淺析湘中丘陵地區(qū)高速公路橋梁樁基施工方法

李向陽 許騰飛

中交路橋華東工程有限公司 上海 201210

灌注樁是指在橋梁設(shè)計樁位上通過機械鉆孔、鋼管擠土及人力挖掘等手段在土體中開孔，并在孔內(nèi)放置鋼筋籠、灌注混凝土而做成的樁，根據(jù)成孔方法不同，灌注樁分為沉管、鉆孔灌注樁及挖孔灌注樁等[1]，依據(jù)鉆孔機械不同，又分為沖擊鉆孔，旋挖鉆孔，回旋鉆孔，氣舉反循環(huán)成孔，泵吸反循環(huán)成孔等。

山區(qū)及丘陵地區(qū)高速公路橋梁中，樁基施工常用的成孔方式采用人工挖孔、沖擊鉆鉆進以及旋挖鉆鉆進的方式成孔。山區(qū)及丘陵地區(qū)高速往往線路長，沿線地層分布不均，變化較大，同時受地形及場地限制。如何根據(jù)現(xiàn)場地形地貌及地質(zhì)條件合理選擇成孔方式，對項目進度及成本控制具有重大意義。本文結(jié)合湖南省白倉至新寧清江橋高速公路項目橋梁樁基現(xiàn)場施工情況，對各類常用成孔方式進行分析、總結(jié)，可為后續(xù)類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

邵陽縣白倉至新寧縣清江橋高速公路，起點位于湖南省邵陽縣塘渡口鎮(zhèn)，終點位于新寧縣清江橋鄉(xiāng)，路線全長45.423km。

本項目橋梁樁基設(shè)計均為灌注樁，大部分為端承樁，少數(shù)為摩擦樁。

樁徑類型有Φ1.2m、Φ1.3m、Φ1.4m、Φ1.6m、Φ1.8m、Φ2.0m、Φ2.2m；最短樁長15m，最長樁長51.5m，端承樁（除溶洞外）樁長均小于30m，摩擦樁基本為40余米。

1.2 工程自然條件

1.2.1 地形地貌

本線路地勢起伏變化較大，呈兩端高、中間低的形式，地面高程226.12m～374.96m。地貌類型主要有河谷階地地貌，為夫夷水及其支流階地，低山丘陵間溝谷地和丘陵、丘崗地貌，三類地貌沿線交錯分布，總體上為低山丘陵地貌。

1.2.2 地質(zhì)條件

本標段線路上覆地層主要為人工填土、沖洪積成因的粉質(zhì)粘土、細砂、粗砂、卵石，殘坡積成因的粘土、粉質(zhì)粘土、碎石。

下伏基巖為頁巖、炭質(zhì)頁巖、砂巖、灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥巖等。沿線分布不均勻，變化大，主要為碳酸鹽巖類，巖溶較發(fā)育，存在多種巖溶形態(tài)，如溶溝、溶槽、溶洞等。

1.2.3 水文地質(zhì)條件

項目走廊帶散布大量的水塘、水庫，主要河流為夫夷水及其支流，屬資水南源。呈平行羽狀分布，流程短，落差大，流域面積小。

地下水主要位于第四系松散堆積層中，分別為巖裂隙水、孔隙水和碳酸鹽巖裂隙水三種類型。

1.2.4 周邊環(huán)境

本項目位于湘中丘陵地帶，沿線居民區(qū)較多且集中，主線橋梁主要跨越國道、縣道及低山丘陵間農(nóng)田地段。天橋均位于主線挖方段，上跨新建高速，地勢較陡，且無進場道路。

起點設(shè)樞紐互通與既有高速公路相接。互通范圍內(nèi)設(shè)置拼寬橋梁1座，跨線橋（既有高速路基改橋）1座，天橋、渡槽各1座，上跨新建高速匝道及原高速。

2 常見樁基成孔方式工藝原理、適用條件

2.1 人工挖孔

2.1.1 工藝原理

人工挖孔樁，主要成孔工藝有兩種，一種為爆破結(jié)合人工挖土，一種為水磨鉆成孔。

水磨鉆成孔采用立式三相工程水磨鉆機，配合人工挖孔清渣使用，利用鉆機套筒周邊的刀片在鉆機的轉(zhuǎn)動下切割巖體，并將巖體切入套筒內(nèi)，待鉆入一定深度后提出套筒，敲斷并清除筒內(nèi)巖石，鉆機取出巖芯后，中間巖石和周邊巖壁形成臨空面，再用鉆機或鐵鍬鑿碎中間巖石，吊運出渣[2]。

人工挖孔即人工在孔內(nèi)用鐵鏟或風鎬進行取土（鑿巖），過程中逐節(jié)澆筑護壁。地質(zhì)為巖層時，配合炸藥進行巖層松動，然后人工進入取土。

2.1.2 適用條件

⑴水磨鉆適于巖石較硬，樁基長度不大于20m，且周邊臨靠建筑較近，對臨邊建筑保護要求高的地段。

⑵人工挖孔適用于主要適于施工場地狹窄或缺水源、地質(zhì)較好地段的地段。樁基長度不宜大于20m。

2.2 沖擊鉆成孔

2.2.1 工藝原理

利用鉆機不斷地提錐、落錐反復(fù)沖擊孔底，即采用適當?shù)臎_程和沖擊頻率，把地層中的泥砂、石塊擠向四壁或打成碎渣，通過泥漿循環(huán)或掏渣筒掏渣實現(xiàn)出渣，重復(fù)上述過程,至鉆進深度達要求深度而實現(xiàn)成孔的。

2.2.2 適用條件

⑴地質(zhì)：特別是對卵石層地質(zhì)條件中鉆孔最為適用。⑵樁長：不大于80m。⑶樁徑：適用于0.8m～3m。

2.3 旋挖鉆成孔

2.3.1 工藝原理

旋挖成孔首先是通過底部帶有活門的桶式鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖土，并直接將其裝入鉆頭內(nèi)，然后再由鉆孔機提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出孔外卸土，這樣循環(huán)往復(fù)，不斷地取土卸土，直至鉆至設(shè)計深度。對粘結(jié)性好的巖土層，可采用干式或清水鉆進工藝，無需泥漿護壁。而對于松散易坍塌地層，或有地下水分布，孔壁不穩(wěn)定，必須采用靜態(tài)泥漿護壁鉆進工藝，向孔內(nèi)投入護壁泥漿或穩(wěn)定液進行護壁。

2.3.2 適用條件

⑴地質(zhì)：一般用于砂土、粘性土、粉質(zhì)土等土層及軟弱地質(zhì)差的地段。⑵樁長：不大于80m。

3 樁基成孔方式選擇

為加快施工進度，在地質(zhì)條件、場地條件允許的情況下優(yōu)先選擇旋挖鉆成孔。

本項目位于巖溶區(qū)，巖溶發(fā)育，且項目三跨夫夷水河，為河谷階地地貌，上覆地層為卵石層，層厚3～4m，易塌孔。針對巖溶樁基、卵石層，項目采用沖擊鉆鉆孔施工，充分利用泥漿護壁特點，防止塌孔，同時通過回填黏土、片石能很好的解決硬質(zhì)巖層傾斜大，出現(xiàn)巖溶等情況，同時在施工中經(jīng)過不斷沖擊砸實能有效的解決漏漿、塌孔等問題[3]。

起點樞紐互通拼寬橋梁樁基與原橋樁基凈距僅2.13m，天橋、渡槽樁基位于原高速挖方段碎落臺位置，距離高速較近，安全風險高。為減少拼寬橋梁樁基施工對原橋梁的擾動，同時為降低邊通車邊施工的安全風險，拼寬橋梁及天橋、渡槽樁基采用人工挖孔（水磨鉆）法施工。主線天橋均位于挖方邊坡內(nèi)，現(xiàn)場無大型設(shè)備進場及施工條件，主線天橋樁基同樣采用人工挖孔（水磨鉆）法施工。

4 各類成孔方式實施過程及效果

4.1 人工挖孔

⑴工期：人工挖孔一般地質(zhì)條件下，實際綜合工效1m/d；有效施工工效1.5m/d。水磨鉆在一般地質(zhì)條件下，實際綜合工效0.8m/d，有效施工工效1.2m/d。⑵成本：采用人工、爆破的，不含稅單價550元/m3（除混凝土、炸材外所有施工費用）；采用水磨鉆的，不含稅單價800元/m3（除混凝土外所有施工費用），水磨鉆單價為常規(guī)單價，具體根據(jù)實際情況確定。⑶質(zhì)量效果：人工開挖成孔施工操作工藝簡單、施工方便、不需要大型機械設(shè)備，可同時進行多樁施工，單樁承載力高，可直接檢查樁外形尺寸和直接確認樁地質(zhì)情況、受力性能可靠，抗震能力強，施工質(zhì)量易保證。水磨鉆對于施工擾動要求較高的情況下更為適用。⑷安全效果：挖孔過程勞動強度大、單樁施工速度緩慢、施工中的安全隱患也非常突出。必須采取井下作業(yè)，人身安全問題較大，施工安全管理難度較大[4]。同時受天氣影響明顯，遇地下水較高時抽水對周邊建筑物的影響比較大。

4.2 沖擊鉆成孔

⑴工期：嵌巖樁地質(zhì)條件下，實際綜合工效（黏土層）3～4m/d；有效施工工效4～5m/d。實際綜合工效（淤泥層）6～8m/d；有效施工工效10m/d。實際綜合工效（碎石、全風化層）4～5m/d；有效施工工效5～6m/d。實際綜合工效（強風化層）3～4m/d；有效施工工效4～5m/d。實際綜合工效（中風化層）1m/d；有效施工工效1～1.5m/d。⑵成本：不含稅單價250～500元/m3（除混凝土、磚渣外運外所有施工費用），孔徑1.2m～2.5m，孔徑與單價成反比。⑶質(zhì)量效果：沖擊鉆錐以自由落體的方式?jīng)_擊巖土。由于鉆頭質(zhì)量大，沖擊末速度較高，沖擊力大，能夠有效地破碎較硬的巖石；沖擊土層時的沖擠作用形成的孔壁較為堅固；鉆進時孔內(nèi)泥漿循環(huán)的作用，使得懸浮鉆渣循環(huán)至孔口排除，并保持了孔壁穩(wěn)定,泥漿用量少；使用沖擊鉆機所成的孔更穩(wěn)固，大大減小了塌孔現(xiàn)象的出現(xiàn)機率，在灌注混凝土前孔內(nèi)泥漿能達到更加潔凈的指標。⑷安全效果：沖擊鉆自重較輕，設(shè)備較少，相對于旋挖樁等設(shè)備多的機械安全隱患少；占用場地較少，標準化施工可達到復(fù)制性就位；鉆機所使用設(shè)備簡單，安裝方便，減少了外部機械所帶來的的安全問題；采用電腦控制系統(tǒng)，設(shè)置沖程后可自動沖擊。

4.3 旋挖鉆成孔

⑴工期：一般地質(zhì)條件下，實際綜合工效80～100m/d；有效施工工效90～110m/d。⑵成本：孔徑1.3m及以下，不含稅單價200元/m3（除混凝土、磚渣外運外所有施工費用）；孔徑1.5m～2.0m，不含稅單價180元/m3（除混凝土、磚渣外運外所有施工費用）。⑶質(zhì)量效果：自動化程度高、成孔速度快、質(zhì)量高。鉆進過程中一些施工參數(shù)如轉(zhuǎn)速、鉆壓力、深度等有電腦顯示，可有效的控制成樁的垂直度，防止超挖和欠挖。采用全程鋼套跟進還可以避免縮徑等樁身質(zhì)量缺陷，切實解決了復(fù)雜地層護壁難的問題，鉆孔質(zhì)量好。⑷安全效果：采用了國際先進技術(shù)，性能優(yōu)異，自動化程度高，在施工時能夠自行移動并達到移動、孔位對準方便、快捷，減少人工操作，相對比較其他鉆機如沖擊鉆需要較多人工操作的鉆機，有效的減少了人和機械之間的危險因素。

5 存在問題及建議

5.1 存在問題

⑴人工挖孔樁：人工挖孔樁需要人下井作業(yè)，勞動強度高，工作環(huán)境及條件較差，如遇到腐植層、煤炭層等不良地層情況下存在一氧化碳或瓦斯等有毒氣體產(chǎn)生，直接危害作業(yè)人員生命安全；如遇到回填土、含承壓地下水土層、流砂、膨脹性等軟弱土層時，易發(fā)生塌孔危及施工人員安全。⑵沖擊鉆：污染環(huán)境，不環(huán)保；循環(huán)泥漿，沉淀出渣需要泥漿池，占用較大的施工場地。此外，沖擊鉆沖擊過程容易偏孔及吊錘，大孔徑施工需要分級進行擴孔，沖擊震動受干擾比較大。⑶旋挖鉆：旋挖鉆機受地層地質(zhì)情況的制約，遇硬質(zhì)巖層、卵石層，孤石層時鉆進困難，易發(fā)生事故。同時，由于旋挖鉆體型較大，重量較重，對場地大小及承載力要求較高。

5.2 建議

⑴人工挖孔樁：人工挖孔樁施工過程中，主要受地下水及孔內(nèi)流沙、淤泥等因素影響，嚴重可能造成較大的質(zhì)量或安全風險。針對兩項應(yīng)針對性采取處理措施。

1）地下水：水問題在工程人工挖孔樁中屬于常見問題，含水層中的水會因開挖時平衡狀態(tài)的破壞，導致周圍的靜態(tài)水流入孔內(nèi)。

①關(guān)于滲水的處理，采用膨脹性材料，通過遇水膨脹達到堵水效果。

②關(guān)于孔內(nèi)積水的處理，如滲水量較大，發(fā)生涌水情況，無法單純的通過堵水措施解決時，可采用抽水泵放置井底邊挖邊抽，保證孔內(nèi)不積水?；?qū)撍弥糜诳變?nèi)中部涌水處，從源頭解決。

③當以上兩種方法均不能解決時，可考慮在場地四周通過管井降水或分流，但應(yīng)注意周邊環(huán)境，考慮由于地下水位下降而導致的地表下沉。

2）流砂或易坍塌地層：在遇有流動的細砂、粉砂層地質(zhì)時，較容易形成流砂，甚至會發(fā)生井漏，造成嚴重的后果。因此，要在施工時就采取一系列有效可靠的措施，來確保施工順利安全進行。

①當流砂情況較輕時，有效的方法是將每次開挖深度縮短，減少孔壁暴露時間，并及時施做混凝土護壁，必要時護壁內(nèi)增設(shè)鋼筋，以保證護壁的穩(wěn)定性。

②當流砂情況較重時，可以采用鋼護筒跟進，或在開挖過程中遇該類地層時，沿孔底下方向四周鉆孔注漿，形成止水帷幕，提高孔內(nèi)周邊土體的穩(wěn)定性，從而有效控制塌方等情況。

⑵沖擊鉆：沖擊鉆機特別適用于山區(qū)丘陵嵌巖樁的成孔。表層為軟弱土時，可以通過換填地表土，以求穩(wěn)固鉆機。也可以根據(jù)工地的實際情況自行組裝，并且具有操作簡單的特點。在鉆機的結(jié)構(gòu)和操作程序的繁簡上，沖擊鉆優(yōu)于旋挖鉆機。

⑶旋挖鉆：遇到易塌陷地層時，采用高質(zhì)量靜態(tài)泥漿造壁，同樣應(yīng)嚴格遵守以前鉆機的慢進多掃的技術(shù)要求。在通過膨脹性土層時，應(yīng)該加強掃孔，防止縮徑的發(fā)生。

嚴格控制成孔過程中提升斗的升降速度和鉆進速度，若鉆機升降鉆斗時速度過快，鉆斗外壁和孔壁之間的泥漿沖刷孔壁，再加上鉆斗下部產(chǎn)生較大負壓作用，造成孔壁頸縮、坍塌現(xiàn)象。當鉆斗在粉砂層或亞砂土層作業(yè)時，其升降速度應(yīng)更加緩慢。必要時，針對特殊軟弱地層，限制鉆機作業(yè)成孔的時間，通過3～4根的試樁，測定掌握最佳的科學成孔時間后，再規(guī)范指導旋挖鉆機正常施工。

回轉(zhuǎn)斗提升時下方產(chǎn)生較大負壓，導致提升阻力增大及孔壁收縮、坍塌。這個原因?qū)е乱恍┭睾┩寇浕貐^(qū)禁止采用旋挖鉆機的政策，可通過技術(shù)改進，側(cè)壁加焊導流槽，利于泥漿的導流，減小樁孔內(nèi)的負壓。同時底盤加焊側(cè)齒，控制回轉(zhuǎn)斗與刀尖間的距離，防止回轉(zhuǎn)斗升降旋轉(zhuǎn)時碰壞孔壁。

6 結(jié)語

本文結(jié)合湖南省白倉至新寧清江橋高速公路項目所處位置地形地貌，地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，以及項目環(huán)境等情況，根據(jù)不同成孔方式的適用條件及優(yōu)缺點，合理的選擇了人工挖孔樁、沖擊鉆及旋挖鉆施工。經(jīng)過現(xiàn)場施工論證，本項目樁基施工工期、安全、質(zhì)量及經(jīng)濟可行，可為類似項目提供經(jīng)驗參考。