橋梁樁基施工水磨鉆成孔技術(shù)分析

游征宇、吳澤海

（江西省嘉和工程咨詢(xún)監(jiān)理有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

橋梁樁基工程對(duì)質(zhì)量穩(wěn)定性要求高，特別是在一些特殊地質(zhì)條件下，基礎(chǔ)施工時(shí)很容易出現(xiàn)樁基下沉、坍塌等問(wèn)題，因此在橋梁樁基施工時(shí)應(yīng)當(dāng)重視成孔技術(shù)的選擇。水磨鉆成孔技術(shù)是當(dāng)前橋梁樁基成孔的關(guān)鍵技術(shù)，具備成孔穩(wěn)定性強(qiáng)、操作方便等優(yōu)勢(shì)，得到廣泛應(yīng)用，對(duì)提升橋梁項(xiàng)目整體建設(shè)效果有重要作用。

1 水磨鉆成孔技術(shù)

水磨鉆主要是由鉆機(jī)設(shè)備與水泵以及鉆筒組合而成，每一部分都會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行。一般情況下，每個(gè)水磨搭配3～5 個(gè)水磨鉆筒，其中一個(gè)鉆筒中包含7個(gè)鉆頭。在水磨鉆現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的階段，通過(guò)鉆機(jī)沿著標(biāo)注的位置鉆入多個(gè)孔，將相鄰孔連接，組合成為閉合的環(huán)形結(jié)構(gòu)，形成樁芯的臨空面，可以使樁芯與樁壁分離。對(duì)巖芯部分分塊，需要在巖芯上鉆出一排孔，插入鋼釬，經(jīng)過(guò)錘擊打入結(jié)構(gòu)，使巖石表面開(kāi)裂，達(dá)到剪切破裂的效果，形成多個(gè)小塊。發(fā)揮提升系統(tǒng)的作用，將分解后的巖塊直接吊出孔洞，為后續(xù)的施工順利實(shí)施奠定基礎(chǔ)。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，用分層的方式處理各個(gè)結(jié)構(gòu)，不斷深入施工，形成施工孔，然后開(kāi)展鋼筋籠安裝以及混凝土灌注施工工序[1]。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目資料

某橋梁公路線(xiàn)路總長(zhǎng)度為170km，其中包含一座大型橋梁。設(shè)計(jì)方案為（87+158+87）m 變截面現(xiàn)澆連續(xù)剛構(gòu)箱梁+3×30mPC 連續(xù)T 梁，有2 聯(lián)長(zhǎng)度是434.5m，在橋梁的走向上設(shè)置為曲線(xiàn)的形式，T 梁采取折線(xiàn)的方式，應(yīng)用懸臂展開(kāi)內(nèi)外側(cè)曲線(xiàn)的調(diào)節(jié)，使用徑向方式設(shè)置。按照現(xiàn)場(chǎng)的施工需要，根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的布置分別在1 號(hào)、2 號(hào)主墩采取雙支薄壁墩方式，高度按照要求設(shè)置為19.315m 及17.785m；3 號(hào)使用空心薄壁墩的結(jié)構(gòu)形式，墩高18.469m。除了上述幾種形式外，還有圓柱墩、灌注樁等結(jié)構(gòu)，可以滿(mǎn)足道路交通的需要。

2.2 橋梁基礎(chǔ)總體施工方案

在此次橋梁項(xiàng)目的施工中，有3 個(gè)墩體布置在河流內(nèi)，為1、2、3 號(hào)墩。其中1、3 號(hào)墩布置在河岸位置上，施工在枯水期，采取筑島方式作業(yè)，明挖基坑方式施工；2 號(hào)墩設(shè)置在河流中心，由于當(dāng)?shù)赜幸蛔娬舅畮?kù)，所以施工難度較高，常見(jiàn)有水存在，需要建設(shè)一條鋼棧橋?qū)? 號(hào)墩和2 號(hào)墩連接起來(lái)，構(gòu)筑施工作業(yè)平臺(tái)。經(jīng)過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)的情況，發(fā)現(xiàn)1 號(hào)墩的施工復(fù)雜性高，坡度大、傾斜明顯，加上現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間比較小，受到地面結(jié)構(gòu)硬度較大的影響，傳統(tǒng)的鉆機(jī)作業(yè)方式難以滿(mǎn)足施工要求。

3 1 號(hào)墩施工方法選擇

3.1 橋墩設(shè)計(jì)情況

橋梁1 號(hào)墩包含6 根直徑2.2m 的鉆孔灌注樁，樁頂標(biāo)高86.5m，承臺(tái)尺寸（11.1×12.7×4.5）m，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 地形地貌情況

1 號(hào)墩現(xiàn)場(chǎng)施工地形環(huán)境比較差，墩位地面坡度在40°左右，該項(xiàng)目的基坑開(kāi)挖施工比較大。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的綜合分析，對(duì)比同類(lèi)型的工程項(xiàng)目，最終對(duì)承臺(tái)標(biāo)高的設(shè)計(jì)方案做出如下調(diào)整：承臺(tái)結(jié)構(gòu)從原設(shè)計(jì)底標(biāo)高82.5m 調(diào)整為86.5m，即提升4m；承臺(tái)頂部標(biāo)高為91m，樁體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度增加4m，底部標(biāo)高不作任何調(diào)整，有助于施工的順利進(jìn)行，還能防止雨季洪水沖擊；在承臺(tái)底部的懸空結(jié)構(gòu)部位，應(yīng)用素混凝土填充處理，結(jié)構(gòu)達(dá)到密實(shí)、穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 水文地質(zhì)情況

分析地質(zhì)勘察報(bào)告結(jié)果，得出如圖1 所示的結(jié)果。該橋梁1 號(hào)墩的地質(zhì)表層為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化變粒巖，裂隙有一定的發(fā)育，結(jié)構(gòu)層厚度為1.7m 左右，向下到樁體結(jié)構(gòu)標(biāo)高上，層厚在22m 左右，全部是微風(fēng)化變粒巖，以塊狀形式為主，并且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，單軸抗壓強(qiáng)度為68.5MPa，最高達(dá)126.1MPa。這種地質(zhì)條件硬度較高，其巖面保持30°夾角。因?yàn)樵摌蚨詹贾迷诤影哆叄⑶矣休^大的坡度存在，表面覆蓋層厚度小。在現(xiàn)場(chǎng)存在裂隙發(fā)育比較明顯的情況，以塊狀形式為主，巖芯基本完整，所以并未產(chǎn)生較多的裂隙水而影響工程施工。該地下巖層完整度高，整體性較好，所以滲水量很小。

圖1 1 號(hào)墩所處地質(zhì)縱斷面圖

3.4 鉆孔灌注樁的適應(yīng)性分析

在1 號(hào)墩的位置上，經(jīng)過(guò)勘探后發(fā)現(xiàn)，地層巖石結(jié)構(gòu)強(qiáng)度超過(guò)100MPa 的結(jié)構(gòu)深度在15m 左右，并且以陡坡硬斜巖的形式為主，鉆進(jìn)難度比較高。該位置的巖層傾角在30°左右，傳統(tǒng)的沖擊鉆、旋轉(zhuǎn)鉆不能開(kāi)展工作，也難以達(dá)到垂直度的標(biāo)準(zhǔn)，要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管控。

3.5 水磨鉆技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

其一，在以往的施工中，傾斜巖石的鉆進(jìn)施工難度高，容易產(chǎn)生偏孔的情況。如果應(yīng)用水磨鉆成孔的方式，通過(guò)鉆孔取芯的作業(yè)方法，可以避免上述問(wèn)題，對(duì)于提升工程質(zhì)量有積極作用。其二，在硬質(zhì)巖地質(zhì)條件下，一般需要常規(guī)鉆機(jī)24h 連續(xù)施工才能鉆進(jìn)深度50～60cm，對(duì)于1000MPa 的巖石結(jié)構(gòu)，鉆入深度僅有20～30cm。選用水磨鉆循環(huán)施工方式，12～14h 的鉆進(jìn)深度就可以達(dá)到50～60cm，施工效率明顯提升，現(xiàn)場(chǎng)施工工期也會(huì)大幅縮短。其三，1 號(hào)墩建設(shè)在坡度較大的岸邊，現(xiàn)場(chǎng)施工空間比較小，大型鉆機(jī)難以快速運(yùn)輸?shù)轿唬ャ@體積小，不需要大型設(shè)備搬運(yùn)即可進(jìn)行施工[2]。其四，水磨鉆現(xiàn)場(chǎng)施工的噪聲比較小，工程效益明顯。其五，水磨鉆穩(wěn)定性強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)施工振動(dòng)比較小，且不會(huì)對(duì)現(xiàn)有的建筑物結(jié)構(gòu)造成過(guò)大的影響。該橋梁項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)原有一座橋梁，已經(jīng)判定為危橋，新建設(shè)的橋梁與舊橋的距離為200m 左右。如果選用人工挖孔樁爆破的施工方式，會(huì)對(duì)舊橋造成較大的影響，所以不宜使用。水磨鉆現(xiàn)場(chǎng)施工不需要爆破作業(yè)，防止對(duì)其他建筑物結(jié)構(gòu)造成不利影響。其六，成孔質(zhì)量水平較高，不會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生過(guò)大的擾動(dòng)，盡可能保持圍巖結(jié)構(gòu)的完整性。成孔具備較好的規(guī)則性，超欠挖得以有效控制，混凝土的使用量也能得到有效控制。

3.6 施工方法選定

經(jīng)過(guò)對(duì)以上情況展開(kāi)分析，在該橋梁項(xiàng)目中，水磨鉆成孔方案更加適用，所以最終工程單位選擇該工藝進(jìn)行建設(shè)施工。

3.7 工序流程

水磨鉆施工階段的重要工序流程是：鉆孔—劈裂巖芯—解散巖芯—出碴—檢孔—護(hù)壁—拆模等，完成上述工序后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，如圖2 所示[3]。

圖2 水磨鉆樁基施工工序流程圖

4 水磨鉆成孔方案現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

4.1 筑島

該工程項(xiàng)目施工需要在枯水期內(nèi)進(jìn)行，水位在87.0m 高程下開(kāi)展，承臺(tái)靠岸一側(cè)邊坡根據(jù)1∶0.75 的坡率放坡開(kāi)挖，再進(jìn)行表面混凝土噴射防護(hù)施工。因?yàn)槌信_(tái)處于硬巖結(jié)構(gòu)內(nèi)，懸空結(jié)構(gòu)應(yīng)用素混凝土填充。筑島臨水邊坡根據(jù)1∶1 的坡率現(xiàn)場(chǎng)施工，對(duì)于水中坡腳，則應(yīng)用拋石籠護(hù)腳，達(dá)到穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。筑島平臺(tái)填筑到90.0m 高程，根據(jù)要求壓實(shí)施工，加強(qiáng)承臺(tái)尺寸控制，同時(shí)還要落實(shí)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管控措施，保證各個(gè)結(jié)構(gòu)部分的性能合格。

4.2 水磨鉆成孔施工

4.2.1 樁位放樣

在現(xiàn)場(chǎng)施工開(kāi)始前，進(jìn)行測(cè)量網(wǎng)的設(shè)置，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案要求測(cè)量放線(xiàn)，確定樁位，提高施工現(xiàn)場(chǎng)的精確性水平，將木樁或者鋼釬打入地下樁孔中心，且位置偏差不超過(guò)50mm。

4.2.2 鎖口施工

鉆孔作業(yè)實(shí)施前，進(jìn)行井圈鎖口的澆筑施工，并且在外部澆筑一個(gè)絞盤(pán)的支撐平臺(tái)，為整個(gè)結(jié)構(gòu)的施工提供基礎(chǔ)。井圈鎖口使用C20 混凝土施工，厚度在30cm 以上，頂面超出基準(zhǔn)面30cm 左右，并且中心線(xiàn)與軸線(xiàn)偏差在20mm 以?xún)?nèi)。

4.2.3 護(hù)壁施工

開(kāi)挖施工到中風(fēng)化層之前，進(jìn)行護(hù)壁施工極為重要，并在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置內(nèi)齒型護(hù)壁的方式，厚度在150mm左右位移。具體應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：現(xiàn)場(chǎng)施工每鉆進(jìn)1m 的深度就要立即安裝鋼筋籠，澆筑混凝土；選擇C25 混凝土材料為宜，坍落度在8～10cm 之間，通過(guò)吊桶方式運(yùn)輸混凝土；澆筑后，立即插入鋼釬進(jìn)行振搗處理，達(dá)到密實(shí)度要求，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度合格后再拆模。

4.2.4 水磨鉆開(kāi)挖

經(jīng)過(guò)測(cè)量放樣確定現(xiàn)場(chǎng)尺寸后，再進(jìn)行鉆機(jī)的固定，使套筒向孔樁側(cè)外傾一定的角度，在下一循環(huán)，保證鉆孔套筒的起點(diǎn)位置在設(shè)計(jì)孔樁邊線(xiàn)面，不會(huì)發(fā)生縮孔的問(wèn)題，使得樁孔以節(jié)段存在，截面尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)要求，不會(huì)影響工程質(zhì)量[4]。

4.2.5 卷?yè)P(yáng)機(jī)配合料筒出碴

在出碴施工中，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)聯(lián)合料筒的方式進(jìn)行。將鉆進(jìn)之后獲取的巖芯，分塊后直接裝入料筒，通過(guò)電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)提升到地面，然后倒入推車(chē)，運(yùn)輸?shù)脚R時(shí)存料場(chǎng)，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。為了保證現(xiàn)場(chǎng)起重施工的安全性，鋼絲繩在吊裝階段沒(méi)有發(fā)生斷裂、卷?yè)P(yáng)機(jī)不會(huì)出現(xiàn)傾覆等問(wèn)題，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的鋼絲繩直徑、料筒最大裝載質(zhì)量、卷?yè)P(yáng)機(jī)配重等參數(shù)，合理地確定鋼絲繩的破斷拉力以及卷?yè)P(yáng)機(jī)的抗傾覆能力，達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行的安全性標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)出碴提升的環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制，具體應(yīng)落實(shí)下述措施：

第一，材料裝載完成后，不能超出料桶頂面；第二，起重機(jī)提升料桶的環(huán)節(jié)，保持緩慢、平穩(wěn)，防止出現(xiàn)擺動(dòng)劇烈的情況；第三，在起重設(shè)備內(nèi)，必須設(shè)置限位器、防脫保險(xiǎn)裝置；第四，通過(guò)土包配重的方式施工，保證卷?yè)P(yáng)機(jī)的兩側(cè)達(dá)到平衡狀態(tài)，整個(gè)機(jī)架結(jié)構(gòu)達(dá)到平穩(wěn)、牢固的要求，以免引發(fā)安全事故。

5 水磨鉆的缺點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

其一，水磨鉆作業(yè)的危險(xiǎn)性較高。在水磨鉆施工環(huán)節(jié)，應(yīng)用人工挖孔樁的方法建設(shè)施工。該環(huán)節(jié)施工都是在井下空間進(jìn)行，如果現(xiàn)場(chǎng)管理不到位，容易發(fā)生墜物、打擊、觸電、窒息等情況，威脅施工人員的生命安全。因此，應(yīng)落實(shí)施工人員的安全知識(shí)培訓(xùn)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)的電力設(shè)施配置，提升現(xiàn)場(chǎng)施工的安全性，預(yù)防安全事故。其二，水磨鉆設(shè)備成本較高。以該工程項(xiàng)目為例，樁體直徑為2.2m，在硬巖地質(zhì)條件下，進(jìn)行成本分析。應(yīng)用水磨鉆的方式施工，每米成本在5000 元左右，沖擊鉆成本只有1800 元左右。該橋梁項(xiàng)目施工難度較高，沖擊鉆施工速度非常緩慢，相對(duì)來(lái)說(shuō)保證工期、質(zhì)量，解決現(xiàn)場(chǎng)施工問(wèn)題更加重要。其三，水磨鉆現(xiàn)場(chǎng)施工復(fù)雜性高、工序多。在水磨鉆施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)人工鉆孔作業(yè)，嚴(yán)格按照工藝方案的要求，規(guī)避質(zhì)量問(wèn)題。因此，在現(xiàn)場(chǎng)施工中，應(yīng)加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)管理，落實(shí)技術(shù)交底措施，確保工程的質(zhì)量和進(jìn)度。

6 結(jié)論

對(duì)于陡坡硬斜巖的地質(zhì)條件來(lái)說(shuō)，以往施工的主要方法是沖擊鉆成孔，但是其鉆進(jìn)難度高，偏孔、現(xiàn)場(chǎng)空間有限等問(wèn)題比較常見(jiàn)。考慮到工程的具體情況，選擇水磨鉆施工方式，成孔質(zhì)量大幅提高，解決成孔環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題，通過(guò)工程案例，總結(jié)出如下經(jīng)驗(yàn)：

其一，水磨鉆現(xiàn)場(chǎng)施工有很多優(yōu)勢(shì)，其作業(yè)面廣、施工靈活度高、噪聲小、振動(dòng)小，應(yīng)用在多種工程條件下都能滿(mǎn)足施工要求，可以預(yù)防發(fā)生嚴(yán)重的工程事故或者安全問(wèn)題。

其二，在現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)節(jié)，加強(qiáng)每循環(huán)鉆孔的控制，預(yù)防出現(xiàn)孔傾斜、底部鋸齒等問(wèn)題。

其三，在鉆到中風(fēng)化巖層之前，落實(shí)護(hù)壁施工。

其四，在鉆孔作業(yè)階段，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)，隨時(shí)進(jìn)行糾偏處理，確保垂直度符合要求。

其五，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)充分考慮到孔內(nèi)排水、井口防護(hù)、通風(fēng)照明等問(wèn)題，并發(fā)布相關(guān)的應(yīng)急預(yù)案，切實(shí)提升工程的安全性。

其六，在鉆孔深度不斷增大的情況下，必須及時(shí)設(shè)置配套安全設(shè)施，落實(shí)安全技術(shù)參數(shù)管控，提高項(xiàng)目施工的安全水平。