水中鉆孔灌注樁施工技術(shù)探析

劉鵬盛

（福建省閩西交通工程有限公司， 福建 龍巖 364000）

1 工程概況

漳平南互通A匝道2號橋位于漳平市蘆芝鄉(xiāng)，跨越九孔江北溪及鷹廈鐵路。左線橋起訖樁號為AK0+818.25～AK1+569.75，全長751.5m。上部橋型布置為5×30m+5×30m+5×30m+5×30.5m+4×35.5m預(yù)制連續(xù)T梁。右線橋起訖樁號為AK0+818.25～AK1+530.25，全長712m。上部橋型布置為5×30m+5×30m+5×30m+4×29.5m+4×34.5m預(yù)制連續(xù)T梁。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。其中4#～9#墩位于九龍江中，平均水深為10m，樁徑為1.6m，樁長為28～34m，樁型為摩擦樁，樁端巖層為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，樁基數(shù)量共24根。

2 地質(zhì)條件

橋址范圍的地層從上到下分述如下：①粉質(zhì)粘土，呈軟塑狀態(tài)，含有少量粗砂，層厚5.30～7.60m；②粗砂，夾雜少量卵石，呈中密狀態(tài)，層厚2.60～5.10m；③卵石，呈稍密～中密狀態(tài)，次圓狀，粒徑為30～50mm，局部含有漂石，塊徑為600～900mm。卵石顆粒間填充粗砂和粘性土，層厚3.20～6.80m；④殘積粘性土，含有少量卵石，呈可塑狀態(tài)，層厚1.50～3.10m；⑤全風(fēng)化花崗巖，手捏易散，巖體極破碎，呈硬塑狀態(tài)，層厚2.10～6.40m；⑥砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈砂土狀，屬于軟巖，散體狀構(gòu)造，層厚1.10～10.60m；⑦碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)，裂縫發(fā)育，巖體破碎，層厚11.40～32.10m；⑧中風(fēng)化花崗巖，巖體完整，屬于較硬巖，塊狀構(gòu)造，層厚7.10～12.70m。

3 鉆孔平臺方案比選

3.1 圍堰筑島方案

通常情況下，水深≤3m且流速≤1.5m/s，河床土質(zhì)滲水性較小，采用土袋圍堰；水深≤5m且流速≤3.0m/s，河床較為平緩，采用膜袋圍堰；水深≥4m且流速較大采用鋼籠圍堰。該方案不需要大型打樁機(jī)施工設(shè)備，圍堰筑島的材料可以就地取材，施工難度小，施工成本低。但是在江中圍堰筑島會減少江道的過水面積，在暴雨或汛期會出現(xiàn)排洪不暢的現(xiàn)象，施工安全無保障。另外圍堰筑島會導(dǎo)致江道的生態(tài)環(huán)境受到破壞，鉆孔灌注樁施工中的泥漿會嚴(yán)重污染江道，環(huán)保無法滿足政策規(guī)定。

3.2 浮式鉆孔平臺方案

該方案主要分為浮箱式或船組式鉆孔平臺，由浮箱或鐵駁船、承重分配梁、連接系統(tǒng)、定位錨碇系統(tǒng)及面板組成。該方案適用于流速≤2m/s，通航較小和河床覆蓋層較薄的河流。該方案施工速度快、施工成本低和施工難度較小。但是鉆孔平臺的穩(wěn)定性不佳，受洪水、水深和流速的影響較大，灌注樁成孔精度和施工安全不好把控。

3.3 固定鉆孔平臺方案

該方案是指在江中施打鋼管樁，接著搭設(shè)鋼便橋和鉆孔平臺，最后進(jìn)行灌注樁施工。該方案適用于水深≤25m，河床覆蓋層厚度≥5m的河流。該方案鉆孔灌注樁的成孔精度和施工安全不受洪水、水深和流速等因素的影響，施工質(zhì)量和安全均有保障。但是施工中需要大量的鋼材，施工成本較高。

本工程水流速度為1.93m/s，平均水深為10m，無通航要求，河床覆蓋層深厚，綜合考慮鉆孔灌注樁施工質(zhì)量、安全、環(huán)保和施工成本等因素，最終選擇固定鉆孔平臺方案。

4 鋼便橋和鉆孔平臺設(shè)計、計算及施工

4.1 鋼便橋和鉆孔平臺設(shè)計

本工程需要搭設(shè)鋼便橋和鉆孔鋼平臺，九龍江正常水位為155m，百年一遇洪水水位為164.01m，上年洪水位156.82m，鋼便橋的橋面高程確定為160.3m，保證在正常水位情況鋼便橋下有3.5m的凈高，確保鋼便橋施工安全性。鋼便橋的起訖樁號為K0+926～K1+137，全長為211m，縱向單跨以9m的跨徑布置23跨，橋面寬度為6m。鋼便橋設(shè)置在下游與墩柱中心距離為3m的位置?；A(chǔ)采用樁徑φ530mm×8mm的鋼管樁，單墩布置3根鋼管樁，橫向間距2.25m。鋼管樁之間在水平向與剪刀向采用[10a槽鋼焊接牢固。每隔36m布設(shè)制動墩1個，制動墩由間距為2m的雙排鋼管組成，共6根鋼管。下部結(jié)構(gòu)為2根I40b工字鋼橫梁，上部結(jié)構(gòu)為6片150cm×300cm國產(chǎn)貝雷片，貝雷片橫向聯(lián)結(jié)采用90型定型支撐片，縱向聯(lián)結(jié)采用貝雷銷。采用U型鐵件將工字鋼橫梁和貝雷片聯(lián)結(jié)成整體。橋面結(jié)構(gòu)為I20a@40cm工字鋼分配梁，梁上每隔2cm鋪設(shè)縱向[25槽鋼作為面板。防護(hù)欄桿采用直徑為5cm鍍鋅鋼管，欄桿高度為1.5m，欄桿立桿間距為1.5m，縱向設(shè)置2道水平橫桿。鋼平臺尺寸為27m×10m（長×寬），基礎(chǔ)采用樁徑φ426mm×8mm的鋼管樁，縱向單跨以9m的跨徑布置3跨，單墩布置4根鋼管樁，橫向間距為4.3m+1.5m+4.3m。下部結(jié)構(gòu)為2根I36b工字鋼橫梁，上部結(jié)構(gòu)為8片150cm×300cm國產(chǎn)貝雷片，橋面結(jié)構(gòu)為I36b@75cm工字鋼分配梁，梁上每隔2cm鋪設(shè)縱向[22槽鋼作為面板。防護(hù)欄桿采用直徑為5cm鍍鋅鋼管，欄桿高度為1.2m，欄桿立桿間距為2m，縱向設(shè)置2道水平橫桿。

4.2 鋼便橋和鉆孔平臺計算

本工程鋼便橋和鋼平臺均采用梁柱式鋼管貝雷梁簡支結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要計算荷載為結(jié)構(gòu)自重、履帶式起重機(jī)自重和吊重合計65t和汽車-20重車按55t計等，分別標(biāo)識為荷載1～荷載3。所有鋼構(gòu)件均按照《路橋施工計算手冊》計取容許應(yīng)力，鋼材容許應(yīng)力提高系數(shù)取1.3，汽車沖擊系數(shù)K取1.3，計算軟件采用Midas，建模驗算。以鋼便橋為例，主要計算貝雷梁、I40b工字鋼橫梁和鋼管樁的穩(wěn)定性。

（1）貝雷梁受力驗算

荷載組合為荷載1+荷載2，單片自重為2.75kN，彈性模量E為2.1×105MPa，慣性矩I為250500cm4，跨徑l為9m，汽車中軸自重為24t，后軸自重為14t，單跨貝雷片縱梁線荷載q1=5.5kN/m，單跨橋面板及橫向分配工鋼線荷載q2=11.67kN/m，橋梁自重產(chǎn)生的線荷載q＝q1+q2=17.2kN/m，汽車后軸自重P11為280kN，中軸自重P12為240kN，起重機(jī)自重P2為650kN，所有活載均簡化為集中力進(jìn)行驗算。汽車作用在跨中彎矩M1=0.25P11l=630kN·m，起重機(jī)作用在跨中彎矩M2=0.25P2l=1463kN· m， 橋面恒載產(chǎn)生最大彎矩M3=0.125ql2=174.2kN·m，起重機(jī)和恒載作用在跨中產(chǎn)生最大彎矩M=1.3×M2+M3=2076kN·m＜[M]=4256kN·m。汽車作用在臨近支點產(chǎn)生的剪力Q1為266.3kN，起重機(jī)產(chǎn)生的剪力Q2為458.6kN，恒載產(chǎn)生的剪力Q3為77.4kN，起重機(jī)和恒載作用在支點處產(chǎn)生剪力Qmax=KQ2+Q3=674kN＜[Q]=1471kN。起重機(jī)在跨中產(chǎn)生最大撓度fmax＝（ KP2l3）/(48EI)+ 5ql4/384EI=4.63mm＜[f]=9000/400=22.5mm。貝雷梁的強(qiáng)度與剛度均滿足使用要求。

（2）I40b工字鋼橫梁受力驗算

荷載組合為荷載1+荷載2，跨徑l為2.25m，工字鋼截面模量W為1139cm3，截面積S為671.2cm2，慣性矩I為22781cm4，腰厚度d為12.5mm，按兩跨連續(xù)梁計算，橋面槽鋼產(chǎn)生荷載P1為54.8kN，I20a工字鋼產(chǎn)生荷載P2為50.3kN，貝雷梁產(chǎn)生荷載P3為49.5kN，I40b工字鋼自重P4為6.7kN，起重機(jī)產(chǎn)生機(jī)械荷載P5為845kN。橫梁跨中產(chǎn)生的荷載P=（P1+P2+P3+P4+P5）/2=503.2kN，Mmax＝0.188Pl=213kN·m，Qmax=(0.688+0.688)P=693kN，橫梁的強(qiáng)度σ ＝Mmax/W=98.1MPa＜1.3×[σ]=188MPa。支座處剪應(yīng)力τmax＝QmaxS/（Id）=81.8MPa＜1.3 × [τ]=110MPa 。 最大撓度fmax=0.911Pl3/(100EI)= 1.1mm＜[f]=2250/400=5.6mm。I40b工字鋼橫梁強(qiáng)度與剛度均滿足使用要求。

（3）鋼管樁承載力驗算

當(dāng)起重機(jī)位于墩位處時鋼管樁處于最不利情況，鋼管樁受力最大為693kN。鋼管樁入土地層為6m粉質(zhì)粘土+1m粗砂，鋼管樁單樁軸向受壓容許承載力[P]=U∑liτ，其中U代表鋼管樁的周長，取值為1.664m；li代表進(jìn)入土層深度；τ代表土層與樁壁的極限摩阻力，粉質(zhì)粘土取值60kPa，粗砂取值為90kPa。[P]=1.664×（6×60+1×90）=749kN＞693kN。鋼管樁入土深度為7m即滿足承載力要求。鋼管樁總長度為7+10+0.5=17.5m。

4.3 鋼便橋和鉆孔平臺施工

鋼管樁采用定位船配合施打，施工方法為懸打法，采用38t履帶吊與振動錘相配合，鋼管樁施打過程中應(yīng)不斷檢查樁的垂直度和樁位偏差，垂直度偏差控制1%之內(nèi)，當(dāng)貫入度＜5cm/min，激振5min后無明顯下沉即可停止施打。鋼管樁接長采用滿焊形式，焊縫應(yīng)飽滿，焊接質(zhì)量應(yīng)滿足規(guī)范要求。鋼管樁施工后應(yīng)及時焊接水平撐和斜撐，樁頂找平后加焊鋼蓋板。接著按照設(shè)計要求安裝工字鋼橫梁、架設(shè)貝雷粱、安裝工字鋼分配梁、鋪設(shè)面板和安裝護(hù)欄。對各個節(jié)點聯(lián)結(jié)質(zhì)量進(jìn)行檢查，確保鋼便橋和鋼平臺的穩(wěn)定性與安全性。

5 水中樁主要施工技術(shù)

5.1 設(shè)備選型

由于卵石層中存在較大的漂石，回旋鉆機(jī)施工相對困難，鉆頭磨損較大。而沖擊鉆機(jī)采用重錘快打的方式即可成功擊穿漂石。綜合考慮地質(zhì)條件、鉆孔深度和環(huán)境制約等因素，本工程鉆孔灌注樁選用JK-6型沖擊鉆機(jī)進(jìn)行正循環(huán)成孔，清孔工藝采用氣舉反循環(huán)。

5.2 埋設(shè)鋼護(hù)筒

鋼護(hù)筒的直徑為1800mm，壁厚為12mm。由于江水流速較急，對鋼護(hù)筒埋設(shè)的垂直度影響較大。采用I25b工字鋼制作成雙層導(dǎo)向架，頂層導(dǎo)向架與鋼平臺工字鋼焊接相聯(lián)，底層導(dǎo)向架與鋼管樁上水平撐焊接相聯(lián)。采用120型振動錘振沉鋼護(hù)筒，護(hù)筒埋設(shè)應(yīng)準(zhǔn)確與穩(wěn)定，護(hù)筒平面位置偏差≤50mm，傾斜度≤1%。護(hù)筒進(jìn)入不透水層深度為3m。采用工字鋼將鋼護(hù)筒固定在鉆機(jī)平臺上，避免孔壁坍陷時鋼護(hù)筒掉落或傾斜。

5.3 護(hù)壁泥漿制備與控制

由于地層較為復(fù)雜，本工程采用優(yōu)質(zhì)泥漿進(jìn)行護(hù)壁。在鋼護(hù)筒內(nèi)投入膨潤土、碳酸鈉和羧甲基纖維素，其中碳酸鈉和羧甲基纖維素的摻量分別為0.05%和0.1%，采用樁錘攪拌均勻，泥漿的黏度為25～30s，比重為1.2～1.4，含砂率≤4%，PH值為8～11。粗砂層和卵石層泥漿比重為1.4，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖泥漿比重為1.2，其余土層的泥漿比重為1.3，孔內(nèi)泥漿面應(yīng)高出江面1.5～2.0m。

5.4 泥漿池設(shè)置

由于鋼平臺上場地相對狹小，水中樁施工存在無法設(shè)置泥漿池的共性難題。鋼護(hù)筒頂面與河床的距離14～16m，樁基施工時將臨近樁的鋼護(hù)筒采用溜槽連接起來作為泥漿池，使得泥漿在≥2個鋼護(hù)筒間進(jìn)行循環(huán)和凈化。已灌注混凝土的樁基鋼護(hù)筒不拆除作為后續(xù)樁基的備用泥漿池，多余的泥漿采用槽罐車外運(yùn)棄漿，避免泥漿污染九龍江。

5.5 沉渣厚度控制

由于地層中存在粗砂層、卵石層和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，沖擊成孔產(chǎn)生的鉆渣較多，為了避免沉渣厚度超標(biāo)，在沉淀池設(shè)置振動篩濾網(wǎng)，該措施能夠有效地將巖屑過濾。清孔時在泥漿回流孔內(nèi)位置設(shè)置濾砂器，利用濾砂器的渦流離心力將泥漿與粗砂分離，該措施能夠有效減少泥漿的含砂率。

6 結(jié)束語

本工程樁基施工完成后按照設(shè)計要求進(jìn)行成樁檢測，檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求。實踐表明，上述的水中鉆孔灌注樁施工技術(shù)能夠確保樁基質(zhì)量，為類似項目積累一定的經(jīng)驗。