拱橋斜樁施工技術(shù)探討

張國健

摘要：在大跨徑拱橋施工建設(shè)項目中，斜柱基礎(chǔ)以其受力明確、占地面積小等特點得到了廣泛應用。文章結(jié)合柳州經(jīng)合山至南寧高速公路項目合山紅水河特大橋工程實例，分析了斜樁開挖施工中存在的主要問題，從拱箱移動施工、安全監(jiān)測預警、鋼筋籠下放、樁口模板等方面提出了優(yōu)化創(chuàng)新技術(shù)，并探討了斜樁成孔施工、終孔檢查、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等環(huán)節(jié)的技術(shù)要點，對同類拱橋斜樁的施工具有重要參考意義。

關(guān)鍵詞：拱橋;基礎(chǔ);斜樁;拱箱移動施工;鋼筋籠下放;監(jiān)測預警

0 引言

我國近年來在公路建設(shè)事業(yè)發(fā)展方面取得了驕人的成績，公路網(wǎng)絡建設(shè)效率與質(zhì)量得到了進一步提升。在地形、地勢、地貌復雜多變的眾多道路設(shè)計建設(shè)中，橋梁結(jié)構(gòu)的應用已經(jīng)成為一項成熟的技術(shù)，且技術(shù)的發(fā)展始終保持強勁勢頭。不同形式的拱橋應運而生，成為滿足地形特殊要求且具有景觀欣賞價值的典型橋梁結(jié)構(gòu)，不斷刷新著設(shè)計者的設(shè)計水平，也在持續(xù)驗證著施工技術(shù)與方法。在拱橋施工過程中，斜樁基礎(chǔ)施工是一項技術(shù)要求高、施工難度大的環(huán)節(jié)，通常在受力相等時，直豎樁與斜樁相比，后者具有更理想的軸向承載性能，無論是群樁還是單樁，斜樁的承載能力都更為理想，因此斜樁的施工應用更加廣泛。為獲得更理想的軸向承壓能力，有效減弱橫向剪力與彎矩，有必要對斜樁施工技術(shù)展開進一步的探討與分析。

1 工程概況

柳州經(jīng)合山至南寧高速公路合山紅水河特大橋，跨徑組合為（3×20+228+3×20）m，橋梁全長358.42 m。主跨采用中承式鋼管混凝土拱橋，凈跨徑為210 m，矢跨比為1∶4.0，拱軸系數(shù)m=1.45，主橋長228 m，拱肋橫向中心間距為17.8 m，拱肋采用變截面桁式結(jié)構(gòu)，拱頂截面高3.8 m，拱腳截面高6 m。吊桿順橋向的標準間距為8.0 m，橋面為格構(gòu)式鋼-混組合結(jié)構(gòu)，溯社岸主墩為斜樁（隧洞）+樁基礎(chǔ)的形式。兩岸引橋均為3×20 m的箱梁。該橋于合山市嶺南鎮(zhèn)里蘭社區(qū)西北方向約850 m處跨越紅水河，距離上游樂灘水電站42.5 km，距離下游橋鞏水電站32 km，距離上游合山電廠2.3 km，在合山岸上跨廣西合山市上塘礦區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程——江濱路延長線道路。

該橋拱座為分離式拱座，分為左、右2個，全橋共4個，橫向凈間距為8.8 m，形狀為菱形體，拱座長12.23 m，寬9 m，高13.23 m，[KG（0.1mm]底部標高為92.456 m，位于第四系沖洪積層，含砂黏土層。合山岸拱座基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，一個豎直樁（全橋共2個），一個斜樁（隧洞）（全橋共2個），溯社岸為擴大基礎(chǔ)。豎直樁直徑為3.5 m，樁長為10 m，采用人工挖孔樁。隧洞基礎(chǔ)高6 m，寬6 m，隧洞的上半部分為半圓形，下半部分為矩形和弧形的組合形狀。斜樁（隧洞）左側(cè)長30 m，右側(cè)長28 m，斜樁開挖角度為與水平面成46.185°，要求嵌入完整基巖≥7 m，采用人工挖孔。全橋拱座基礎(chǔ)采用C30混凝土，拱座采用C40內(nèi)養(yǎng)生混凝土，待主拱圈施工完成后，澆筑C50內(nèi)養(yǎng)生混凝土封拱腳。合山紅水河特大橋BIM模型見圖1。

2 拱橋斜樁開挖傳統(tǒng)施工存在的主要問題

在一些拱橋施工中，拱橋斜樁開挖施工還有沿用傳統(tǒng)施工手段的情況，而傳統(tǒng)的斜樁開挖施工受技術(shù)工藝以及設(shè)施設(shè)備的限制，存在一些待解決的問題：

（1）開挖深度超30 m后，施工人員隨著作業(yè)深度加大和作業(yè)半徑縮減而難以實施挖掘，開挖渣土的運輸多由小車裝載后由卷揚機帶出，使得出渣速度慢、效率低，整個開挖進度不快。

（2）斜樁基礎(chǔ)所用鋼筋籠在提前制作完成后，經(jīng)過斜樁洞口機械吊裝入內(nèi)，由人工依據(jù)臨時固定措施完成相應的操作，存在較為明顯的安全風險隱患。

（3）斜樁孔在確定孔徑工作中主要采用全站儀實施測量定位，不能建立動態(tài)化的孔壁尺寸監(jiān)控檢測及校正體系，因此會造成斜樁傾斜度、開挖斷面尺寸等指標參數(shù)的偏差與錯誤。

（4）斜樁澆筑混凝土工作的施工質(zhì)量常常不達標：一方面因斜樁的斜面樁口內(nèi)部安裝混凝土模板時多用塊狀拼接，并用竹膠板切割，使得拼接后易出現(xiàn)明顯錯臺;另一方面頂層混凝土體澆筑的松散程度明顯，不能有效確保澆筑質(zhì)量。

3 拱橋斜樁施工技術(shù)方法的優(yōu)化創(chuàng)新

3.1 施工安全觀測預警技術(shù)

在斜樁施工過程中可能存在開挖變形等安全隱患，需要加強施工安全觀測預警。在合山紅水河特大橋施工過程中，在拱頂安裝可移動支架，并開發(fā)應用了新型預警觀測裝置用于觀測斷面，間距為3 m，主體為支架下所吊觀測球。觀測球的下降位移超過警戒線，則表示變形超出閾值，需要引起重視并采取措施處理。技術(shù)人員同時在拱頂支撐支架處安裝可觸變圓球裝置，若變形達到極限即自動啟動預警閃燈，從而發(fā)揮安全預警效果[1]。

3.2 半成品鋼筋籠下放技術(shù)

鋼筋籠制作及吊裝施工是斜樁施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，預制半成品鋼筋籠后，在斜樁施工拱頂設(shè)計并焊接滑軌可增強鋼筋籠下放成功率與穩(wěn)定性。合山紅水河特大橋施工中積極使用了半成品鋼筋籠下放技術(shù)，下放箍筋時通過卡槽裝置實現(xiàn)有效定位。在籠體下方加裝雙向鋼管，管徑與保護層厚度配套，沿著鋼管下放半成品鋼筋籠至樁底后，直接與鋼拱架焊接，并按技術(shù)措施實施鋼筋籠綁扎，待綁扎工序結(jié)束后抽離鋼管，最終完成鋼筋籠安裝[2]。通過以上技術(shù)操作的調(diào)整和優(yōu)化，可控制人工放籠時的位移偏差，減少勞動力輸出，整個下放過程更便捷。安裝原理如圖2所示。

3.3 斜樁樁口外掛式模板改進技術(shù)

在合山紅水河特大橋斜樁施工中，為保障樁口混凝土澆筑質(zhì)量，考慮新增拼裝模板在臨近樁口混凝土澆筑期間分上、下兩類模板完成安裝，固定好外掛模板以及預留鋼筋套口后，合理控制樁口混凝土澆筑質(zhì)量，提升作業(yè)速度，優(yōu)化模板拆卸便利性，保障勞動力合理輸出。樁口外掛式模板改進施工的作業(yè)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4 拱橋斜樁施工的技術(shù)要點

4.1 斜樁成孔施工

4.1.1 開挖準備

合山紅水河特大橋斜樁基坑開挖按斜樁局部跳躍的方案進行組織，準確測量斜樁孔位后，調(diào)整樣板，確定樁體傾角。

4.1.2 導管注漿

合山紅水河特大橋斜樁施工中，導管注漿作業(yè)與斜樁開挖同步進行，工序主要涉及鉆孔、布管、封面、注漿等工序。（1）鉆孔要用專用風動鑿巖鉆機，孔眼位置的偏移誤差要控制在0～±5 cm以內(nèi)，孔徑控制在7 mm左右，孔深要超過導管長度，管頂呈尖錐狀，管尾焊實，管壁隔0.4 m鉆梅花孔，導管要在斜樁拱部120°范圍內(nèi)分布，提升支護性能;（2）待注漿的斜樁內(nèi)面要及時噴注混凝土，厚度>5 cm，確?；炷翝{不會滲漏;（3）應在0.5～1.0 MPa壓力范圍內(nèi)以水泥漿液完成注漿，漿液配比需經(jīng)現(xiàn)場試驗后確定，注漿順序為先無水孔后有水孔，先孔底后拱頂，孔口要及時使用止?jié){塞抑制漿液的竄流，還可通過多孔間隔注漿來防止跑漿[3]。

4.1.3 工字鋼拱架施工

（1）工字鋼拱架應在制作樣臺上分段制作，嚴格按照設(shè)計尺寸要求作冷彎處理，各段制作完成后進行拼焊。拼焊主要是主筋、增強筋、連接角鋼等構(gòu)件參與完成，各構(gòu)件應以螺栓連接加固，以便可在現(xiàn)場直接施工安裝。工廠加工過程必須強調(diào)尺寸精確、弧度圓潤。拼焊作業(yè)要求順著拱架兩側(cè)同時進行，達到對稱效果，拱架中心應重合于軸線，同一接頭的兩段鋼件應圓心重合，確保孔位連接精確到位。拱架在加工試拼過程中需查驗扭曲狀況，孔周輪廓誤差≤3 cm。

（2）工字鋼拱架制作加工后要在現(xiàn)場完成安裝，包括測量定位、裝前準備、正式安裝等步驟。其中，測量內(nèi)容包括明確樁中線、高程以及橫向位置，一般在直線方向安裝鋼拱架要注意與樁中線保持垂直。當工字鋼拱架運至現(xiàn)場后，要按照不同的分段單元合理堆放，正式安裝之前應注意開挖斷面檢查，對于尺寸不到位的要及時處理，以便拱架可以順利安裝。一般在拱架外側(cè)存在噴射混凝土層，厚度>5 cm，拱架要完全安設(shè)在原狀巖石上，在拱腳或墻腳等處應先除凈異物再放置墊板。安裝工字鋼拱架時，拱架若與圍巖間出現(xiàn)明顯空隙則需視間隙大小安設(shè)墊塊。不同鋼拱架之間應使用縱向連接鋼筋構(gòu)筑新體系，若拱架腳高度不夠，達不到平衡要求則應靈活加墊鋼板調(diào)整高度[4]。

4.1.4 混凝土噴射施工

合山紅水河特大橋斜樁施工中，水泥使用強度為52.5的硅酸鹽水泥。工程用水要求水體內(nèi)部不存在有害雜質(zhì)，不會影響混凝土的合理凝結(jié)及硬化反應，不會影響混凝土的耐久性能。骨料有粗細之分，粗骨料選堅硬碎石，粒徑控制在1.5 cm以下，并要求有理想的級配比，細骨料選中砂或粗砂，質(zhì)地堅硬且內(nèi)無雜質(zhì)，應通過現(xiàn)場試驗控制砂率;速凝劑選DS液態(tài)產(chǎn)品，摻和量控制在5%左右。

混凝土噴射要使用專用的噴射機，正式噴料前先供水再送風，并除掉噴射管內(nèi)雜物，通過高壓風清除圍巖表層浮塵。噴料過程中上料應均勻持續(xù)，實時調(diào)配噴料比例?；炷羾娚漤樞驊葐右后w速凝劑泵，送風正常后再開始上料。噴射作業(yè)要控制好風壓，在0.5～0.75 MPa范圍內(nèi)為宜，不同噴射位置的風壓有明顯區(qū)別，一般拱部風壓應在0.4～0.65 MPa范圍內(nèi)，而邊墻角附近的風壓應在0.3～0.5 MPa范圍內(nèi)。噴射機內(nèi)的物料經(jīng)過噴管的噴嘴直接射向巖面，控制噴嘴與巖面的距離以及相對角度十分重要，噴嘴應垂直于巖面，并保持1±0.2 m的距離，若遇鋼筋則應偏擺出一定角度進行噴射[5]。噴射過程中要采用先墻腳再墻頂、先拱腳再拱頂?shù)姆绞?，不可出現(xiàn)死角，噴嘴出去的噴料應呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軌跡，每一次旋轉(zhuǎn)噴射都應覆蓋上一次噴射圈的一半左右，縱向噴射效果看應呈蛇形，單次蛇形噴射距離應控制在3 m。

4.1.5 開挖巖石地層

合山紅水河特大橋斜樁施工地段大多為巖石地層，對孔樁開挖作業(yè)造成一定的阻力。施工人員先以風動鑿巖機打眼，并控制實施光面爆破，按照分節(jié)開挖的施工技術(shù)措施，保持深度為1 m。爆破環(huán)節(jié)優(yōu)先考慮使用毫秒電雷管進行引爆，必須將火藥裝至鉆眼內(nèi)，杜絕出現(xiàn)裸露爆破。若巖石硬度較低，則風鉆打出的炮眼要在0.8 m深度以內(nèi);若巖石硬度較大，則風鉆打眼深度應在0.5 m以內(nèi)。炮眼之間的距離不應過小，可按35 cm布置炮眼密度，同時還要客觀分析判斷圍巖斷面特性與分布方向來確定炮眼數(shù)、位置、眼內(nèi)傾斜度等要求。通常中間區(qū)域的炮眼用于松動并挖心，周邊的炮眼主要用于邊界開挖。無論炮眼的深度如何，都要嚴格加強對炸藥用量的控制，以求達到松動的目的。中間區(qū)域的炮眼使用硝銨炸藥的量要控制在眼深的一半位置，而四邊炮眼使用硝銨炸藥的量要控制在眼深的1/4～1/3左右。若炮眼內(nèi)部出現(xiàn)積水則應使用防水炸藥，盡可能降低瞎炮情況出現(xiàn)[6]。

4.1.6 出渣運輸

斜樁樁底施工中產(chǎn)生的渣土碎巖，要以有軌方式向外運輸。鋪設(shè)鋼軌后使用礦用料斗裝卸，鋼軌規(guī)格應在19 kg/m以上。樁口設(shè)施功率滿足提升需求的卷揚機設(shè)備進行牽引，斜拉礦車出斜井（如圖4所示）。

4.1.7 斜樁開挖安全技術(shù)措施

（1）開挖前必須明確現(xiàn)場地質(zhì)條件，掌握地下水情況，制定必要的應急處理方案，配備應急機械等物資。

（2）樁孔施工人員控制為4人，戴好安全帽、雨衣、雨鞋等勞保用品，設(shè)置通信聯(lián)絡設(shè)施設(shè)備，孔口外一定范圍內(nèi)不得隨意放置易墜落傷人物件。

（3）認真觀察孔壁，若發(fā)現(xiàn)裂紋或坍落風險應及時加固支撐[7]。突發(fā)險情后，應迅速放出信號并及時撤出工作人員，在保障安全的前提下實施排險操作。

（4）聯(lián)絡裝置應確保靈敏可靠。地面人員要不間斷性檢查提升軌道、礦用料斗車、卷揚機鋼絲繩的牢固性。礦車內(nèi)土石必須傾倒干凈，卸貨點要遠離樁口3 m之外。

（5）為現(xiàn)場施工所用的照明、通風、抽水等設(shè)備配置漏電保護器，使用三蕊橡皮線架設(shè)電氣線路，避免接觸巖面。技術(shù)人員做好日常的線路、開關(guān)、漏電保護器等完成情況的檢查。

（6）確保當日開挖量與單日支護進度相當。作業(yè)人員出井離場前要覆蓋孔口，設(shè)置醒目警戒標志防止有人誤入跌落。

（7）孔深6～10 m時，每日通風至少1次;孔深超10 m后，每日通風至少2次。若施工人員有明顯呼吸不適的現(xiàn)象時，應及時通風。

（8）樁孔內(nèi)需要火藥爆破施工的，要安排專業(yè)操作工上崗作業(yè)，嚴格按照相關(guān)操作規(guī)程完成爆破。爆破時樁口應加蓋鋼筋網(wǎng)片等防護裝置，避免碎石噴射。爆破后，應立即啟動高壓風管向外排煙，也可使用電動鼓風機加強排放?？咨钸^大時，爆破后必須測定內(nèi)部有毒氣體成分與濃度。

（9）在隧洞施工過程中，也有可能出現(xiàn)坍塌等事故，因此要預先施工應急逃生通道，以確保隧洞施工過程中人員的人身安全。在隧洞的掌子面開挖、支護施工過程中，不可對應急逃生通道有所損傷，確保逃生通道的完整通暢。逃生通道所用管材為1.2 m鋼管，管節(jié)長度采用5～6 m，壁厚≥10 mm。為在遇到危險情況時方便攀登，在管道四周用20鋼筋焊接掛耳，梅花形交叉布置，縱向間距為0.5 m，三維效果圖如圖5所示。

4.2 終孔檢查

合山紅水河特大橋斜樁施工中，樁口使用全站儀檢查樁孔軸線，測量距離及高程，檢查孔深以及孔底傾角。焊接制作一個單片檢孔裝置，其尺寸應是樁孔的設(shè)計尺寸減去鋼筋保護層厚度?？椎卒摷苠^筋新焊三根通長斜面定位用鋼筋，應依據(jù)斜樁設(shè)計傾角規(guī)格下孔底標高加保護層厚度來焊接操作。鋼筋要平行設(shè)置，軸線處一根，向兩側(cè)間隔115 cm位置再布置一根，定位用鋼筋上要按照設(shè)計要求精確標明加強筋位置，并使用角尺以及檢孔器配合對孔徑、保護層厚度及相關(guān)尺寸進行檢查，達到終孔檢查的目的[8]。

4.3 鋼筋綁扎

鋼筋在工廠加工時要嚴格按照設(shè)計圖紙的尺寸要求完成不同型號加工，按規(guī)格亮牌堆碼。在斜樁孔內(nèi)下放鋼筋拱架后完成鋼筋綁扎，并做好加強鋼筋的置換操作，要將原設(shè)計的籠內(nèi)加強鋼筋向外置換。鋼筋綁扎有一定的技術(shù)要求與工藝順序：（1）明確加強筋的設(shè)計位置后再行安裝固定，先放與坡面垂直的加強鋼筋再安設(shè)孔底鋼筋，孔底鋼筋要及時與垂直加強筋綁扎，并完成焊接加固;（2）安設(shè)方向為斜樁矩形截面方向的加強筋要注意與箍筋以及垂直加強鋼筋之間的綁扎及焊接，必須焊點有效，綁扎到位;（3）加強筋綁扎后所成型的鋼筋籠，應具有良好的穩(wěn)定性，若穩(wěn)定性達標，則應進一步焊接橫向鋼筋，從孔底向孔口自下而上依次綁扎，橫向鋼筋在綁扎過程中要同時增加安全保護筋，直至綁扎完畢;（4）按照設(shè)計在鋼筋籠內(nèi)還應安裝加強筋，用于保護施工人員安全，具體尺寸要按照現(xiàn)場需求而定，間距應在2 m左右;（5）鋼筋籠完成綁扎焊接后要進行必要的質(zhì)量檢驗。

4.4 混凝土體澆筑

合山紅水河特大橋斜樁施工中，澆筑斜樁混凝土是重要一環(huán)。經(jīng)過技術(shù)手段測量，合山紅水河特大橋斜樁施工地所在區(qū)域的地下水滲入量未超過6 mm/min，因此采用干樁灌注方法進行澆筑。具體方法是：混凝土經(jīng)罐車運至現(xiàn)場后使用大功率混凝土輸送泵向樁孔內(nèi)輸送混凝土，將泵管從孔樁中心由孔口接到樁底，泵送入洞，滿槽澆筑。確保混凝土出口面到混凝土澆筑面的高度≤2.0 m，分層澆筑，分層搗實，采用一次成型的方法灌注樁身混凝土?；炷翝仓r的分層厚度控制在30～50 cm，并應充分振搗，保證混凝土密實。振搗的密實程度以混凝土停止下沉，不再冒出氣泡，表面平坦、泛漿為準[9]。對于灌漿澆筑中出現(xiàn)滲水積水的情況，在澆筑前要提前抽干積水，在澆筑過程中要集中一處噴料，使得積水向上擁擠，并在可見深度時及時抽干，同時用振搗器搗實混凝土。澆筑示意圖如圖6所示。

斜樁混凝土澆筑面上升是水平的，澆到孔口后，樁底澆滿了混凝土，樁頂三角部分混凝土澆不滿。對此，采用在孔口立模現(xiàn)澆施工方法：比設(shè)計樁長加長10 cm在樁周和樁心立模（紅木模板）現(xiàn)澆樁孔三角部位混凝土。對于隧洞基礎(chǔ)的伸出洞外的鋼筋，要在鋼筋對應的模板位置先開孔，安裝模板后用發(fā)泡膠堵塞。拆模后對洞口的樁基混凝土進行養(yǎng)護，樁基混凝土達到設(shè)計強度后將樁心、鋼筋間隔外多余的混凝土鑿除，進行樁基質(zhì)量檢驗。在進行隧洞基礎(chǔ)施工時保護豎向樁基樁頭，待斜向隧洞基礎(chǔ)澆筑完成并經(jīng)過經(jīng)濟檢測后再組織鑿樁頭[10]，如圖7所示。

5 結(jié)語

根據(jù)本文對合山紅水河特大橋斜樁施工技術(shù)的分析，可得出以下結(jié)論及建議：（1）采用半成品鋼筋籠下放技術(shù)可有效減小人工放籠時的位移偏差，降低人力消耗;（2）在臨近樁口處采用拼裝模板可以有效提高樁口混凝土澆筑質(zhì)量，提升作業(yè)速度;（3）采用可移動支架進行施工安全監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)超出警戒值的變形，避免安全風險;（4）斜樁成孔施工中，應注意按斜樁局部跳躍的方案進行開挖，要同時完成導管注漿作業(yè)，要加強對工字鋼拱架施工、混凝土噴射施工、開挖巖石地層、出渣運輸?shù)确矫娴募夹g(shù)控制，確保執(zhí)行斜樁開挖安全技術(shù)措施;（5）終孔檢查應注意先固定鋼筋再檢測相關(guān)尺寸;（6）鋼筋綁扎應遵守技術(shù)要求與工藝順序;（7）混凝土澆筑過程中，應注意結(jié)合地下水滲入量來選擇灌注方法。拱橋斜樁施工現(xiàn)狀的作業(yè)環(huán)境多變，影響因素復雜，需要嚴格按照作業(yè)規(guī)程和安全技術(shù)措施進行作業(yè)，確保施工各指標參數(shù)始終滿足技術(shù)要求，提升斜樁灌注質(zhì)量。

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