特殊地质施工条件下超大变径固结扩盘桩垂直度测量技术研究

王海龙 肖 得

（中交一公局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215000）

随着国家科技快速发展，桥梁技术水平也在提升，该项目设计桩基位置处于两道水渠之间空间狭小，无设置群桩的空间。因此设计桩型为固结扩盘桩基，可通过变径有效地改善现场不良的地质，从而提高成桩质量。固结扩盘桩基对单桩承载力及其垂直度的要求过高，使用单一的测量方式不能满足其精度要求，须选取合适的测量方法才能有效控制桩基垂直度误差，保证桩基质量。

1 工程概况

该项目由于大桥横跨两道引黄济青引用水渠，桥梁跨径达100m 以上，两道水渠之间空间狭小，无设置群桩的空间，设计桩型为固结扩盘桩。

桩长64m，桩身至上而下18m 为3.5m 直径，以下除扩盘处外全变为2.5m 径；设置5 个固结体内扩盘，桩盘间距10m，盘径4.5m，盘高2.3m，桩盘固结体直径5.5m，高度3.3m，孔壁弧度小，易塌孔，而且该段土层有两层稍密的粉土层，增加了塌孔的风险。

将桩周围施9 根直径1.8m 的高压旋喷桩，桩基上部3.5m径部位采用了水泥土固结体护壁，还能增加桩的摩擦力，效果比钢护筒坚实稳固。复合固结体高压旋喷布置示意图如图1 所示。

图1 固结体护壁示意图（单位：cm）

2 测量流程

2.1 桩基周边已有结构物沉降观测

大桥横跨两道引黄济青引用水渠，桥梁跨径达108m，两道水渠之间空间狭小，桩基设计在距离已有结构物的坡脚，桩基开挖后大坝边上会垂直挖开3m 多，造成大坝边缘土质垮塌、大坝下沉，土质松垮会造成桩基塌孔，垂直度偏差影响桩基质量。在这种恶劣的施工条件下，根据实际情况分析试验，将开挖裸露在外面的边坡进行喷浆。

为保障现场施工安全，对周边大坝进行沉降观测布控，分为2 个部分：沉降观测点埋设，水准测量和数据记录。观测期间如发现沉降异常，则对已有结构物进行不间断监测，直至确认无安全隐患后才可允许桩基进一步施工。

观测点是固定在已有结构物上的测量标志，观测点采用测量钉加固在大坝混凝土顶面作为观测立尺点，便于沉降观测，观测点设置3 个分别布设在大坝边缘，易观测位置，埋设位置能保证施工期间内顺利进行观测，并正确反映沉降。

2.2 桩基施工场地沉降观测

钻机就位前，将桩孔周边地面夯平、压实。原地面如土质虚软会造成钻机就位后下陷，存在施工安全隐患，并造成桩基垂直度偏差影响桩基成品质量。

对此，在钻机施工范围内进行反复碾压，碾压完成后采集钻机就位前原地面标高，再将钻机开到打桩位置进行碾压，然后复测原地面观察是否有沉降变化、是否符合钻机施工规范条件。

2.3 高压旋喷桩

测量方式：平面控制网等级采用E 级测量控制网，高程测量控制网采用四等水准进行观测，确保桩基在施工放样中精确无误。应用全站仪坐标定向法进行测量，由3 个已知点其中一个作为校核点，通过校核点确认此次设站是否复核放样要求，放样示意图如图2 所示。

图2 放样示意图

放好的点位用钢筋埋设，为防止点位被破坏而影响施工进度，用事先做好的空心杆标示牌套在钢筋上，达到施工标准化和有效保护点位的效果。

高压旋喷桩一共有9 根相互连接，每三个桩位点相连成一个等边为3.037m 的等腰三角形。利用等腰三角形的边长关系，9 根桩通过等腰三角形定理，进行点位与点位之间联动复测，从而降低反复测量点的时间和缩短施工期限，将这种测量方法命名为“等边三角联动复测法”。

钻机就位时确保钻头中心及桩位中心在同一铅垂线上，其对中误差小于10mm；钻机就位后，钻杆垂直度检查验收合格才可以钻进。

钻机垂直度控制测量是桩基施工测量中的重点，由于垂直度是直接反映施工质量的最重要因素之一，垂直度偏差过大，容易改变桩基受力，导致安全事故发生，下面介绍如何用全站仪测量钻机的垂直度。

测量方法为采用全站仪平距法，全站仪可直接测量需检测目标与设站位置间的平距角度，其精度误差1s 以上最佳，精度越高越准确。并设置独立控制网控制，控制网加密点为混凝土浇筑式独立测量墩，测量墩设计为圆柱式（直径300mm，高1600mm），顶面放置固定式测量基准点托盘。测量墩设置在视野开阔的地方且正对桩位，这样提高了对钻机各个角度的垂直度控制。一般架设仪器使用三脚架架设，使用测量墩可以直接将仪器架设在测量墩上减少测量耗时，加快施工进度，且牢固不易被破坏。

观测点是在钻机大臂上、下同一竖直轴上各自黏贴测量反光贴片。反光贴是带背胶的材料，具有很好的耐侯性，防水、防晒、防霉，在夜间测量由于防反光材料的特性，反光能向光源投射方向反射光线，能够在夜间测量时快速找到设置的点位进行测量，一般的免棱镜测量相比，具有敏感的识别度、可靠度、精确度。

主要测量步骤有以下3 步：1）钻机进场后根据实际钻机大臂凹凸情况设置测量反光贴片，将钻机调平至垂直状态，先将钻机大臂上端黏贴测量反光贴片并测量其轴、轴坐标记录，采集数据进行下端放样确认下端反光贴位置，使其上下2 个反光贴片在同一坐标轴上。2）根据钻机架设方向确定大臂的纵横方向，以驾驶室正对方向为纵向，垂直纵向方向为横向；分别在纵向和横向钻机正面架设全站仪。3）利用全站仪反光贴片的测距功能，瞄准大臂上部的反光贴中心进行水平、竖直制动测量钻机反光贴到仪器的水平距离以及仪器水平面到上部反光贴的高差，保持水平制动松开竖直制动移动至下部反光贴后测量水平距离以及仪器水平面到上部表面的高差，准确至1mm。

按式（1）计算钻机在测试高度范围内的斜度（倾斜量）：

式中：Δ为钻机在测试高度范围内的斜度（倾斜量）（mm），结果正负号按以下规定计取：横向竖直度向左幅倾和纵向竖直度向路线前进方向倾用“+”表示；反之用“-”表示。为测试高度范围内钻机上部反光贴到基准的水平距离（mm）；为测试高度范围内钻机下部反光贴到基准的水平距离（mm）。

按下式计算钻机在测试高度范围内的竖直度（垂直度）：

式中：为钻机在测试高度范围内的竖直度（垂直度）（%），准确至0.01。结果正负号按上述规定计取；（-）为测试范围内大臂上下反光贴的高度（mm）。

利用全站仪反光贴片的测距功能观测，钻进过程中每隔4h 进行钻机垂直度测量，一旦有偏差及时调整以确保钻杆垂直度。钻机大臂上下2 个反光贴记录测出的平距进行计算。

2.4 固结扩盘桩

根据设计桩位放线埋设护筒，护筒周围填黏土；开钻前纵横调平钻机，安装导向套。钻机就位时确保钻头中心及桩位中心在同一铅垂线上，其对中误差小于10mm；钻机就位后测量护筒顶标高。对钻机的对中、钻杆垂直度检查验收合格才可以钻进。钻孔过程中定期进行垂直度检测、钢筋笼定位、成孔检测。

平面控制网采用E 级GPS 控制网：

式中：为固定误差（mm）；为比例误差系数；d 为相邻点1 距离（km）。相邻点最小距离应为平均距离的1/2～1/3；最大距离应为平均距离的2～3 倍。

主要技术应用见表1。

表1 主要技术应用

复测采用了标称精度为（5mm+0.00005%×D）的7 台大地测量型双星双频GPS 接收机，安置天线采用三角架和对中精度小于1mm 的光学对中器。作业前对GPS 接收机和光学对中器进行了检验校正，经权威鉴定仪器检验全部合格。观测前精心进行时段设计，避开少于4 颗卫星的时间窗口，选择最佳时段，测量的具体观测技术要求如下：采用GPS 静态相对定位模式进行测量，有效时段长度为≥60min；观测时段数≥1.6；卫星高度角15°；有效卫星总数≥4 颗；数据采样间隔5s；PDOP ≤6mm。

高程控制测量精度等级为二、三、四、五等。各等级高程控制采用水准仪测量，四等以下等级可采用测距三角高程测量。本施工高程测量控制网等级应用四等水准测量规范，采用全站仪三角高程测量法，确保桩基在施工放样中精确无误。

如图3 所示，、两点之间高差，与水准仪测量一样，直接将全站仪架置在中间处，在、处分别架设测量棱镜片，通过前后镜进行测量，获取、之间水平距离、竖直角，获取前视数据和、两点之间距离、竖直角。

图3 全站仪三角高程测量示意图

为保证护壁质量，采用现场配置泥浆并用泥浆池储备，储备的泥浆量能够保证单根桩成孔施工的需求量。旋挖作业时，保持泥浆液面高度，以形成足够的泥浆柱压力，并随时向孔内补充泥浆。灌注混凝土时适时做好泥浆回收，以便于再利用，防止环境污染。钢护筒埋设前采用全站仪准确测量放样，保证钢护筒顶面位置偏差不大于2cm，埋设钢护筒斜度不大于1%；埋设钢护筒前，采用与护筒同直径的钻头先预钻至护筒底的标高位置后，使用挖掘机挖斗作为吊臂吊起护筒入孔口，用挖掘机挖斗将钢护筒压入预定位置。护筒的平面位置采用十字护桩精确控制。

根据桩位点设置护筒，护筒的内径不大于桩径直径200mm，护筒顶部高出原地面200mm，使护筒平面位置中心与桩设计中心一致。

桩位中心点经过放样确定后，中心点在埋设护筒时会被破坏，按照要求必须设置4 个保护桩，又叫十字护桩。用十字护桩校核护筒的准确性，保证点位偏差，并保证后续的钻机就位、下方钢筋笼对准的准确性。由于施工现场环境复杂，有时会破坏护桩，影响护桩准确度，导致桩基偏位。

将十字护桩点位用混凝土浇筑，保证护桩不易移动，并采集4 个护桩桩位点坐标，有效控制护桩偏位，如果发现护桩偏移，应该及时重新放样埋设护桩，使其护桩十字线拉设准确无误，为桩基施工提供保障。

固结扩盘桩基和高压旋喷桩垂直度控制难度较大，在旋挖钻杆举升和调平过程中，轴线与水平面的夹角随钻杆位置的变化而变化。对钻杆举升过程中会出现的垂直度偏差进行测量控制。

垂直度观测采用独立控制网控制，控制网加密点为混凝土浇筑式独立测量墩，测量墩设计为圆柱式（直径300mm，高1600mm），顶面放置固定式测量基准点托盘。测量墩设置在视野开阔且正对桩位，这样提高了对钻机各个角度的垂直度。

在钻机大臂上下同一轴线上各自黏贴测量反光贴片，能够在夜间测量时快速找到设置的点位进行测量，比一般的免棱镜观测方便、迅速、准确。

利用全站仪反光贴片的测距功能观测，钻进过程中每隔4h 应进行钻机垂直度测量，一旦有偏差要及时调整，以确保钻杆垂直度。测量钻机大臂上、下2 个反光贴后进行记录并将测出的平距、角度进行计算。

3 成孔检测

采用上述测量方法控制旋挖固结扩盘桩终孔后，委托第三方用伞形成孔质量检测仪对桩孔、盘腔进行扫描检测，检测项目有孔深、孔径、盘位、盘腔直径和盘腔高度、垂直度。检测结果表示孔深、孔径、盘位、盘腔直径和盘腔高度、垂直度全部符合设计及规范要求。

4 结语

以前采用单一的测量方式不能够完全控制桩基垂直度，会导致钻机在作业时不能及时调整自身垂直度，使桩基成孔后处于倾斜状态。经过上述测量方法，该项目在固结扩盘桩施工过程中，采用了各种测量方法对固结扩盘桩进行测量控制，取得测量成果。

垂直度控制采用独立控制网控制，加强对钻机各个角度的垂直度控制，从而更好地控制桩身的垂直度，使其满足设计承载力要求，加快了后续施工进度。最终通过上述测量方式，使变径固结扩盘桩基的垂直度要求满足施工规范，使其单桩承载力满足26000kN，垂直度符合设计及规范要求，提高了后续基础及下部构造的稳定性。