京沪高速铁路桩基施工技术研究

2012-09-10彭海松韩伟欢

四川水力发电 2012年4期

彭海松，韩伟欢

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川都江堰 611830)

1 工程概况

新建京沪高速铁路土建工程JHTJ－3标段金山铺特大桥桥梁全长3830.44m，起迄里程DK443+113.35 ～DK446+943.79，桥梁线路位于鲁中南低山丘陵及丘间平原，地表以剥蚀为主，部分地段基岩裸露，地形起伏大。该段受区域构造的影响，以剥蚀为主，冲沟发育，河谷下切明显，丘间谷地发育有小型的冲洪积平原及盆地。主要岩性为新黄土、黏土、粉质黏土、卵石土、圆砾土、砾砂等，下伏花岗片麻岩，斜长片麻岩，局部有闪长岩侵入体，节理裂隙发育;新黄土具湿陷性。沿线地下水水位较深，一般深度大于10m，大气降水为地下水的主要补给来源。地下水对混凝土不具侵蚀性。

桥梁基础设计为明挖基础、挖井和钻孔桩基础等基础形式，全桥共设计有钻孔桩1200多根，桩径为1m，桩基每个桥墩含桩数为8、10、12个不等，单桩最大孔深54m，最小孔深7m。本段桥梁桩基础设计为柱桩，嵌入基岩3～8m。

2 桩基础工艺原理及工艺流程

2.1 工艺原理

钻孔灌注桩是采用机械或人工开挖等方式，在地层中按要求形成一定形状(断面)的井孔，待其达到设计高程后，将按照设计图纸制作的钢筋骨架吊入井孔中，再灌注混凝土成为桩基础。

根据地层和地下水情况以及周边环境问题，京沪高速铁路金山铺特大桥桩基施工采用了冲击钻机成孔、旋挖钻机成孔和人工挖孔三种不同的施工方法。

2.2 桩基施工成孔方式

2.2.1 冲击钻机成孔

冲击钻机成孔在桩基中适用范围比较广，不受地层、地下水等因素的影响，在金山铺特大桥桩基施工中，大部分桩基施工均采用该方法，其工艺流程为:整平场地→埋设护筒→安装钻机→泥浆护壁钻孔→清孔、验孔→拆除钻架→安装钢筋笼→安装浇筑支架→安装导管及储料斗→浇筑混凝土→桩基检测。

2.2.2 旋挖钻机成孔

2.2.2.1 旋挖钻机施工的主要特点

(1)旋挖钻机功率大、钻孔速度快、施工效率高、自动化程度高、定位准确，成孔质量可靠。

(2)旋挖钻机适用范围较小。由于嵌岩困难，仅适用于各类粘性土、粉质土、砂土地层、砂卵石层及软弱岩石地层;同时，不宜用于易坍塌的饱和砂层并不能有超径的漂石、孤石等。此次只在金山铺特大桥进行了4个墩、48根桩的施工。

(3)旋挖钻机不能自身造浆，但制备的泥浆可以循环使用。

(4)旋挖钻机移动方便，噪音小、环保，但自重大，对场地要求高。

(5)其施工工艺流程与冲击钻机类似。

2.2.2.2 施工方法

旋挖钻机采用筒式钻斗，钻机安装后调整好桅杆的垂直度和钻机的水平度，注入调制好的泥浆，然后进行钻孔。当钻头下降到预定深度后，旋转钻斗并施加压力，将土挤入钻斗内，仪表自动显示筒满时，钻斗底部关闭，提升钻斗，将土卸于堆放地点。钻机施工过程中，要保证泥浆面始终不得低于护筒底部，以保证孔壁的稳定性。这样，通过钻斗的旋转、削土、提升、卸土和泥浆撑护孔壁，反复循环直至成孔。同时，在钻孔过程中，钻机提钻甩渣复位后，应检查钻头是否对中。

在砂粘土和砂土中钻进，直接用旋挖筒成孔和取渣。在砾石和砂卵石层中钻进，应先用螺旋钻头将其松动，再用旋挖筒取渣。

钻杆钻进过程中，保持持续转动，钻进转速范围为5～30r/min，一般小于30r/min。孔径较小、地层较软时可用较大的转速，反之用较小的转速。一定要保证取土斗底部土体不被挤压破坏并顺利进入斗体中，确保土体钻进过程中局部没有形成失稳的滑孤面，有利于钻孔护壁。

钻具配备:上部粘性土使用锥形体的挖泥斗，相应增加斗体中平衡孔的面积，在提升斗体过程中减少对孔底土体的抽真空作用(负压)，有利于钻孔护壁，也利于斗体卸土;下部砂土改用砂石斗挖掘。

2.2.2.3 施工要点

(1)由于钻机设备较重，施工场地必须平整、宽敞并具有一定硬度，避免钻机发生沉陷。

(2)钻机施工中应检查钻斗，发现侧齿磨坏、钻斗封闭不严时必须及时整修。

(3)泥浆初次注入时，垂直向桩孔中间进行入浆，避免泥浆沿着护筒壁冲刷其底部，致使护筒底部土质松散。

(4)因粘土层中钻进过深易造成颈缩现象，在钻机施工时应严格一次钻进深度。

(5)根据不同地质情况，施工中要加强对泥浆的管理，严格保证泥浆质量，确保泥浆对孔壁的撑护作用。

(6)对于粒径小于100mm的地层可用常规钻削式钻斗取土钻进，钻进时应注意满斗后及时起钻卸土;钻进较软的地层应选用小切削角、小刃角的楔齿钻斗，钻进较硬的地层应选用大切削角的锥齿钻斗;当地层中含有粒径100～200mm的大卵石时，应采用单底刃大开口的取石钻斗钻进或用冲击钻头击碎后再用钻削式钻斗钻进;遇到大于粒径200mm的漂石或孔壁上有较大的探头石时，应采用筒形取石钻斗捞取，或采用环形牙轮钻斗先从孔壁上切割下来再捞取。

(7)遇到硬土层时，为加快钻进速度，可先钻小孔，然后再扩孔。

(8)为防止孔斜和超挖过大，每次下钻都要对准孔位，最好采用原位卸土的方法。

(9)钻至设计标高后，旋挖筒取渣时间要相对延长，但不能加压，要做到既要保证能取尽钻渣，又要避免超钻。

2.2.3 人工挖孔

2.2.3.1 人工挖孔的主要特点

(1)桩身截面大，单桩承载力高，结构传力明确，沉降量小。

(2)施工机具设备简单，占地面积小，操作简便。

(3)施工无振动、无噪声、无泥浆污染，对周围建筑物无影响，在金山铺特大桥金山铺村、曹庄村居民密集区即采用该方法进行桩基施工。

(4)施工质量可全面直观检查，持力层可准确判断，成桩质量可靠。

(5)施工速度快，工程造价低。

(6)适用于无地下水或地下水较少的人工填土、粘土、粉质粘土和含少量砂、砂卵石的粘土层，特别适用于黄土层，可嵌入风化岩层一定深度。

2.2.3.2 工艺流程

场地整平——放线、定桩位——挖第一节桩孔土方——支模浇灌第一节混凝土护壁——在护壁上二次量测标高及桩位十字轴线——设置垂直运输架、安装电动葫芦(或卷扬机)、吊土桶、潜水泵、鼓风机、照明设施等——探孔——第二节桩身挖土——清理桩孔四壁、校核桩孔垂直度和直径——拆上节模板、支第二节模板、浇灌第二节混凝土护壁——重复第二节挖土、支模、浇灌混凝土护壁工序，循环作业直至设计深度——检查持力层后进行扩底——对桩孔直径、深度、扩底尺寸、持力层进行全面检查验收——清理虚土、排除孔底积水。

2.2.3.3 桩孔开挖及护壁

挖孔由人工自上而下逐层用镐、锹进行，先挖中间，后挖周边，允许尺寸误差30mm。遇坚硬土层，用锤、钎破碎;遇孤石或岩层时，先钻孔用小药量爆破予以松动，然后用钢钎、风镐进行撬挖和清理。开挖断面为设计桩径加2倍的护壁厚度。每节的高度根据地质条件而定，一般为0.9～1.2 m。每挖完一节，由孔口吊线检查并修边，使孔壁上下顺直一致。

井口锁口对挖孔桩施工十分重要，可以提供井口操作平台并保护井内开挖施工。护壁厚度根据桩径、地质、地下水等因素决定。混凝土护壁形式采用内齿式，目的是为了便于浇灌井圈混凝土。支护厚度一般为20～30cm(图1)。

图1 混凝土护壁形式图

2.2.3.4 人工挖桩的安全防护

(1)开挖过程中，严格按照要求进行护壁，不能因地层较硬而不进行护壁支护。

(2)出渣过程中上下操作人员一定要密切配合，提升设备确保完好，孔口附近不能堆放渣土，防止向孔内坠物。

(3)随时向孔内通风，特别是爆破后，一定要将孔内的爆破异味全部清除后方可进行施工。

(4)作好防止停电、停风等措施，特别是井下人员的安全撤离工作。

2.3 桩基施工其他的主要工序

2.3.1 清孔

(1)冲击钻机成孔方式的清孔可采用抽桶出渣、循环泥浆、气举法等方法进行出渣清孔，保证孔底沉渣厚度及泥浆比重满足水下混凝土浇筑要求。

(2)旋挖钻机成孔方式的清孔主要是注意孔底钻渣的清除。在施工过程中，配备了专门的捞渣钻头，通过打捞后，仍有少量不能清除的钻渣，遂又改用专用钻头将其钻磨成粉末，通过调节泥浆使其悬浮。

(3)人工挖孔就是将开挖或爆破松动的渣土全部清理干净即可，其中对于有水的，必须先行抽干后将渣土彻底清理。

2.3.2 钢筋笼的制作与安装

钢筋笼可按设计长度和设备吊装能力采用整根或分段制造。当采用分段吊装时，应先在加工厂进行试拼对接合格，再分开吊装，以保证对接钢筋的连接质量。

主筋搭接焊时，同一断面内的钢筋接头不得超过主筋总数的50%，两个接头的间距不小于500mm。主筋的焊接长度、双面焊为不小于5d(主筋直径)，单面焊为不小于10d。

声测管一般在钢筋笼加工场预先安装在已成型的钢筋笼上，声测管应下端封闭，上端加盖，管内无异物;声测管采用绑扎方式与钢筋笼连接牢固(不得焊接);声测管连接一般采用外加套筒焊接的方式或采取丝扣连接的方式进行，预防连接处断裂或出现堵管现象;连接处应光滑过渡，不漏水;管口应高出桩顶300mm以上，且各声测管管口高度应一致。

吊放钢筋笼入孔时应对准钻孔，保持垂直，慢放入孔。入孔后不宜左右旋转，徐徐下放并严防孔口坍塌。若遇阻碍应停止下放，查明原因进行处理。严禁猛提猛落和强制下放，吊装到位后通过孔口进行固定，防止其下沉或上浮。

作好钢筋笼制作台帐，确保钢筋原材料的可追溯性。

2.3.3 水下混凝土浇筑

(1)检查导管的水密性并确保导管安装到位;

(2)建立好混凝土原材料台帐，保证原材料的质量满足要求，并具有可追溯性，主要对混凝土的坍落度、含气量、泌水率、水胶比和拌合物等进行测试鉴定。灌注混凝土前及过程中，应按规定时间检测高性能混凝土的坍落度、扩展度、含气量和入模温度并做好记录。待检测指标符合后，方可灌注混凝土。

(3)首批封底混凝土计算。

导管口到孔底的距离为0.3～0.5m，首批混凝土数量V按下式计算:

式中 D为钻孔桩直径;d为导管直径;HC为首批需要混凝土面至孔底高度=导管埋深(1m)+导管底部至孔底高度;H1为混凝土面到水面高度。

混凝土灌注前精确计算首盘混凝土方量，制作合适容积的漏斗(大小根据首批封底混凝土方量计算)，确保封底顺利。在确认封底成功后，进行正常灌注。灌注过程严格依照规范进行，随时进行混凝土质量、导管埋置深度等各项检测，以保证整个灌注过程的顺利。

(4)水下混凝土浇筑。

水下混凝土应连续浇筑，中途不宜停顿，并应尽量缩短拆除导管的间断时间，保证每根桩在配合比设定的初凝时间内浇筑完成。

在浇筑混凝土过程中，应采用在水中泡透且经合格钢尺校正后的测绳测量孔内混凝土顶面位置，保持导管埋深在2～6m范围。当混凝土浇筑面接近设计高程时，应缓慢提升导管，并用取样盒等容器直接取样确定混凝土的顶面位置，保证混凝土顶面浇筑到桩顶设计高程以上1m。在浇筑水下混凝土过程中，应如实填写混凝土浇筑记录，同时防止钢筋笼上浮。

另外，对于人工挖孔桩，若孔内无地下水，可采用串筒入仓、振捣密实的方式进行浇筑。

(5)桩基质量检测。

通过现场监理工程师对原材料、过程控制等验收合格并出具相应的完整资料后，当桩身混凝土强度达到检测要求时，第三方检测单位对桩身的整体性、均质性等通过超声波或低应变的手段进行检测。