拱桥斜桩施工技术探讨

张国健

摘要：在大跨径拱桥施工建设项目中，斜柱基础以其受力明确、占地面积小等特点得到了广泛应用。文章结合柳州经合山至南宁高速公路项目合山红水河特大桥工程实例，分析了斜桩开挖施工中存在的主要问题，从拱箱移动施工、安全监测预警、钢筋笼下放、桩口模板等方面提出了优化创新技术，并探讨了斜桩成孔施工、终孔检查、钢筋绑扎、混凝土浇筑等环节的技术要点，对同类拱桥斜桩的施工具有重要参考意义。

关键词：拱桥;基础;斜桩;拱箱移动施工;钢筋笼下放;监测预警

0 引言

我国近年来在公路建设事业发展方面取得了骄人的成绩，公路网络建设效率与质量得到了进一步提升。在地形、地势、地貌复杂多变的众多道路设计建设中，桥梁结构的应用已经成为一项成熟的技术，且技术的发展始终保持强劲势头。不同形式的拱桥应运而生，成为满足地形特殊要求且具有景观欣赏价值的典型桥梁结构，不断刷新着设计者的设计水平，也在持续验证着施工技术与方法。在拱桥施工过程中，斜桩基础施工是一项技术要求高、施工难度大的环节，通常在受力相等时，直竖桩与斜桩相比，后者具有更理想的轴向承载性能，无论是群桩还是单桩，斜桩的承载能力都更为理想，因此斜桩的施工应用更加广泛。为获得更理想的轴向承压能力，有效减弱横向剪力与弯矩，有必要对斜桩施工技术展开进一步的探讨与分析。

1 工程概况

柳州经合山至南宁高速公路合山红水河特大桥，跨径组合为（3×20+228+3×20）m，桥梁全长358.42 m。主跨采用中承式钢管混凝土拱桥，净跨径为210 m，矢跨比为1∶4.0，拱轴系数m=1.45，主桥长228 m，拱肋横向中心间距为17.8 m，拱肋采用变截面桁式结构，拱顶截面高3.8 m，拱脚截面高6 m。吊杆顺桥向的标准间距为8.0 m，桥面为格构式钢-混组合结构，溯社岸主墩为斜桩（隧洞）+桩基础的形式。两岸引桥均为3×20 m的箱梁。该桥于合山市岭南镇里兰社区西北方向约850 m处跨越红水河，距离上游乐滩水电站42.5 km，距离下游桥巩水电站32 km，距离上游合山电厂2.3 km，在合山岸上跨广西合山市上塘矿区矿山地质环境治理工程——江滨路延长线道路。

该桥拱座为分离式拱座，分为左、右2个，全桥共4个，横向净间距为8.8 m，形状为菱形体，拱座长12.23 m，宽9 m，高13.23 m，[KG（0.1mm]底部标高为92.456 m，位于第四系冲洪积层，含砂黏土层。合山岸拱座基础为桩基础，一个竖直桩（全桥共2个），一个斜桩（隧洞）（全桥共2个），溯社岸为扩大基础。竖直桩直径为3.5 m，桩长为10 m，采用人工挖孔桩。隧洞基础高6 m，宽6 m，隧洞的上半部分为半圆形，下半部分为矩形和弧形的组合形状。斜桩（隧洞）左侧长30 m，右侧长28 m，斜桩开挖角度为与水平面成46.185°，要求嵌入完整基岩≥7 m，采用人工挖孔。全桥拱座基础采用C30混凝土，拱座采用C40内养生混凝土，待主拱圈施工完成后，浇筑C50内养生混凝土封拱脚。合山红水河特大桥BIM模型见图1。

2 拱桥斜桩开挖传统施工存在的主要问题

在一些拱桥施工中，拱桥斜桩开挖施工还有沿用传统施工手段的情况，而传统的斜桩开挖施工受技术工艺以及设施设备的限制，存在一些待解决的问题：

（1）开挖深度超30 m后，施工人员随着作业深度加大和作业半径缩减而难以实施挖掘，开挖渣土的运输多由小车装载后由卷扬机带出，使得出渣速度慢、效率低，整个开挖进度不快。

（2）斜桩基础所用钢筋笼在提前制作完成后，经过斜桩洞口机械吊装入内，由人工依据临时固定措施完成相应的操作，存在较为明显的安全风险隐患。

（3）斜桩孔在确定孔径工作中主要采用全站仪实施测量定位，不能建立动态化的孔壁尺寸监控检测及校正体系，因此会造成斜桩倾斜度、开挖断面尺寸等指标参数的偏差与错误。

（4）斜桩浇筑混凝土工作的施工质量常常不达标：一方面因斜桩的斜面桩口内部安装混凝土模板时多用块状拼接，并用竹胶板切割，使得拼接后易出现明显错台;另一方面顶层混凝土体浇筑的松散程度明显，不能有效确保浇筑质量。

3 拱桥斜桩施工技术方法的优化创新

3.1 施工安全观测预警技术

在斜桩施工过程中可能存在开挖变形等安全隐患，需要加强施工安全观测预警。在合山红水河特大桥施工过程中，在拱顶安装可移动支架，并开发应用了新型预警观测装置用于观测断面，间距为3 m，主体为支架下所吊观测球。观测球的下降位移超过警戒线，则表示变形超出阈值，需要引起重视并采取措施处理。技术人员同时在拱顶支撑支架处安装可触变圆球装置，若变形达到极限即自动启动预警闪灯，从而发挥安全预警效果[1]。

3.2 半成品钢筋笼下放技术

钢筋笼制作及吊装施工是斜桩施工的关键环节，预制半成品钢筋笼后，在斜桩施工拱顶设计并焊接滑轨可增强钢筋笼下放成功率与稳定性。合山红水河特大桥施工中积极使用了半成品钢筋笼下放技术，下放箍筋时通过卡槽装置实现有效定位。在笼体下方加装双向钢管，管径与保护层厚度配套，沿着钢管下放半成品钢筋笼至桩底后，直接与钢拱架焊接，并按技术措施实施钢筋笼绑扎，待绑扎工序结束后抽离钢管，最终完成钢筋笼安装[2]。通过以上技术操作的调整和优化，可控制人工放笼时的位移偏差，减少劳动力输出，整个下放过程更便捷。安装原理如图2所示。

3.3 斜桩桩口外挂式模板改进技术

在合山红水河特大桥斜桩施工中，为保障桩口混凝土浇筑质量，考虑新增拼装模板在臨近桩口混凝土浇筑期间分上、下两类模板完成安装，固定好外挂模板以及预留钢筋套口后，合理控制桩口混凝土浇筑质量，提升作业速度，优化模板拆卸便利性，保障劳动力合理输出。桩口外挂式模板改进施工的作业结构如图3所示。

4 拱桥斜桩施工的技术要点

4.1 斜桩成孔施工

4.1.1 开挖准备

合山红水河特大桥斜桩基坑开挖按斜桩局部跳跃的方案进行组织，准确测量斜桩孔位后，调整样板，确定桩体倾角。

4.1.2 导管注浆

合山红水河特大桥斜桩施工中，导管注浆作业与斜桩开挖同步进行，工序主要涉及钻孔、布管、封面、注浆等工序。（1）钻孔要用专用风动凿岩钻机，孔眼位置的偏移误差要控制在0～±5 cm以内，孔径控制在7 mm左右，孔深要超过导管长度，管顶呈尖锥状，管尾焊实，管壁隔0.4 m钻梅花孔，导管要在斜桩拱部120°范围内分布，提升支护性能;（2）待注浆的斜桩内面要及时喷注混凝土，厚度>5 cm，确保混凝土浆不会渗漏;（3）应在0.5～1.0 MPa压力范围内以水泥浆液完成注浆，浆液配比需经现场试验后确定，注浆顺序为先无水孔后有水孔，先孔底后拱顶，孔口要及时使用止浆塞抑制浆液的窜流，还可通过多孔间隔注浆来防止跑浆[3]。

4.1.3 工字钢拱架施工

（1）工字钢拱架应在制作样台上分段制作，严格按照设计尺寸要求作冷弯处理，各段制作完成后进行拼焊。拼焊主要是主筋、增强筋、连接角钢等构件参与完成，各构件应以螺栓连接加固，以便可在现场直接施工安装。工厂加工过程必须强调尺寸精确、弧度圆润。拼焊作业要求顺着拱架两侧同时进行，达到对称效果，拱架中心应重合于轴线，同一接头的两段钢件应圆心重合，确保孔位连接精确到位。拱架在加工试拼过程中需查验扭曲状况，孔周轮廓误差≤3 cm。

（2）工字钢拱架制作加工后要在现场完成安装，包括测量定位、装前准备、正式安装等步骤。其中，测量内容包括明确桩中线、高程以及横向位置，一般在直线方向安装钢拱架要注意与桩中线保持垂直。当工字钢拱架运至现场后，要按照不同的分段單元合理堆放，正式安装之前应注意开挖断面检查，对于尺寸不到位的要及时处理，以便拱架可以顺利安装。一般在拱架外侧存在喷射混凝土层，厚度>5 cm，拱架要完全安设在原状岩石上，在拱脚或墙脚等处应先除净异物再放置垫板。安装工字钢拱架时，拱架若与围岩间出现明显空隙则需视间隙大小安设垫块。不同钢拱架之间应使用纵向连接钢筋构筑新体系，若拱架脚高度不够，达不到平衡要求则应灵活加垫钢板调整高度[4]。

4.1.4 混凝土喷射施工

合山红水河特大桥斜桩施工中，水泥使用强度为52.5的硅酸盐水泥。工程用水要求水体内部不存在有害杂质，不会影响混凝土的合理凝结及硬化反应，不会影响混凝土的耐久性能。骨料有粗细之分，粗骨料选坚硬碎石，粒径控制在1.5 cm以下，并要求有理想的级配比，细骨料选中砂或粗砂，质地坚硬且内无杂质，应通过现场试验控制砂率;速凝剂选DS液态产品，掺和量控制在5%左右。

混凝土喷射要使用专用的喷射机，正式喷料前先供水再送风，并除掉喷射管内杂物，通过高压风清除围岩表层浮尘。喷料过程中上料应均匀持续，实时调配喷料比例。混凝土喷射顺序应先启动液体速凝剂泵，送风正常后再开始上料。喷射作业要控制好风压，在0.5～0.75 MPa范围内为宜，不同喷射位置的风压有明显区别，一般拱部风压应在0.4～0.65 MPa范围内，而边墙角附近的风压应在0.3～0.5 MPa范围内。喷射机内的物料经过喷管的喷嘴直接射向岩面，控制喷嘴与岩面的距离以及相对角度十分重要，喷嘴应垂直于岩面，并保持1±0.2 m的距离，若遇钢筋则应偏摆出一定角度进行喷射[5]。喷射过程中要采用先墙脚再墙顶、先拱脚再拱顶的方式，不可出现死角，喷嘴出去的喷料应呈现旋转轨迹，每一次旋转喷射都应覆盖上一次喷射圈的一半左右，纵向喷射效果看应呈蛇形，单次蛇形喷射距离应控制在3 m。

4.1.5 开挖岩石地层

合山红水河特大桥斜桩施工地段大多为岩石地层，对孔桩开挖作业造成一定的阻力。施工人员先以风动凿岩机打眼，并控制实施光面爆破，按照分节开挖的施工技术措施，保持深度为1 m。爆破环节优先考虑使用毫秒电雷管进行引爆，必须将火药装至钻眼内，杜绝出现裸露爆破。若岩石硬度较低，则风钻打出的炮眼要在0.8 m深度以内;若岩石硬度较大，则风钻打眼深度应在0.5 m以内。炮眼之间的距离不应过小，可按35 cm布置炮眼密度，同时还要客观分析判断围岩断面特性与分布方向来确定炮眼数、位置、眼内倾斜度等要求。通常中间区域的炮眼用于松动并挖心，周边的炮眼主要用于边界开挖。无论炮眼的深度如何，都要严格加强对炸药用量的控制，以求达到松动的目的。中间区域的炮眼使用硝铵炸药的量要控制在眼深的一半位置，而四边炮眼使用硝铵炸药的量要控制在眼深的1/4～1/3左右。若炮眼内部出现积水则应使用防水炸药，尽可能降低瞎炮情况出现[6]。

4.1.6 出渣运输

斜桩桩底施工中产生的渣土碎岩，要以有轨方式向外运输。铺设钢轨后使用矿用料斗装卸，钢轨规格应在19 kg/m以上。桩口设施功率满足提升需求的卷扬机设备进行牵引，斜拉矿车出斜井（如图4所示）。

4.1.7 斜桩开挖安全技术措施

（1）开挖前必须明确现场地质条件，掌握地下水情况，制定必要的应急处理方案，配备应急机械等物资。

（2）桩孔施工人员控制为4人，戴好安全帽、雨衣、雨鞋等劳保用品，设置通信联络设施设备，孔口外一定范围内不得随意放置易坠落伤人物件。

（3）认真观察孔壁，若发现裂纹或坍落风险应及时加固支撑[7]。突发险情后，应迅速放出信号并及时撤出工作人员，在保障安全的前提下实施排险操作。

（4）联络装置应确保灵敏可靠。地面人员要不间断性检查提升轨道、矿用料斗车、卷扬机钢丝绳的牢固性。矿车内土石必须倾倒干净，卸货点要远离桩口3 m之外。

（5）为现场施工所用的照明、通风、抽水等设备配置漏电保护器，使用三蕊橡皮线架设电气线路，避免接触岩面。技术人员做好日常的线路、开关、漏电保护器等完成情况的检查。

（6）确保当日开挖量与单日支护进度相当。作业人员出井离场前要覆盖孔口，设置醒目警戒标志防止有人误入跌落。

（7）孔深6～10 m时，每日通风至少1次;孔深超10 m后，每日通风至少2次。若施工人员有明显呼吸不适的现象时，应及时通风。

（8）桩孔内需要火药爆破施工的，要安排专业操作工上岗作业，严格按照相关操作规程完成爆破。爆破时桩口应加盖钢筋网片等防护装置，避免碎石喷射。爆破后，应立即启动高压风管向外排烟，也可使用电动鼓风机加强排放。孔深过大时，爆破后必须测定内部有毒气体成分与浓度。

（9）在隧洞施工过程中，也有可能出现坍塌等事故，因此要预先施工应急逃生通道，以确保隧洞施工过程中人员的人身安全。在隧洞的掌子面开挖、支护施工过程中，不可对应急逃生通道有所损伤，确保逃生通道的完整通畅。逃生通道所用管材为1.2 m钢管，管节长度采用5～6 m，壁厚≥10 mm。为在遇到危险情况时方便攀登，在管道四周用20钢筋焊接挂耳，梅花形交叉布置，纵向间距为0.5 m，三维效果图如图5所示。

4.2 终孔检查

合山红水河特大桥斜桩施工中，桩口使用全站仪检查桩孔轴线，测量距离及高程，检查孔深以及孔底倾角。焊接制作一个单片检孔装置，其尺寸应是桩孔的设计尺寸减去钢筋保护层厚度。孔底钢架锚筋新焊三根通长斜面定位用钢筋，应依据斜桩设计倾角规格下孔底标高加保护层厚度来焊接操作。钢筋要平行设置，轴线处一根，向两侧间隔115 cm位置再布置一根，定位用钢筋上要按照设计要求精确标明加强筋位置，并使用角尺以及检孔器配合对孔径、保护层厚度及相关尺寸进行检查，达到终孔检查的目的[8]。

4.3 钢筋绑扎

钢筋在工厂加工时要严格按照设计图纸的尺寸要求完成不同型号加工，按规格亮牌堆码。在斜桩孔内下放钢筋拱架后完成钢筋绑扎，并做好加强钢筋的置换操作，要将原设计的笼内加强钢筋向外置换。钢筋绑扎有一定的技术要求与工艺顺序：（1）明确加强筋的设计位置后再行安装固定，先放与坡面垂直的加强钢筋再安设孔底钢筋，孔底鋼筋要及时与垂直加强筋绑扎，并完成焊接加固;（2）安设方向为斜桩矩形截面方向的加强筋要注意与箍筋以及垂直加强钢筋之间的绑扎及焊接，必须焊点有效，绑扎到位;（3）加强筋绑扎后所成型的钢筋笼，应具有良好的稳定性，若稳定性达标，则应进一步焊接横向钢筋，从孔底向孔口自下而上依次绑扎，横向钢筋在绑扎过程中要同时增加安全保护筋，直至绑扎完毕;（4）按照设计在钢筋笼内还应安装加强筋，用于保护施工人员安全，具体尺寸要按照现场需求而定，间距应在2 m左右;（5）钢筋笼完成绑扎焊接后要进行必要的质量检验。

4.4 混凝土体浇筑

合山红水河特大桥斜桩施工中，浇筑斜桩混凝土是重要一环。经过技术手段测量，合山红水河特大桥斜桩施工地所在区域的地下水渗入量未超过6 mm/min，因此采用干桩灌注方法进行浇筑。具体方法是：混凝土经罐车运至现场后使用大功率混凝土输送泵向桩孔内输送混凝土，将泵管从孔桩中心由孔口接到桩底，泵送入洞，满槽浇筑。确保混凝土出口面到混凝土浇筑面的高度≤2.0 m，分层浇筑，分层捣实，采用一次成型的方法灌注桩身混凝土。混凝土浇筑时的分层厚度控制在30～50 cm，并应充分振捣，保证混凝土密实。振捣的密实程度以混凝土停止下沉，不再冒出气泡，表面平坦、泛浆为准[9]。对于灌浆浇筑中出现渗水积水的情况，在浇筑前要提前抽干积水，在浇筑过程中要集中一处喷料，使得积水向上拥挤，并在可见深度时及时抽干，同时用振捣器捣实混凝土。浇筑示意图如图6所示。

斜桩混凝土浇筑面上升是水平的，浇到孔口后，桩底浇满了混凝土，桩顶三角部分混凝土浇不满。对此，采用在孔口立模现浇施工方法：比设计桩长加长10 cm在桩周和桩心立模（红木模板）现浇桩孔三角部位混凝土。对于隧洞基础的伸出洞外的钢筋，要在钢筋对应的模板位置先开孔，安装模板后用发泡胶堵塞。拆模后对洞口的桩基混凝土进行养护，桩基混凝土达到设计强度后将桩心、钢筋间隔外多余的混凝土凿除，进行桩基质量检验。在进行隧洞基础施工时保护竖向桩基桩头，待斜向隧洞基础浇筑完成并经过经济检测后再组织凿桩头[10]，如图7所示。

5 结语

根据本文对合山红水河特大桥斜桩施工技术的分析，可得出以下结论及建议：（1）采用半成品钢筋笼下放技术可有效减小人工放笼时的位移偏差，降低人力消耗;（2）在临近桩口处采用拼装模板可以有效提高桩口混凝土浇筑质量，提升作业速度;（3）采用可移动支架进行施工安全监测，可以及时发现超出警戒值的变形，避免安全风险;（4）斜桩成孔施工中，应注意按斜桩局部跳跃的方案进行开挖，要同时完成导管注浆作业，要加强对工字钢拱架施工、混凝土喷射施工、开挖岩石地层、出渣运输等方面的技术控制，确保执行斜桩开挖安全技术措施;（5）终孔检查应注意先固定钢筋再检测相关尺寸;（6）钢筋绑扎应遵守技术要求与工艺顺序;（7）混凝土浇筑过程中，应注意结合地下水渗入量来选择灌注方法。拱桥斜桩施工现状的作业环境多变，影响因素复杂，需要严格按照作业规程和安全技术措施进行作业，确保施工各指标参数始终满足技术要求，提升斜桩灌注质量。

参考文献：

[1]谢东辉，刘成文，刘旭彤.大跨径悬浇施工箱型拱桥大截面斜桩施工技术[J].攀枝花科技与信息，2011（3）：52-57.

[2]王青海.钢管混凝土斜桩施工技术探讨研究[J].广东土木与建筑，2019，26（4）：65-67.

[3]李文兵.京沪高铁跨浍河系杆拱桥施工技术探讨[J].西部交通科技，2010（5）：72-77.

[4]金玲玲，金仁才，宋克备，等.喀斯特地貌下拱桥斜桩综合施工技术研究与应用[J].建筑技术开发，2018，45（6）：62-63.

[5]丁武聚.铁路桥梁大直径PHC管桩斜桩施工技术控制[J].工程建设与设计，2018（20）：177-178.

[6]罗 勋.浅析拱桥斜桩施工[J].房地产导刊（中），2014（7）：27.

[7]李定伦，高建明，何增镇.双曲拱桥加固施工关键技术研究[J].西部交通科技，2014（7）：1-4，18.

[8]丁树辉.箱型拱桥拱座斜桩人工挖孔施工工艺[J].工程技术（引文版），2016（12）：184-185.

[9]宋敬杰.混凝土斜拱桥钻孔桩基础施工工艺[J].交通世界（建养·机械），2013（13）：222-223.

[10]蓝绍仕.山区斜坡桥梁桩基施工策略研究[J].西部交通科技，2017（9）：61-64.