山區(qū)橋梁大直徑孔樁施工研究

喻文遠(yuǎn)

（貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州貴陽 550001）

0 引言

由于大直徑人工挖孔樁施工技術(shù)的應(yīng)用，人工挖孔樁直徑也從最初的1.8m、2.2m、2.5m、3.1m、3.6m、4.0m 等逐步增加，在現(xiàn)代大跨度、超高墩柱橋梁工程施工中日益普遍。但是，結(jié)合實(shí)際研究表明，機(jī)具的機(jī)械特性、工作人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)、施工經(jīng)驗(yàn)等各種因素，都可以影響大直徑孔樁、灌注樁等施工技術(shù)的使用效益。

1 工程概況

六枝特大橋左幅橋型布置為5×40mT 梁+166m+3×320m+166m 預(yù)應(yīng)力空腹式剛構(gòu)+13×40mT 梁，右幅布置為5×40mT 梁+166m+3×320m+166m 預(yù)應(yīng)力空腹式剛構(gòu)+9×40mT 梁。橋臺采用樁柱式、U 臺配群樁基礎(chǔ)，全橋共有258 根樁基（Φ1.5m 樁基12 根、Φ1.8m 樁基30 根、Φ2.0m 樁基36 根、Φ2.2m 樁基64根、Φ2.4m 樁基10 根、Φ3.1m 樁基34 根、Φ3.6m 樁基72 根），樁長為12m～56m 不等，其中主墩6～8墩樁基樁徑均為3.6m，各24 根，六枝特大橋6～9主墩承臺設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級為C35，其他各墩承臺設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級為C30，全橋總計(jì)26 個(gè)承臺，其中6～8墩承臺按整體式設(shè)計(jì)，尺寸為41.8m×27.4m×6.5m，單墩承臺混凝土方量為7444.58m；9墩樁基樁徑為3.1m，共34 根。

2 大直徑挖孔樁施工技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 施工準(zhǔn)備

對施工圖紙進(jìn)行全面審查與熟悉，結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃?、地質(zhì)條件，以安全施工為原則，以高質(zhì)量施工速度為目標(biāo)，因地制宜施工建設(shè)，充足準(zhǔn)備。

由于六枝特大橋主墩的樁基樁徑3.6m，直徑較大，在山區(qū)交通不便，大型鉆孔設(shè)備不能進(jìn)入施工現(xiàn)場，施工單位經(jīng)過多方案比選，決定采用旋挖鉆機(jī)配合人工挖孔施工方案，以加快施工進(jìn)度及保障人員安全，先采用將旋挖鉆鉆取樁基2.2m 的中間土石方，再用人工擴(kuò)孔旋挖鉆出渣。利用錯(cuò)開工作時(shí)間的方式，安排旋挖鉆機(jī)在夜間鉆芯、出渣，白天人工擴(kuò)孔及人工澆筑孔樁護(hù)壁混凝土。

首先，整平現(xiàn)場場地，修建排水溝，確保場地內(nèi)無積水，做到三通一平。加工制作空壓機(jī)風(fēng)管，預(yù)埋電纜PVC 管及空壓機(jī)風(fēng)管后硬化場地。搭設(shè)防雨棚、安裝提升設(shè)備、修整場地及便道、合理布置堆料，減少孔樁壓力和避免影響施工。做好孔口防護(hù)，在孔口設(shè)置高出地面不小于30cm 防護(hù)圈鎖口，并應(yīng)設(shè)置臨時(shí)排水溝，防止地表水流入孔內(nèi)及土、石、雜物掉入孔內(nèi)傷人。準(zhǔn)備孔樁開挖輔助設(shè)施、器材，如孔內(nèi)的照明、通風(fēng)、排氣、安全爬梯、掩體等設(shè)施。

實(shí)施大直徑樁基施工采用旋挖鉆機(jī)配合人工挖孔施工方案工藝流程，對案例施工的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)傾注大量時(shí)間和精力，由項(xiàng)目總工與工程科技術(shù)人員、現(xiàn)場主管技術(shù)員等對施工現(xiàn)場情況進(jìn)行充分研究，并全面根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際狀況繪制施工工藝流程圖。同時(shí)，根據(jù)具體施工流程和主要技術(shù)指標(biāo)，科學(xué)編制施工方案。為了提高施工方案的靈活性，施工單位認(rèn)真研究技術(shù)應(yīng)用中所存在的問題，并建立各種應(yīng)急預(yù)案，確保所有安全生產(chǎn)、工程質(zhì)量隱患都得以有效解決。同時(shí)進(jìn)行施工管理方面的技術(shù)培訓(xùn)，以保障工程施工技術(shù)人員都具有相應(yīng)的施工安全生產(chǎn)、質(zhì)量控制等問題處理能力，挖孔樁工人施工的安全和質(zhì)量才得以保障，大直徑人工挖孔樁施工才能在安全情況下正常進(jìn)行。該項(xiàng)目在材料采集、檢測等環(huán)節(jié)也實(shí)施了嚴(yán)密的質(zhì)量管理與控制，材料保證符合工程設(shè)計(jì)和技術(shù)規(guī)范的規(guī)定要求。另外，該項(xiàng)目還對樁位偏差、垂直度、樁徑大小、護(hù)壁強(qiáng)度定期抽檢、施工作業(yè)過程嚴(yán)格執(zhí)行施工標(biāo)準(zhǔn)化、材料節(jié)超精細(xì)化等方面都實(shí)施嚴(yán)格管理。

2.2 旋挖鉆機(jī)配合人工挖孔樁

2.2.1 施工步驟

（1）測量定位及鎖口施工：復(fù)核橋位的樁位坐標(biāo)，確認(rèn)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑臉段粩?shù)據(jù)，沿樁中心呈“十”字型引出四個(gè)副樁位點(diǎn)用來控制樁位，嚴(yán)格設(shè)計(jì)圖紙對樁孔進(jìn)行鎖口的施工。

（2）旋挖鉆機(jī)掘進(jìn)：在測量定位完成及鎖口施工完成后，采用直徑為2.2m 鉆頭的旋挖鉆機(jī)進(jìn)行開挖鉆進(jìn)樁芯及出渣，每輪鉆進(jìn)深度為8～10m。旋挖鉆機(jī)配合人工施工工藝見圖1工藝流程圖。

圖1 旋挖鉆機(jī)配合人工挖孔樁施工工藝流程圖

（3）擴(kuò)孔爆破施工：旋挖鉆鉆芯完成后，采用人工進(jìn)入孔樁內(nèi)在芯孔邊上鉆設(shè)炮眼及裝填炸藥，進(jìn)行擴(kuò)孔爆破施工，擴(kuò)孔寬度為樁基設(shè)計(jì)樁徑+護(hù)壁厚度。

（4）出渣：爆破后人工進(jìn)入樁孔內(nèi)清理孔壁及將松動渣土棄入下方樁芯內(nèi)，待樁芯內(nèi)棄滿渣土后再利用旋挖鉆機(jī)進(jìn)行出渣，不用人工出渣，這樣提高了出渣的速度，也保證了出渣過程中的安全，臨近設(shè)計(jì)高程時(shí)采用吊桶配合汽車吊出渣，保證了樁底不受到旋挖鉆機(jī)的擾動。

（5）混凝土護(hù)壁施工：樁孔內(nèi)渣土清除完成后綁扎護(hù)壁鋼筋，支立護(hù)壁模板，然后澆筑混凝土，待護(hù)壁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度75%后進(jìn)行下一次循環(huán)掘進(jìn)，這個(gè)施工方法大大提高施工速度、減少工人的勞動強(qiáng)度、安全性與原始的全人工開挖也得到大的改善。

2.2.2 樁基護(hù)壁厚度驗(yàn)算

（1）驗(yàn)算公式

人工挖孔樁開挖時(shí)，為了防止孔樁墻壁發(fā)生塌孔，保證施工人員安全，人工挖孔樁必須采取分段開挖、分段澆筑護(hù)壁的方法施工。分段現(xiàn)澆混凝土護(hù)壁厚度，應(yīng)該取受力最大處，即地下最深段、地質(zhì)最差處護(hù)壁所承受的土壓力及地下水的側(cè)壓力，經(jīng)過計(jì)算確定護(hù)壁混凝土厚度。孔樁護(hù)壁受力示意圖見圖2。設(shè)混凝土護(hù)壁厚度為t，則可按下式計(jì)算：

圖2 樁混凝土護(hù)壁受力簡圖

當(dāng)挖孔無地下水時(shí)：

當(dāng)挖孔有地下水時(shí)：

混凝土護(hù)壁厚度滿足：

N—— 作用在護(hù)壁截面上的壓力，N/m，N=pD/2；

P——土和地下水對護(hù)壁的最大總壓力，N/m；

γ——土的重度，kN/m；

γ——水的重度，kN/m；

H——人工挖孔樁護(hù)壁深度，m；

h——地面至地下水位深度，m；

D——人工挖孔樁外徑，m；

f——混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa；

φ——土的內(nèi)摩擦角（）；

K——安全系數(shù)，取1.65。

（2）六枝特大橋主墩樁基

六枝特大橋主墩中每個(gè)墩均有部分樁基存在地下水且水位較高，取8墩樁基護(hù)壁作控制計(jì)算，8墩樁基直徑為3.6m，深53m，混凝土護(hù)壁采用C30 混凝土，每節(jié)護(hù)壁高度1m，地基土為黏性土，天然重度γ=19.5kN/m，內(nèi)摩擦角φ=20，地面以下9m 有地下水，樁基混凝土護(hù)壁所需厚度為t。

最深段的總壓力為：

該橋樁基護(hù)壁采用C30 混凝土，f=14.3MPa，D=3.6m，則混凝土護(hù)壁厚度為：

此樁基混凝土設(shè)計(jì)護(hù)壁厚度為20cm（設(shè)置Ф12的護(hù)壁鋼筋，間距為20cm），滿足要求。

2.2.3 樁芯防墜落防護(hù)

在使用旋挖鉆鉆芯后，樁孔內(nèi)將產(chǎn)生直徑為2.2m的樁芯，將存在安全隱患，采用直徑20 鋼筋焊接成尺寸為2.6m×2.6m 鋼筋網(wǎng)片（網(wǎng)間距為15cm）覆蓋在取芯孔上方，便于孔樁擴(kuò)孔作業(yè)人員操作以及防止人員發(fā)生墜落事故，挖孔人員在孔內(nèi)施工時(shí)必須佩戴好安全帽、安全帶、掛好防墜器。

2.3 人工挖孔配合小型機(jī)具出渣

樁基開挖前，應(yīng)搭設(shè)防雨棚。周圈設(shè)安全欄桿并三面滿掛2m 高密目安全網(wǎng)，下班后把出渣口也掛上密目安全網(wǎng)，并且要做好安全門鎖上。樁口上和樁下施工操作層上設(shè)置半圓形防護(hù)鋼板（采用δ6mm 厚的半圓形鋼板支撐于樁基護(hù)壁上端，并采用3 根鋼絲繩構(gòu)成三角形進(jìn)行提升半圓形防護(hù)鋼板，挖孔時(shí)將鋼絲繩固定于孔口圍擋地腳螺栓）側(cè)孔內(nèi)躲避，以防落物傷人。采用吊桶出渣時(shí)，吊桶不可裝滿，只允許裝到桶高的2/3，避免在吊運(yùn)過程中渣土灑落出桶，對下方施工人員造成傷害。挖出的土石方渣必須堆放在樁孔邊外1m 以外，并及時(shí)運(yùn)走。

由于該橋墩柱較高較大，所以樁基數(shù)量較多，樁基較集中，間距較小，施工相互干擾較大，人工挖孔樁必須跳孔開挖，每天開挖一米支護(hù)一米，待護(hù)壁混凝土達(dá)到強(qiáng)度后才可以向下開挖。使用鐵鏟和風(fēng)鎬手動進(jìn)行挖掘，尤其是使用風(fēng)鎬和氣槍。在鉆孔開挖過程中出現(xiàn)巖石后，可采用鉆孔爆破法施工，科學(xué)布置爆孔位置和炮眼深度，采用接近內(nèi)部作用藥量的藥量。電起爆系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)在外部毫秒網(wǎng)絡(luò)中，以便有足夠的時(shí)間間隔啟動每個(gè)爆炸孔，使其成為獨(dú)立的動作裝藥。采用機(jī)械排渣和人工出渣兩種相結(jié)合的方法進(jìn)行孔樁渣排出，這樣減少了工人的勞動強(qiáng)度，大大提高了挖孔樁的進(jìn)度。

2.4 鋼筋籠制作及吊裝

六枝特大橋主墩樁基鋼筋籠采用在鋼筋加工房加工為半成品后，再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，現(xiàn)場采用200 工字鋼及75 槽鋼加工成鋼筋籠胎模胎架，胎架縱向間距2.5m。在胎架上加工制作鋼筋籠，便于準(zhǔn)確定位鋼筋籠主筋間距，整條鋼筋籠在胎模上加工制作完成后，再拆分成幾段，便于吊裝把鋼筋籠放入孔中，孔口再連接成整條鋼筋籠逐級放入孔中；其他橋墩樁基鋼筋籠采用在鋼筋加工房分節(jié)制作完成后轉(zhuǎn)運(yùn)至現(xiàn)場再進(jìn)行吊裝的方式。

2.4.1 鋼筋使用前應(yīng)檢驗(yàn)是否合格并清除鋼筋表面的銹皮，使鋼筋表面清潔。鋼筋應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸加工。

2.4.2 鋼筋籠根據(jù)孔樁深度分段分節(jié)加工，主筋接頭錯(cuò)開布置，接頭采取套筒連接形式，主筋與箍筋連接宜點(diǎn)焊。

2.4.3 鋼筋籠加勁圈等在鋼筋加工房加工區(qū)加工為半成品，現(xiàn)場采用人工進(jìn)行加強(qiáng)補(bǔ)焊加工制作。

2.4.4 鋼筋籠加工完后應(yīng)間隔采用Φ28 鋼筋制作成五角星形焊接支撐加勁箍筋，防止鋼筋籠吊裝時(shí)發(fā)生變形。

2.5 通風(fēng)及有害氣體檢測措施

由于此橋的樁基直徑較大，工人操作空間大，工人數(shù)量相對較多，要特別注意通風(fēng)供給新鮮空氣，保證氧含量充足。該橋樁基較深，有的已經(jīng)達(dá)到60m，且地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開挖過程中要預(yù)防有毒有害氣體的產(chǎn)生，危及工人的安全，每天下孔前必須先通風(fēng)，檢測有毒有害氣體。

2.5.1 當(dāng)開挖深度超過5m，開挖前采用活體試驗(yàn)或氣體檢測儀進(jìn)行有毒氣體檢測，經(jīng)檢測確認(rèn)無有毒氣體后方可進(jìn)入孔內(nèi)作業(yè)，挖孔過程中，孔內(nèi)施工人員隨身配備便攜式氣體檢測儀，如檢測儀報(bào)警，施工人員必須馬上離開孔內(nèi)，并現(xiàn)場技術(shù)人員報(bào)告。

2.5.2 當(dāng)孔深達(dá)到10m 或孔深未達(dá)到10m 但檢測到有害氣體時(shí)，人員在下入孔內(nèi)前必須先通風(fēng)15min 以上后，經(jīng)有害氣體檢測儀檢測合格后方可進(jìn)入孔內(nèi)，并且人員在孔下作業(yè)時(shí)采用通風(fēng)設(shè)備持續(xù)強(qiáng)制通風(fēng)，通風(fēng)設(shè)備選用送風(fēng)量18m/min（大于24L/s）的鼓風(fēng)機(jī)。

2.5.3 當(dāng)孔深超過40m 時(shí)，人員在進(jìn)入孔內(nèi)前必須先通風(fēng)25min 以上，并經(jīng)氣體檢測儀檢測合格后方可進(jìn)入孔內(nèi)，人員在孔下時(shí)，至少有1 人隨身配備便攜式氣體檢測儀，并采用鼓風(fēng)機(jī)持續(xù)強(qiáng)制通風(fēng)。

2.5.4 孔內(nèi)空氣污染物超過現(xiàn)行《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012）規(guī)定的三級標(biāo)準(zhǔn)濃度限值時(shí)禁止人員下孔。

2.5.5 加強(qiáng)安全防御及避險(xiǎn)等緊急救助常識教育,項(xiàng)目經(jīng)理部將對施工人員和管理人員進(jìn)行應(yīng)急救援常識教育，作為安全防范和風(fēng)險(xiǎn)防范，并將教育所有施工人員只有在緊急進(jìn)氣（主要成分為氧氣）和檢查儀器檢測無有毒氣體后，才能下井救人。實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救援標(biāo)準(zhǔn)化，防止盲目救援，造成救援人員額外傷害，擴(kuò)大事故規(guī)模。

2.5.6 加強(qiáng)有毒氣體的全程監(jiān)控,每個(gè)鉆孔都配有便攜式有害氣體探測器。井底操作員必須在整個(gè)成孔過程中檢測有毒氣體。一旦發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)氣體有毒，必須迅速疏散操作人員，并進(jìn)行強(qiáng)制通新鮮空氣，至少15～30min。有毒氣體檢測合格后，人員可繼續(xù)進(jìn)入孔內(nèi)。

2.5.7 設(shè)專職安全員進(jìn)行工點(diǎn)的全程督導(dǎo),完善相關(guān)管理制度和措施，采取全過程監(jiān)管，在關(guān)鍵點(diǎn)和多個(gè)環(huán)節(jié)安排專人檢查落實(shí)有毒氣體防護(hù)措施；情節(jié)嚴(yán)重的，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行專項(xiàng)整治。

2.5.8 準(zhǔn)備足夠的應(yīng)急救援物資，把事故規(guī)模降到最低點(diǎn),每個(gè)樁孔應(yīng)該配備兩個(gè)及以上通風(fēng)系統(tǒng)。軟梯、安全繩、防墜器等也必須配備到每個(gè)孔口邊上，專用于該孔，主要用于突發(fā)事故后的應(yīng)急救援設(shè)施。根據(jù)要求，施工現(xiàn)場必須配備多個(gè)醫(yī)用高壓氧氣瓶、氧氣輸送管和現(xiàn)場急救設(shè)備，主要包括呼吸面罩。

當(dāng)有工人在孔內(nèi)工作時(shí)，必須對孔進(jìn)行監(jiān)督和保護(hù)，不得擅自離開。必須在孔內(nèi)設(shè)置軟梯子，不得將卸料起重機(jī)用作上下人員的升降機(jī)。在樁孔施工期間，工人需要全程帶好氣體檢測儀器，發(fā)現(xiàn)有異常，工人應(yīng)立即返上到地面。上下孔過程中，對人數(shù)有嚴(yán)格的要求（每次不能超3 人），要背好安全帶，掛好防墜器，這是上下孔樁嚴(yán)格執(zhí)行，確保工人安全。每個(gè)墩柱安排3 個(gè)技術(shù)員全過程監(jiān)管施工安全，不能讓工人違規(guī)操作，違章作業(yè)。用電安全是專職電工負(fù)責(zé)，非專業(yè)人員禁止亂接亂搭電力線路。

孔樁達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，進(jìn)行孔底處理，做到孔底表面無松渣、泥、沉淀土。然后進(jìn)行物探自檢，物探深度不小于10m，確認(rèn)終孔標(biāo)高及探明樁基10m 范圍內(nèi)是否有溶洞存在，確保達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的樁端持力巖層。

2.6 樁身混凝土灌注

樁基混凝土澆筑均采用導(dǎo)管法施工：對于六枝特大橋主墩樁基采用干作業(yè)澆筑法灌注，如樁基內(nèi)存在地下水，則采用水泵將水抽干后進(jìn)行干作業(yè)灌注法灌注；對于其他橋梁樁基，滲水量小于6mm/min 的樁基采用干作業(yè)澆筑法灌注；滲水量不小于6mm/min 的樁基，采用水下澆筑法。

采用干作業(yè)混凝土澆筑法施工，在混凝土通過導(dǎo)管進(jìn)入樁孔底部時(shí)，由于樁基較深（40～61m 不等）,落差較大會對樁基底部產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，對已經(jīng)澆筑初凝的混凝土產(chǎn)生擾動，在導(dǎo)管上增加了減速裝置，致使混凝土在下落過程中起到緩沖作用，降低混凝土下落的速度、減小了對下層混凝土的沖擊力。為確保樁頭部位混凝土的密實(shí)度，在混凝土灌注過程中，項(xiàng)目采用人工用振動棒插入振搗加埋管澆筑的方法進(jìn)行，保證了澆筑混凝土的密實(shí)性，埋管4～6m 開始拆除導(dǎo)管，每次拆除3～4m 導(dǎo)管，一直要保證導(dǎo)管埋在混凝土中澆筑，并做好澆筑記錄。

3 結(jié)語

施工中，大直徑鉆孔樁的施工處在高度隱蔽、高度危險(xiǎn)狀態(tài)，技術(shù)復(fù)雜，施工難度、施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，危險(xiǎn)因素較多、控制較困難，對工程質(zhì)量影響因素較多。通過對大直徑挖孔灌注樁施工全過程的理論剖析與實(shí)踐運(yùn)用，為提高樁的工程質(zhì)量提供理論支持。要更好地開展橋梁施工，必須通過科學(xué)的方法進(jìn)行施工模擬，并引入新型的施工材料與施工機(jī)械設(shè)備，增加大直徑挖孔灌注樁的質(zhì)量與強(qiáng)度。