高速公路桥梁桩基施工中人工挖孔水磨钻技术的应用

刘妍

（江西省港口集团有限公司，江西南昌330000）

0 引言

人工挖孔水磨钻为人工挖孔施工技术，其在施工工艺方面与传统人工挖孔技术存在很大不同。传统人工挖孔以爆破成渣的方式为主，所需炸药量较大，且爆破施工对周围岩体、既有建筑存在一定扰动。而水磨钻技术主要通过钻机钻孔取芯、破裂分块及渣土清理的方式循环成孔，能为后续施工环节提供便利条件，施工过程相对安全，并能保证受地形条件限制的山区公路桥梁的桩基施工质量。

1 工程概况

某山区高速公路桥梁为分幅桥形式，左右幅长度分别为425.1m 和392.4m。左幅桥梁上部为8～30m的先简后支连续预应力混凝土T 梁及4～100m 预应力混凝土箱梁T 构，桥高最大处达76.5m；右幅桥梁上部为7～30m 的先简后支连续预应力混凝土T 梁及4～100m 预应力混凝土箱梁T 构，桥高最大达77.2m。桥梁下部为矩形双肢实心墩及嵌岩桩基础。主桥左幅6#主墩群桩基础为9 根桩长33m、孔径为Φ2.0m桩，按5m 桩间距设置，具体布置情况见图1。主桥右幅5#墩群桩基础则采用桩长30m、孔径Φ2.0m 桩，按照5m 桩间距设置。桩基础均按照嵌岩桩设计，桩基开挖土石方量共计1850m3，桩基基底岩石单轴抗压强度均在30MPa 以上。

图1 主桥左幅6#主墩群桩基础布置情况（单位：cm）

2 施工方案

就该桥梁工程所选用的桩基成孔方式而言，首先必须符合国家安全作业规程，保证施工质量和施工安全。考虑到桥梁主墩桩基所处地形、地质条件复杂，机械钻孔施工存在一定难度，结合类似工程施工经验，采用了水磨钻成孔施工工艺，混凝土护臂，并通过卷扬机出渣，借助汽车吊吊装钢筋笼。在钻孔内无积水或少量渗水的情况下，借助串筒干灌混凝土成桩；而在钻孔内大量渗水的情况下，则通过导管水下灌注混凝土成桩。群桩基础按照梅花形设置，跳孔方式开挖，考虑到施工工期要求较为严格，故分两班同时作业，保证成孔后及时下放钢筋笼以及混凝土灌注施工。该桥梁工程人工挖孔水磨钻成孔施工详见图2。

图2 水磨钻成孔施工示意图（单位：cm）

3 施工技术要点

3.1 测量放样

通过挖掘机将桩位处的场地整理平整，场地面积必须满足施工需要，并确保排水坡度符合设计要求，施工便道保持畅通。按照设计图及“测量双检制”原则进行桩位中心放样，将测放误差控制在设计允许的范围内；孔位开挖前，必须从桩中心开始分别向桩周引出护桩，并在护桩周围增设保护混凝土。

3.2 锁口施工

根据确定好的桩中心位置，在周围放出中心十字线，按照设计桩径+60cm 的尺寸确定锁口，采用C20混凝土将锁口处浇筑成矩形，且浇筑高度应高出地面30cm；锁口四周场地再次平整后，使用7.5 号水泥砂浆以1cm 的厚度进行抹面处理。锁口施工完成后，引高程至井台之上，用于桩底高程控制，详见图3。

图3 挖孔桩轴线及标高

根据地质情况勘查结果，该桥梁桩基区域基岩裂隙及溶隙含水量较大，且地下水位埋置深，河谷侵蚀面对地下水位的控制和影响程度较大，必须重视孔内抽水，逐孔放置1 台大功率抽水泵，便于及时抽出渗水。

3.3 支架安装及护壁施工

将钢管防雨支架搭设在各井台上，并安装卷扬机和滑轮提升系统。将桩孔开挖出的土石方及弃渣等材料装入吊桶后通过电动卷扬机吊出钻孔，统一堆放至临时弃渣场。将彩条布防水棚搭设在支架顶端，以避免雨水直接流入孔内。护壁施工应紧跟钻孔开挖进行，护壁材料主要选用C30 现浇混凝土，并结合工程地质及设计要求确定护壁混凝土厚度[1]，护壁材料按照0.05m 以上的长度以内八字形式搭接，以八块模板连接而成的定型钢模板为护壁模板。将Φ8@150钢筋网片增设于护壁模板内部，预留出至少80mm 的设计长度以连接下段护壁模板。

3.4 桩孔开挖

桩孔分节段开挖和支护。就开挖方式而言，土层由人工手持尖镐和铁锹开挖；中-强的风化层硬岩则由人工通过风镐、水磨钻开挖。首节桩孔的开挖深度应控制在1.0m 以内，并按要求进行护壁钢筋绑扎、首节护壁模板安装，以桩心点为依据校正模板位置后牢固支护。厚度、位置及质量均满足设计要求后浇筑混凝土，并振捣护壁，首节护壁轴线的偏差不得超出20mm。继续向下施工时按节段循环施工，节段施工深度控制在0.5～0.6m。

开挖桩孔深度60cm、孔径16cm，钻孔施工时钻机必须沿着孔壁内边线施作，钻机取出岩芯后，在岩壁与岩石之间便形成了临空面，此时改用直径3cm 钻机向下钻入至30cm 后，借助撬棍将岩芯取出。岩芯斜面钻孔孔数应在设计要求的基础上根据地质条件适当调整，详见图4；在钻孔中如遇裂隙渗水及积水严重的情况，必须借助水泵抽出积水；达到5m 钻深后还应采取空压机高压通风的方式，从孔底向孔内吹风，以确保人员安全。

图4 水磨钻布孔情况

3.5 终孔检查

钻孔开挖至设计高程，必须安排检验人员进行桩径、高程、垂直度等项目的自查，并待开挖岩层完全达到设计岩层后清理沉渣、抽干积水，并通知监理工程师报验。报验合格后，吊装由Φ 钢筋制成的8m 高、外径2.2m 的检孔器，吊装时必须保证检孔器中心对准钻孔中心，并在监理工程师的监督下下放。

3.6 钢筋笼制安

3.6.1 钢筋存放

考虑到该桥梁桩基施工所需钢筋种类、数量较多，必须按照钢种、等级、规格型号、厂家等分批验收，并做出明确标识后，在棚内用垫木加高至距离地面50cm 后分别存放。在取用前必须彻底清除钢筋表面的锈皮、油污，并应将盘状存储及弯曲的钢筋调直，确保每根钢筋材料均平滑顺直。

3.6.2 套筒连接及加强圈焊接

按照钢筋笼设计长度进行钢筋下料，将同一截面接头数控制在主筋总数的50%以内，并根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650—2020）的要求控制相邻接头间距。接头与钢筋受力弯曲点的距离应至少为钢筋直径的10 倍；根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）所规定的最小厚度，确定钢筋连接套混凝土保护层厚度，钢筋连接套之间横向间距至少为25mm。钢筋丝头加工过程中，切削液选用水溶性溶液，并在环境温度较低的情况下，按15%～20%的比例掺加亚硝酸钠。钢筋丝头加工长度应为套筒长度的一半，拧紧后应保证外露直螺纹接头丝扣数在两个螺距以内。顶紧连接好的钢筋端，并使顶紧后的钢筋端头处于连接套的中间位置，偏差控制在1 个螺距内[2]。

调直钢筋后，向切割机设备下料，并保证钢筋端面和轴线处于垂直状态，避免端头出现挠曲或马蹄形现象。将镦粗机归至初始位置后，从前端插入钢筋，顶紧后再施加油压。每批钢筋材料在进场前都必须通过镦粗检验，根据实际镦粗程度确定缩短量。对于不合格的镦粗头，必须将其镦粗段和钢筋夹持段全部切除后重镦。此后，通过钢筋螺纹套丝机进行钢筋套丝处理，套丝结束后应按照设计方法进行钢筋连接。对于加锁母型钢筋丝头，应按照套筒次序将锁母依次拧入丝头侧，再靠近标准丝头后将套筒拧至标准丝头侧，拧紧锁定锁母和套筒后完成钢筋连接。完成套筒连接后，套筒端不得存在完整外露丝扣，对于外露的加长型丝扣应进行标记，并检查套筒丝头长度。

以双面搭接焊的方式焊接钢筋笼加强圈，并通过502 焊条点焊方式焊接加强圈和主筋。保证焊缝平顺饱满，且不得出现烧筋、气泡、咬筋等现象。

3.6.3 安装检测管

桥梁桩基安装4 根桩径在Φ1.5m 以上的检测管及3 根桩径在Φ1.5m 以内的检测管，检测管节段长度均为8m，节段之间通过套管连接。在进行检测管安装时，必须先将其绑扎在加劲钢筋结构上，底部采用钢板密封焊接并注水。

3.6.4 钢筋骨架吊装

借助平板车将钢筋材料运输至施工现场，为避免运输途中因颠簸、挤压等原因造成钢筋变形，应将钢筋骨架置于同一水平线上。将运送到场的钢筋骨架放置在与钻孔现场相距50m 的位置，为避免钢筋受潮生锈或沾染泥土，还应在钢筋与地面之间每间隔5m加垫20cm×20cm 的方木。通过25t 吊车将钢筋笼吊放入孔，安装过程中应分别在钢筋骨架下部和中上部设置2 个吊点，下部吊点通过副吊起吊，上部吊点则通过主吊起吊，具体操作时应升主吊降副吊，以确保钢筋笼起吊期间不与地面直接接触。钢筋笼吊放入孔时必须与孔径对准，保持垂直状态后缓慢、匀速下放。前两节钢筋笼应通过套筒连接，此后的钢筋笼吊装至与护筒齐平后，其偏位则通过护桩校核。根据所测定出的护筒顶高程计算定位筋长，并进行钢筋笼骨架定位，为避免混凝土灌注过程中钢筋笼发生浮笼，必须通过螺纹钢筋将桩基钢筋笼固定于穿杠结构上，并反复校核钢筋笼中心和桩中心的对准状态。

3.7 混凝土灌注

3.7.1 桩基混凝土灌注

针对孔内无渗水或存在少量渗水和积水的情况，应通过水泵将积水抽干后，进行混凝土干灌浇筑。将料斗通过支架固定在孔口处，安排专人进孔后将节段长度为1.25m 的钢串筒逐节悬挂于料斗底口，根据孔深确定悬挂节数，将最后一节钢串筒和孔底之间的距离控制在2.0m 以上。通过运输车将混凝土输送至孔口后向料斗内供料，并通过孔内外人员的配合实施混凝土灌注，混凝土液面每升高30cm，均应暂时停止供料，并将振捣器插入混凝土中充分振捣、密实。而后，按照混凝土液面升高的次序逐节将钢串筒拆除，待混凝土实际浇筑高度达到设计高程后再超灌10cm，此后将料斗全部拆除。

在以上桩基混凝土干灌浇筑过程中，振捣器采用垂直式插入，插入点间距应控制在40～50cm 之间，并应快插慢拔。桩孔内混凝土必须一次性连续浇筑、振捣，不得中断；混凝土浇筑高度应根据设计要求严格控制，对于桩顶浮浆过多的情况，必须将其淘掉后改用坍落度较小且不宜出现浮浆的混凝土灌注。桩身混凝土灌注期间，应按3 件/桩的比例留置混凝土试块，并按要求出具试验报告。灌注混凝土高程应为桩顶设计高程+10cm，并待桩基混凝土满足设计强度后，通过风镐将超出部分凿除。

3.7.2 水下混凝土灌注

检查导管内壁的光滑性，并依次编号，最后一节导管下口不设置法兰。为避免拔管时带动混凝土，桥梁桩基水下混凝土灌注导管最后一节长度为3m，其余管段长度均为2m。导管在孔底悬空30～40cm，可使用0.5m 和1.0m 的管节进行导管长度调整。导管接口处的法兰面应保持平整，并将厚度为3～5mm 的橡胶密封圈垫放于两个法兰盘间，并在密封圈正反面均匀涂抹一层黄油，增强密封效果。将导管放置于孔中心后，应在其上口安装储料斗，操作支架搭设于储料斗旁，工作平台设置在支架上。

根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650—2020），桥涵桩基浇筑所用的首盘混凝土方量，必须同时符合导管首次埋设和导管填充等方面的要求，若导管下口与孔底之间相距40cm，则首盘混凝土方量根据下式[3]确定：

式（1）中：V为水下混凝土灌注首盘混凝土方量（m3）；D为桩孔直径（m），取2.0m；H1为导管底部与孔底之间的距离（m），取0.4m；H2为导管设计埋深（m），取1.0m；d 为导管直径（m），取0.3m；h1为混凝土灌注至导管设计埋深时，导管内混凝土柱平衡导管压力所对应的高度（m）。经过计算，该桥梁桩基水下混凝土灌注首盘灌注量应为5.35m3。

混凝土灌注前，必须再次检查孔底沉渣厚度，并保持孔壁稳定，待运输至施工现场的混凝土均匀性和坍落度均检验合格后，将储料斗装满混凝土并实施灌注。首盘混凝土灌注完成后，导管埋深应至少在1.0m 以上，灌注顺利后将储料斗拆除，并将漏斗接在导管上口，以便混凝土运输车直接从导管口处灌注。灌注期间通过2～3mm 细钢线测线、5kg 左右的铁质平底锥形测锤实时检测孔内混凝土面高程。待灌注高度达到钢筋笼底部后，减缓灌注速度，而后提升导管。待灌注高度接近桩顶时，应抬高灌注点、增大压差，以避免因混凝土冲击力减小而发生堵管。混凝土实际灌注高度应超出桩顶设计高度1.0m 左右，并加强人工振捣。

4 结语

该桥梁桩基应用人工挖孔水磨钻技术的结果表明，该技术成孔规则不存在明显的超欠挖，扩孔系数易于控制，能有效防止超灌、减小超灌所引起的材料和工期方面的损失；与其他开挖成孔施工技术相比，人工挖孔水磨钻技术无须爆破施工，既能解决炸药缺乏问题，又具有安全性和环保性；水磨钻施工过程中，最主要的噪声来源为岩体钻取阶段设备和岩体之间的磨切，但这种磨切产生的噪声小，不会对周围居民生产生活造成扰动。人工挖孔水磨钻施工技术对于受地形限制的山区高速公路桥梁工程具有很强的适用性。