水磨鉆成孔技術(shù)在陡坡硬斜巖橋梁樁基施工中的運用

■游書鋒

（南平市交通運輸綜合執(zhí)法支隊，南平 354200）

隨著《交通強國建設(shè)綱要》的提出，“十四五”期間我國公路建設(shè)將處于加速成網(wǎng)的關(guān)鍵階段。 公路建設(shè)避免不了“逢山開路，遇水架橋”，“架橋”的一個重要施工環(huán)節(jié)為樁基及成孔施工。 目前，樁基成孔方法有人工挖孔、沖擊鉆成孔、沖抓鉆成孔、螺旋鉆成孔等[1-6]。 然而，山區(qū)陡坡硬斜巖橋梁樁基施工因其特殊性，常規(guī)的成孔施工方法無法滿足現(xiàn)場施工需求。 基于此，將水磨鉆成孔技術(shù)運用于山區(qū)陡坡硬斜巖橋梁樁基施工， 成功解決了現(xiàn)場實際問題，對今后類似工程具有參考意義。

1 工程概況

1.1 概況

國道205 曲港大橋項目為國道205 線改建工程，大橋位于南平市來舟鎮(zhèn)，項目起點 樁號K0+000（相對G205 線K2157+185），終點 樁號K1+023（相對G205 線K2158+700），路線全長1.023 km。 曲港大橋中心樁號K0+639.55，跨越富屯溪，橋孔布設(shè)采用 （87+158+87） m 變截面現(xiàn)澆連續(xù)剛構(gòu)箱梁+3×30 mPC 連續(xù)T 梁，共2 聯(lián)，全長434.5 m，主橋箱梁按路線走向曲線布置，T 梁主梁按折線布置，內(nèi)外側(cè) 曲線通過懸臂進行調(diào)整，墩臺按徑向布置。橋梁下部構(gòu)造1 號、2 號主橋主墩采用雙支薄壁墩，墩高分別為19.315 m 及17.785 m；3 號交接墩采用空心薄壁墩，墩高18.469 m；引橋4 號、5 號墩為圓柱墩，墩高分別為16.722 m 及9.645 m；兩橋臺按U 型臺設(shè)置，基礎(chǔ)均為灌注樁。 曲港大橋橋型圖如圖1 所示。

圖1 曲港大橋橋型圖

1.2 橋梁基礎(chǔ)總體施工方案

大橋河中墩共3 座，即1～3 號墩，1 號和3 號墩位于河岸，在枯水期采用筑島平臺施工樁基，再采用明挖基坑施工橋墩承臺；2 號墩位于河中央，該河為沙溪口電站水庫，施工時從3 號墩河岸修建鋼棧橋至2 號墩墩位搭設(shè)鋼平臺；1～2 號墩跨越河道約160 m 水面，河底巖層裸露，無法搭設(shè)鋼棧橋，因此，1 號墩從0 號臺前現(xiàn)有道路修筑施工便道至墩位，采用筑島圍堰做施工平臺進行施工。 1 號墩所在地面坡度大、巖層斜面大，作業(yè)空間受限，且地層巖石堅硬，無法采用常規(guī)的鉆機施工樁基；其余墩臺、橋臺均可采用常規(guī)方法施工樁基及承臺。

2 1 號墩施工方法選擇

2.1 橋墩設(shè)計情況

大橋1 號墩設(shè)計6 根直徑2.2 m 鉆孔灌注樁，樁頂標高86.5 m，承臺尺寸（11.1×12.7×4.5） m，1 號墩樁基地質(zhì)及設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 1 號墩樁基礎(chǔ)參數(shù)

2.2 地形地貌情況

1 號墩地形陡峭，墩位地面坡度近40°，考慮到承臺基坑開挖深度太大，經(jīng)商議對承臺標高進行了相應(yīng)的設(shè)計變更：將承臺原設(shè)計底標高82.5 m 變更為86.5 m，即提高4 m；提高后承臺頂標高91 m，樁長相應(yīng)增長4 m，樁基底部標高不變，這樣更便于施工，且避免受雨季洪水威脅；承臺底懸空部分采取素混凝土填充措施。

2.3 水文地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘探報告，如圖2 所示，1 號墩地質(zhì)表層為碎塊狀強風(fēng)化變粒巖，裂隙稍發(fā)育，層厚約1.7 m，向下至樁底標高，層厚約22 m，均為微風(fēng)化變粒巖，青灰色，變余結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯呈較完整柱狀，錘擊聲脆震手，單軸抗壓強度平均值68.5 MPa，最高達126.1 MPa，為硬質(zhì)巖，該巖層巖面傾斜角度近30°。因橋墩位于岸邊陡坡上，基本無覆蓋層，雖巖層表層裂隙較發(fā)育，但是呈塊狀，而巖心較完整，因此表層可能有較少“裂隙水”，越往下地質(zhì)情況越好，呈整體巖層，滲水量極少。

圖2 1 號墩所處地質(zhì)縱斷面圖

2.4 鉆孔灌注樁的適應(yīng)性分析

1 號墩地層巖石強度大于100 MPa 的厚度達15 m 左右，且?guī)r層為陡坡硬斜巖；鉆孔灌注樁無論采用何種鉆機，都較難鉆進。 該巖層巖面傾斜角度近30°，采用沖擊鉆和旋轉(zhuǎn)鉆施工無法操作，鉆孔垂直度難以保證。

2.5 水磨鉆的技術(shù)優(yōu)勢分析

水磨鉆具有以下技術(shù)優(yōu)勢：（1）常規(guī)成孔方法在傾斜的硬質(zhì)巖層中鉆進困難且極易造成偏孔，而水磨鉆成孔采取鉆孔取芯形式， 能有效解決硬巖鉆進困難和偏孔問題。（2）在硬質(zhì)巖層采用常規(guī)鉆機24 h，一般鉆進50～60 cm，100 MPa 以上鉆進僅為20～30 cm；而采用水磨鉆循環(huán)12～14 h 可鉆進50～60 cm。 （3）1 號墩處于陡坡河岸邊，作業(yè)空間受限，大型鉆機設(shè)備無法運輸?shù)蕉瘴?，而水磨鉆施工所需整套設(shè)備體型小，易搬運。（4）水磨鉆施工，沒有泥漿，噪聲小，環(huán)境污染小。 （5）震動小，對既有建（構(gòu)）筑物影響小。 舊曲港橋為危橋，本工程臨近舊橋約200 m， 傳統(tǒng)人工挖孔樁爆破震動對舊橋影響大，爆破方案不可行；水磨鉆施工無需爆破，能有效解決該問題。 （6）成孔質(zhì)量便于控制。 對圍巖擾動小，最大限度保留了圍巖完整性，成孔規(guī)則，超欠挖控制好，可以有效減小混凝土超耗量。

2.6 水磨鉆的缺點及應(yīng)對措施

（1）水磨鉆施工安全風(fēng)險較高。 水磨鉆施工屬于人工挖孔工藝范疇，施工過程中需要人工下井作業(yè)，存在高處墜落、物體打擊、觸電、窒息等安全風(fēng)險。 施工過程中應(yīng)嚴格按照施工方案和技術(shù)規(guī)程，加強人員安全培訓(xùn)教育和安全交底， 強化安全防護、施工用電、通風(fēng)等安全措施，保障施工安全。

（2）水磨鉆造價相對較高。 以本工程為例，樁徑2.2 m，硬巖地質(zhì)，經(jīng)成本測試，采用水磨鉆成孔工藝造價約每延米5000 元， 采用沖擊鉆成孔工藝造價約每延米約1800 元。 但針對本工程案例，相對于造價成本，解決現(xiàn)場問題、保障工程進度更為重要。

（3）水磨鉆人工作業(yè)程度高、工序復(fù)雜。 水磨鉆施工需要人工進行鉆孔，每循環(huán)包括鉆孔、劈裂巖芯、解散巖芯、出渣等多個工序，某個工序出現(xiàn)問題都可能影響整體質(zhì)量和施工進度。 施工過程中要加強施工管理，做好技術(shù)交底，保障施工質(zhì)量及進度。

2.7 施工方法選定

綜合上述情況及分析，水磨鉆成孔方案在本工程更為適用，最終施工采用水磨鉆成孔的方案。

3 水磨鉆施工方法

3.1 基本原理

水磨鉆機、水磨鉆筒和專用水泵是水磨鉆的3個主要組成部分。 一般一個水磨鉆機配備3～5 個水磨鉆筒，一個水磨鉆筒上有7 個刀頭。 水磨鉆法主要是通過水磨鉆機沿樁徑內(nèi)沿鉆若干個孔， 孔孔相連，形成一個環(huán)。 該環(huán)成為樁芯的臨空面，使得樁芯和樁壁分離。 再對巖芯部分進行分塊，即在巖芯部分鉆上一排小孔，并在小孔內(nèi)錐入鋼楔子，捶擊鋼楔擠壓巖石，使巖石沿鉛錘面被拉裂并從底部發(fā)生剪切破裂，分解成若干小塊。 借助提升系統(tǒng)可將分解的巖塊吊出孔外。 依次按照分層取芯、破裂、取巖塊的循環(huán)工序，最終達到成孔目的。 隨后進行鋼筋籠安裝和混凝土灌筑等后續(xù)工藝流程。 水磨鉆施工工藝如圖3 所示。

圖3 水磨鉆施工工藝圖

3.2 工序流程

水磨鉆施工每循環(huán)流程主要包括水磨鉆鉆孔、劈裂巖芯、解散巖芯、出渣、檢孔、施工護壁（進入中風(fēng)化巖層時）、等強度、拆模，隨后進入下一循環(huán)，施工工序流程圖如圖4 所示。

圖4 水磨鉆樁基施工工序流程圖

4 水磨鉆成孔方案現(xiàn)場實施

4.1 筑島

本工程施工選擇在枯水期，水位在87.0 m 高程進行， 承臺靠岸側(cè)邊坡按1∶0.75 開挖線進行放坡，坡面進行噴射混凝土防護。 由于承臺部分位于堅石內(nèi)，部分懸空，對懸空部分采取素混凝土填充處理措施。筑島臨水面邊坡按1∶1 坡率設(shè)置，水中坡腳采用拋石籠護腳穩(wěn)定。 筑島平臺填筑至90.0 m 高程，按要求進行壓實，筑島范圍每邊比承臺尺寸（11.1×12.7） m 大3 m，即（17.1×18.7） m，在滿足樁基和承臺施工工作面的前提下，盡量遠離航跡線。 施工圖如圖5 所示。

圖5 筑島施工圖

4.2 水磨鉆成孔施工

4.2.1 樁位放樣

在測量控制網(wǎng)布設(shè)施工基礎(chǔ)上，按照設(shè)計圖紙測定樁位， 以木樁或鐵釬打入地下標定樁孔中心，樁孔中心偏差不得大于50 mm。

4.2.2 鎖口施工

在鉆孔前應(yīng)澆筑井圈鎖口，并在鎖口外側(cè)澆注一個絞盤（孔內(nèi)出碴使用）的支承平臺。 井圈鎖口采用C20 混凝土澆筑，壁厚不少于30 cm，頂面高出施工基面30 cm， 井圈中心線與設(shè)計軸線偏差不得大于20 mm。

4.2.3 護壁施工

開挖至中風(fēng)化巖層之前， 應(yīng)進行護壁施工，結(jié)構(gòu)形式為內(nèi)齒護壁，護壁厚度150 mm，具體為：每鉆進1 m 應(yīng)立即安裝鋼筋（Φ8）、立模澆筑混凝土，澆筑采用C25 現(xiàn)澆混凝土， 混凝土坍落度控制在8～10 cm 范圍內(nèi)，采用吊桶運輸，人工撮料入倉，鋼釬搗實， 混凝土澆筑完畢24 h 后或強度達到2.5 MPa 時方可拆模。

4.2.4 水磨鉆開挖

測量放樣后固定鉆機位置使套筒向孔樁側(cè)壁外傾一定角度，有利于下一循環(huán)鉆孔時套筒起鉆點能置于設(shè)計孔樁邊線面，不致造成縮孔，使得樁孔呈節(jié)段倒合體，從而保證成孔截面尺寸。 其余按照3.2 節(jié)內(nèi)容。 施工現(xiàn)場圖如圖6 所示。

圖6 水磨鉆開挖現(xiàn)場圖

4.2.5 卷揚機配合料筒出渣

由卷揚機配合料筒組成提升系統(tǒng)。 鉆取的巖芯經(jīng)分塊后裝入料筒， 用電動卷揚機提升至地面，倒入手推車運至臨時存料場。 為了保證起重作業(yè)的安全，確保鋼絲繩在使用過程中不斷裂及卷揚機在使用過程中不發(fā)生傾覆， 根據(jù)現(xiàn)場使用鋼絲繩直徑、料筒裝滿最大載重量、卷揚機配重等參數(shù)，計算得出鋼絲繩破斷拉力及卷揚機的抗傾覆能力滿足安全系數(shù)要求。 出渣提升過程中，通過下述措施，進一步保證提升安全：（1）裝料不得超出料桶平面；（2）提升要緩慢、穩(wěn)定，避免繩索搖擺；（3）起吊設(shè)備設(shè)置限位器、防脫保險裝置；(4)用土包配重的方法保持卷揚機兩端平衡，且起重架安裝要平穩(wěn)牢固。

4.2.6 成孔檢驗

根據(jù)JTG F80-2017《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準 第一冊 土建工程》，成孔質(zhì)量檢驗標準為：孔底平整、無沉渣；孔徑、孔深≥設(shè)計值；孔位中心偏差≤50 mm，傾斜度＜0.5%。

經(jīng)檢驗，工程現(xiàn)場水磨鉆成孔效果良好，達到了上述檢驗標準，成孔效果如圖7 所示。

圖7 成孔效果圖

5 結(jié)語

在陡坡硬斜巖地質(zhì)條件，采用沖擊鉆孔等施工方法，存在鉆進難度大、偏孔、施工場地受限等問題。 結(jié)合工程實際情況，采用水磨鉆成孔施工方法，成孔效果良好，成功解決了現(xiàn)場實際問題，得出以下經(jīng)驗，可為今后類似工程案例提供借鑒：（1）水磨鉆施工技術(shù)優(yōu)勢有：作業(yè)面小、施工靈活程度高、噪聲小、震動干擾小等特點，除適用于陡坡硬斜巖地質(zhì)外，也適用于對噪聲、震動干擾敏感的結(jié)構(gòu)物樁基成孔施工。 如：市政、鐵路既有線樁基施工，不能爆破區(qū)域樁基施工等。 （2）嚴格控制每循環(huán)鉆孔質(zhì)量， 避免出現(xiàn)成孔傾斜、 底部出現(xiàn)鋸齒狀等現(xiàn)象。（3）進入中風(fēng)化巖前，應(yīng)序時跟進護壁施工。 （4）鉆孔過程中，應(yīng)實時進行孔位糾偏，保證成孔垂直度。（5）應(yīng)充分考慮孔內(nèi)排水、井口防護、通風(fēng)照明等問題，制定相應(yīng) 的應(yīng)急預(yù)案，并提前采取預(yù)防措施，保證施工安全。 （6）隨著鉆孔越深，配套的安全措施應(yīng)相應(yīng)跟進，具體施工安全措施可參照人工挖孔樁施工相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。