桥梁桩基水磨钻工艺研究

2020-09-28梁磊磊徐财进李忠宁宋建刚

工程技术研究 2020年12期

王培，梁磊磊，徐财进，李忠宁，宋建刚

（中交二公局第二工程有限公司，陕西西安 710119）

1 工程概况

锦江特大桥北引桥跨渝怀铁路桥跨设计为40m预制T梁，左、右幅分离式设计。下部结构采用薄壁空心墩，7#墩墩高68m，采用分离式承台，每个承台下设4根直径1.8m的嵌岩桩，桩长18m；8#墩设计墩高66.5m，采用整体式承台，承台下设8根长28m、直径1.8m的嵌岩桩。

7#墩桩基与既有线中线最小距离为11m，最大距离为23.6m，桩基持力层为中风化粉砂岩，上覆中风化泥质粉砂岩（厚约8m）和块石土（厚约1m）；8#墩桩基与既有线中线最小距离为15m，最大距离为23.6m，桩基持力层为中风化粉砂岩，上覆土层为人工填土（厚约2m）和强风化粉砂岩（厚约8m）。

铜怀高速锦江特大桥北引桥第8跨上跨渝怀铁路既有线路基段（K548+480处），该铁路为Ⅰ级单线铁路，接触网顶距路线设计线约70m，桥轴线与被交铁路交角为65°。因临近营运铁路，桩基施工工艺受限。

2 成孔方案比选

2.1 桩基施工要求

锦江特大桥北引桥桩基与既有线中线最小距离为11m，且紧邻铁路路基，桩基所选用的施工工艺不能影响铁路通行安全，且不能对铁路边坡造成威胁[1]。施工方案需满足以下要求：（1）所选施工工艺应为低振动工艺；（2）所采用的施工方案应减少使用水，避免浸泡开挖后的铁路边坡；（3）所采用的施工方案要避免塌孔，以免造成桩基周围边坡下陷。

2.2 施工方案比选

根据施工要求，适合锦江大桥跨铁路桥跨的施工方法主要有冲击钻成孔、人工挖孔（水磨钻）和液压静态爆破成孔。

（1）冲击钻成孔。冲击钻成孔是采用优质泥浆作为护壁，并利用卷扬机提升冲锤，反复冲击岩石使其破碎，碎石渣随泥浆循环排出孔内。可通过测绳判断孔深，根据泥浆循环带出的石渣判断入岩情况。优点：①冲击钻成孔适用范围广；②使用设备简单，操作方便；③施工动力简单，能耗小。缺点：①锦江特大桥桥位处属于贵州喀斯特地貌，地下可能存在岩溶等不利情况，且岩层内裂隙水较丰富，如采用冲击钻成孔，可能出现泥浆护壁水头损失或泥浆稠度变化等突发情况，存在较大的塌孔风险；②钻孔采用的泥浆、钻孔产生的钻渣处理会产生额外的费用。

（2）水磨钻人工挖孔。水磨钻人工挖孔主要是利用岩石抗拉强度低的特点，施工时通过用水磨钻机沿桩径边缘一圈取芯，使桩芯岩石周围形成临空面，然后将剩余的桩基岩芯分成小块从孔内运出。依次按照分层取芯、破裂桩芯岩石、运出岩块的顺序循环作业，最终完成桩基成孔作业[2]。优点：①施工设备简单，振动小、噪音低；②施工现场干净，有利于施工现场文明、环保；③对施工现场周围的原有结构物影响小；④施工速度快，可多桩孔同时施工；⑤土层情况明确，可直接观察地质变化情况；⑥场地要求低，适应各种地形。缺点：①遇有害气体会发生人身伤亡事件；②如孔口防护不到位，孔外物体落入孔内，可能会造成人员伤亡事件；③需要预防缺氧问题；④通常情况下，人工挖孔只适用于地下水位以上的地层，且地下无有毒有害气体。

（3）静态爆破成孔。静态爆破同样是利用岩石抗拉强度低的特点，通过破碎剂（膨胀剂）产生化学反应或分裂机械使爆破面岩石破碎，达到爆破效果。由于岩石的抗拉强度为2～10MPa，远小于岩石的抗压强度，因此由破碎剂（膨胀剂）膨胀或分裂机械所提供的水平力只要超过岩石抗拉强度，就可以使炮孔周围产生龟裂，从而使其破碎。破碎剂静态爆破法是利用破碎剂与水混合后产生化学反应，使破碎剂体积膨胀，从而产生膨胀力使岩石破碎。使用破碎剂的方法与普通炸药光面爆破的方法相似，其施工顺序也是用钻机在爆破面钻孔，然后在孔内充填破碎剂。钻孔的直径、间距、排列以及深度均根据破碎现场的情况或破碎后的处理内容等分别进行调整。破碎剂随拌随用，水与破碎剂的重量比为28%～35%，将粉状破碎剂和水混合，充分搅拌，液体混合均匀后进行装填。装填的同时应继续搅拌浆体，延迟其开始反应时间、固化时间，确保施工人员安全。机械静态爆破法则是采用液压机械臂，利用高压油泵为能量源，由液压泵输出的高压油通过增压器机械放大后驱动分裂棒向外伸出胀裂岩石。优点：无振动、无冲击、无噪音、无粉尘。缺点：①破碎剂材料生产工艺相对复杂、材料成本较高；②现场施工技术复杂、影响因素多；③反应时间较长，施工效率低；④分裂机械岩石破碎效果不太理想，尤其在没有临空面的情况下，岩石开裂效果不明显，出渣难度较大。

经对比分析，水磨钻施工具有对施工场地要求小、对周边影响小等特点，最适合锦江特大桥跨铁路跨桩基施工。

2.3 水磨钻施工分析

（1）水磨钻施工人员、设备投入如表1所示。

（2）水磨钻施工工效。DLP160型钻机每循环取芯长度为50～60cm，钻孔直径为16cm。取芯数量根据桩径进行确定，锦江特大桥北引桥桩基直径为180cm，共布置32个取芯孔。每根桩基采用2个水磨钻机，2个钻机互为备用，每施工两个循环更换一次备用钻机，交替使用。

3 水磨钻挖孔

3.1 施工流程

因锦江大桥7#、8#墩基桩上覆盖有人工填土，如填土层采用混凝土护壁，存在坍塌风险。因此，桩基上部的覆盖层采用人工挖孔，用钢护筒作为护壁，护筒长度以伸入覆盖层以下1m进行设计；施工进入中风化岩层后，改用水磨钻钻进施工，护壁采用混凝土护壁，护壁可根据现场情况进行设置，如岩层情况较好，可不设置护壁[3]。

具体施工流程：施工准备→桩位放样→浇筑锁口→人工挖孔→护筒跟进至中风化岩层→布置取芯点→水钻钻取柱状岩芯→分裂中部岩石、出渣→桩孔尺寸检查，若不合格，需孔位修正至合格→安装护壁模板→浇筑混凝土护壁→孔桩检测→安装钢筋笼、浇筑混凝土。

3.2 施工工艺

（1）上层覆盖层开挖。桩基上部覆盖层开挖应从上到下逐层进行，先挖中间部分的土方，然后扩及周边，有效地控制开挖桩孔的截面尺寸。每节开挖高度应根据地质状况确定，一般为1.0m。每开挖一节，护筒及时跟进一节。每一节段桩孔土方开挖完成后，检查其孔位及孔径符合要求后方可进行护筒跟进，以保证整个桩基的孔径及垂直度。

（2）钢护筒跟进。首节护筒下放时，在护筒顶端焊接定位钢板，护筒通过定位钢板固定在锁口上。然后继续开挖桩基，开挖完成第二节后接长护筒。接长护筒时，采用吊车起吊接长节，然后与首节护筒焊接，拆除定位钢板，通过吊车将护筒缓慢下沉至孔底；在接长护筒上焊接定位钢板，并将定位钢板与锁口预埋钢板连接，然后继续开挖，如此循环，直至护筒埋设完成。护壁接长示意图如图1所示。

图1 护壁接长示意图

（3）水磨钻施工。开挖至中风化粉砂岩后，改用水磨钻继续挖孔。①水磨钻开孔沿桩孔四周进行，每循环钻孔深度50～60cm。钻孔时钻头向桩基外侧倾斜3°左右，以保证成孔桩径满足设计要求。取芯过程中，适时对钻机加水，避免钻机温度过高。②桩孔周围形成临空面后，便可破碎桩芯岩石，首先用电钻在桩基剩余桩芯岩体上钻眼，以便破裂桩芯岩体。③在桩芯岩体上的孔内打入钢楔，用大锤锤击钢楔将岩体拉裂；也可采用液压设备进行桩芯岩石的分裂。④为了不影响铁路四周环境，应及时组织出渣。出渣采用孔口支架和卷扬机组成的提升系统将孔内石渣运至孔外，地面用手推车推出孔边至施工现场设置的临时土方堆放场地，装载机配合人工装车，运至弃土区。挖孔土方及时装车运走，避免较长时间堆放孔边，影响孔壁稳定，产生塌孔等事故。⑤桩芯岩石全部运出孔外后，敲掉侵占桩基空间的岩石，检查桩孔偏位、桩径及垂直度等参数，如桩孔出现偏位应及时纠正，同时放样出下一个循环取芯位置。

（4）孔壁防护。开挖至中风化粉砂岩以下1m后，岩层相对稳定，即可停止钢护筒跟进，采用混凝土护壁，钢护筒与混凝土护壁搭接长度为10cm。护壁采用内齿式混凝土护壁，每开挖1.0m深时立模浇筑护壁混凝土，护壁采用C30混凝土。为加速混凝土凝结，缩短施工工期，在混凝土中掺入速凝剂，并在护壁中插入Φ12的钢筋网来加固，以加强砼壁受力性能，防止开裂。