桥梁桩基施工水磨钻成孔技术分析

2022-12-19游征宇吴泽海

运输经理世界 2022年24期

游征宇、吴泽海

（江西省嘉和工程咨询监理有限公司，江西南昌 330000）

0 引言

桥梁桩基工程对质量稳定性要求高，特别是在一些特殊地质条件下，基础施工时很容易出现桩基下沉、坍塌等问题，因此在桥梁桩基施工时应当重视成孔技术的选择。水磨钻成孔技术是当前桥梁桩基成孔的关键技术，具备成孔稳定性强、操作方便等优势，得到广泛应用，对提升桥梁项目整体建设效果有重要作用。

1 水磨钻成孔技术

水磨钻主要是由钻机设备与水泵以及钻筒组合而成，每一部分都会影响系统运行。一般情况下，每个水磨搭配3～5 个水磨钻筒，其中一个钻筒中包含7个钻头。在水磨钻现场作业的阶段，通过钻机沿着标注的位置钻入多个孔，将相邻孔连接，组合成为闭合的环形结构，形成桩芯的临空面，可以使桩芯与桩壁分离。对岩芯部分分块，需要在岩芯上钻出一排孔，插入钢钎，经过锤击打入结构，使岩石表面开裂，达到剪切破裂的效果，形成多个小块。发挥提升系统的作用，将分解后的岩块直接吊出孔洞，为后续的施工顺利实施奠定基础。在现场施工中，用分层的方式处理各个结构，不断深入施工，形成施工孔，然后开展钢筋笼安装以及混凝土灌注施工工序[1]。

2 工程概况

2.1 项目资料

某桥梁公路线路总长度为170km，其中包含一座大型桥梁。设计方案为（87+158+87）m 变截面现浇连续刚构箱梁+3×30mPC 连续T 梁，有2 联长度是434.5m，在桥梁的走向上设置为曲线的形式，T 梁采取折线的方式，应用悬臂展开内外侧曲线的调节，使用径向方式设置。按照现场的施工需要，根据桥梁结构的布置分别在1 号、2 号主墩采取双支薄壁墩方式，高度按照要求设置为19.315m 及17.785m；3 号使用空心薄壁墩的结构形式，墩高18.469m。除了上述几种形式外，还有圆柱墩、灌注桩等结构，可以满足道路交通的需要。

2.2 桥梁基础总体施工方案

在此次桥梁项目的施工中，有3 个墩体布置在河流内，为1、2、3 号墩。其中1、3 号墩布置在河岸位置上，施工在枯水期，采取筑岛方式作业，明挖基坑方式施工；2 号墩设置在河流中心，由于当地有一座电站水库，所以施工难度较高，常见有水存在，需要建设一条钢栈桥将3 号墩和2 号墩连接起来，构筑施工作业平台。经过分析现场的情况，发现1 号墩的施工复杂性高，坡度大、倾斜明显，加上现场作业空间比较小，受到地面结构硬度较大的影响，传统的钻机作业方式难以满足施工要求。

3 1 号墩施工方法选择

3.1 桥墩设计情况

桥梁1 号墩包含6 根直径2.2m 的钻孔灌注桩，桩顶标高86.5m，承台尺寸（11.1×12.7×4.5）m，相关参数见表1。

3.2 地形地貌情况

1 号墩现场施工地形环境比较差，墩位地面坡度在40°左右，该项目的基坑开挖施工比较大。经过现场技术人员的综合分析，对比同类型的工程项目，最终对承台标高的设计方案做出如下调整：承台结构从原设计底标高82.5m 调整为86.5m，即提升4m；承台顶部标高为91m，桩体结构的长度增加4m，底部标高不作任何调整，有助于施工的顺利进行，还能防止雨季洪水冲击；在承台底部的悬空结构部位，应用素混凝土填充处理，结构达到密实、稳定的标准。

3.3 水文地质情况

分析地质勘察报告结果，得出如图1 所示的结果。该桥梁1 号墩的地质表层为碎块状强风化变粒岩，裂隙有一定的发育，结构层厚度为1.7m 左右，向下到桩体结构标高上，层厚在22m 左右，全部是微风化变粒岩，以块状形式为主，并且结构强度较高，单轴抗压强度为68.5MPa，最高达126.1MPa。这种地质条件硬度较高，其岩面保持30°夹角。因为该桥墩布置在河岸边，并且有较大的坡度存在，表面覆盖层厚度小。在现场存在裂隙发育比较明显的情况，以块状形式为主，岩芯基本完整，所以并未产生较多的裂隙水而影响工程施工。该地下岩层完整度高，整体性较好，所以渗水量很小。

图1 1 号墩所处地质纵断面图

3.4 钻孔灌注桩的适应性分析

在1 号墩的位置上，经过勘探后发现，地层岩石结构强度超过100MPa 的结构深度在15m 左右，并且以陡坡硬斜岩的形式为主，钻进难度比较高。该位置的岩层倾角在30°左右，传统的冲击钻、旋转钻不能开展工作，也难以达到垂直度的标准，要加强现场质量管控。

3.5 水磨钻技术优势分析

其一，在以往的施工中，倾斜岩石的钻进施工难度高，容易产生偏孔的情况。如果应用水磨钻成孔的方式，通过钻孔取芯的作业方法，可以避免上述问题，对于提升工程质量有积极作用。其二，在硬质岩地质条件下，一般需要常规钻机24h 连续施工才能钻进深度50～60cm，对于1000MPa 的岩石结构，钻入深度仅有20～30cm。选用水磨钻循环施工方式，12～14h 的钻进深度就可以达到50～60cm，施工效率明显提升，现场施工工期也会大幅缩短。其三，1 号墩建设在坡度较大的岸边，现场施工空间比较小，大型钻机难以快速运输到位，而水磨钻体积小，不需要大型设备搬运即可进行施工[2]。其四，水磨钻现场施工的噪声比较小，工程效益明显。其五，水磨钻稳定性强，现场施工振动比较小，且不会对现有的建筑物结构造成过大的影响。该桥梁项目施工现场原有一座桥梁，已经判定为危桥，新建设的桥梁与旧桥的距离为200m 左右。如果选用人工挖孔桩爆破的施工方式，会对旧桥造成较大的影响，所以不宜使用。水磨钻现场施工不需要爆破作业，防止对其他建筑物结构造成不利影响。其六，成孔质量水平较高，不会对围岩产生过大的扰动，尽可能保持围岩结构的完整性。成孔具备较好的规则性，超欠挖得以有效控制，混凝土的使用量也能得到有效控制。

3.6 施工方法选定

经过对以上情况展开分析，在该桥梁项目中，水磨钻成孔方案更加适用，所以最终工程单位选择该工艺进行建设施工。

3.7 工序流程

水磨钻施工阶段的重要工序流程是：钻孔—劈裂岩芯—解散岩芯—出碴—检孔—护壁—拆模等，完成上述工序后进入下一个循环，如图2 所示[3]。

图2 水磨钻桩基施工工序流程图

4 水磨钻成孔方案现场实施

4.1 筑岛

该工程项目施工需要在枯水期内进行，水位在87.0m 高程下开展，承台靠岸一侧边坡根据1∶0.75 的坡率放坡开挖，再进行表面混凝土喷射防护施工。因为承台处于硬岩结构内，悬空结构应用素混凝土填充。筑岛临水边坡根据1∶1 的坡率现场施工，对于水中坡脚，则应用抛石笼护脚，达到稳定性标准。筑岛平台填筑到90.0m 高程，根据要求压实施工，加强承台尺寸控制，同时还要落实现场质量管控措施，保证各个结构部分的性能合格。

4.2 水磨钻成孔施工

4.2.1 桩位放样

在现场施工开始前，进行测量网的设置，严格按照设计方案要求测量放线，确定桩位，提高施工现场的精确性水平，将木桩或者钢钎打入地下桩孔中心，且位置偏差不超过50mm。

4.2.2 锁口施工

钻孔作业实施前，进行井圈锁口的浇筑施工，并且在外部浇筑一个绞盘的支撑平台，为整个结构的施工提供基础。井圈锁口使用C20 混凝土施工，厚度在30cm 以上，顶面超出基准面30cm 左右，并且中心线与轴线偏差在20mm 以内。

4.2.3 护壁施工

开挖施工到中风化层之前，进行护壁施工极为重要，并在现场设置内齿型护壁的方式，厚度在150mm左右位移。具体应满足以下要求：现场施工每钻进1m 的深度就要立即安装钢筋笼，浇筑混凝土；选择C25 混凝土材料为宜，坍落度在8～10cm 之间，通过吊桶方式运输混凝土；浇筑后，立即插入钢钎进行振捣处理，达到密实度要求，在结构强度合格后再拆模。

4.2.4 水磨钻开挖

经过测量放样确定现场尺寸后，再进行钻机的固定，使套筒向孔桩侧外倾一定的角度，在下一循环，保证钻孔套筒的起点位置在设计孔桩边线面，不会发生缩孔的问题，使得桩孔以节段存在，截面尺寸符合标准要求，不会影响工程质量[4]。

4.2.5 卷扬机配合料筒出碴

在出碴施工中，通过卷扬机联合料筒的方式进行。将钻进之后获取的岩芯，分块后直接装入料筒，通过电动卷扬机提升到地面，然后倒入推车，运输到临时存料场，以满足现场施工的要求。为了保证现场起重施工的安全性，钢丝绳在吊装阶段没有发生断裂、卷扬机不会出现倾覆等问题，要根据现场应用的钢丝绳直径、料筒最大装载质量、卷扬机配重等参数，合理地确定钢丝绳的破断拉力以及卷扬机的抗倾覆能力，达到系统运行的安全性标准。对出碴提升的环节严格控制，具体应落实下述措施：

第一，材料装载完成后，不能超出料桶顶面；第二，起重机提升料桶的环节，保持缓慢、平稳，防止出现摆动剧烈的情况；第三，在起重设备内，必须设置限位器、防脱保险装置；第四，通过土包配重的方式施工，保证卷扬机的两侧达到平衡状态，整个机架结构达到平稳、牢固的要求，以免引发安全事故。

5 水磨钻的缺点及应对措施

其一，水磨钻作业的危险性较高。在水磨钻施工环节，应用人工挖孔桩的方法建设施工。该环节施工都是在井下空间进行，如果现场管理不到位，容易发生坠物、打击、触电、窒息等情况，威胁施工人员的生命安全。因此，应落实施工人员的安全知识培训，加强现场的电力设施配置，提升现场施工的安全性，预防安全事故。其二，水磨钻设备成本较高。以该工程项目为例，桩体直径为2.2m，在硬岩地质条件下，进行成本分析。应用水磨钻的方式施工，每米成本在5000 元左右，冲击钻成本只有1800 元左右。该桥梁项目施工难度较高，冲击钻施工速度非常缓慢，相对来说保证工期、质量，解决现场施工问题更加重要。其三，水磨钻现场施工复杂性高、工序多。在水磨钻施工现场，通过人工钻孔作业，严格按照工艺方案的要求，规避质量问题。因此，在现场施工中，应加强施工现场管理，落实技术交底措施，确保工程的质量和进度。