籠上浮。

另外，對于人工挖孔樁，若孔內(nèi)無地下水，可采用串筒入倉、振搗密實的方式進行澆筑。

(5)樁基質(zhì)量檢測。

通過現(xiàn)場監(jiān)理工程師對原材料、過程控制等驗收合格并出具相應(yīng)的完整資料后，當樁身混凝土強度達到檢測要求時，第三方檢測單位對樁身的整體性、均質(zhì)性等通過超聲波或低應(yīng)變的手段進行檢測。

3 結(jié)語

(1)樁基施工主要是以過程控制為主，對每道工序嚴格進行檢查，方可保證樁基的質(zhì)量。過程控制絕不可以放松。

(2)通過對金山鋪特大橋1114根樁基采用三種不同的成孔方式進行施工，初步掌握了其適用范圍、優(yōu)缺點，為今后鐵路樁基施工積累了經(jīng)驗。