桥梁钻孔灌注桩施工风险评估与控制研究

马聪

摘要：钻孔灌注桩施工一直属于高危风险工程，为了更好的做出风险评估和控制，通过建立风险评估指标，并建立数值模型，分析钻孔灌注桩施工过程护筒壁厚、锤击能量以及椭圆度等因素，对过程进行风险控制。得出以下结论：护筒壁厚与非弹性屈曲轴向临界应力呈负相关；锤击能量与轴向应变呈正相关，与打入深度也呈正相关；初始缺陷椭圆度数值越大，轴向临界应力越小，护筒越易发生变形；对于钻孔灌注桩，应选用壁厚超过74mm、锤击能量应在1800～2000kJ之间、椭圆度低于30mm的护筒。

关键词：钻孔桩；风险评估；风险控制；数值模拟

0   引言

鉴于钻孔灌注桩施工存在的风险，近年来，许多专家学者针对该施工过程进行风险评估和控制。张延豫等人[1]针对特有条件下钻孔灌注桩施工过程的风险，制定相关应对对策。马永峰等人[2]针对钻孔灌注桩塌孔现象，通过对其孔壁进行分析与评价，并通过相应软件编制塌孔风险评价和等级分区。陈安[3]结合钻孔桩和地连墙的施工特点，从施工全过程分析施工方法的优缺点。李仁强[4]基于数值模拟对道路施工进行有限元分析，对施工全过程风险情况进行评估和控制，以此确定风险事故发生概率、后果以及相应的等级，由此提出降低风险的有效措施。

本文基于实际工况，通过建立风险评估指标，对钻孔灌注桩建立数值模型，分析风险产生概率和因素，并由此加以控制，为实际工况通过理论依据。

1   钻孔桩灌注桩施工工艺要求

本研究以某桥梁工程为研究背景，结合当地地质情况，桩基钻孔通过旋挖钻机。其工艺要求主要包括10点：

一是做好施工准备，确定好地形地质情况。二是进行泥浆制备，使用膨润土作为泥浆护壁。三是埋设护筒。钻孔前设置直径为0.2m护筒，确保其不漏水。四钻机就位及钻孔。向孔内及时补充浆液，保持充值泥浆压力。安装前将底架垫平，钻孔时孔内水位需高于护筒底脚。钻孔完成后，需要进行检孔。五是笼骨架制作。在加工车间下料，分节同槽制作。六是导管安装。导管为钢导管，要求其内壁光滑、圆顺、接口严密。七是二次清孔及灌注水下混凝土。清孔时孔内水头高程在1m和3m之间。水下混凝土要连续浇筑，不能停顿。八是钻渣及废浆处理。净化处理后运至弃土场。九是进行超声波检测，并对质量问题桩进行混凝土鉴定。

2   评估指标

2.1   风险评估步骤

通过调研、咨询等手段建立风险评估指标，步骤分别为体系构建、指标选取、等级划分以及计算分析。其中体系构建主要结合项目工程特点，整体构建层次化指标体系；指标选取则根据施工地点地质情况和施工特点来确定；等级反应事故的发生概率和造成的损失大小，可以量化风险评估；计算分析则是对指标体系进行计算分析，使其精确量化。

2.2   评价准则

施工风险评估需要评价准则及专家组建立，其中评价准则则是为防止因不同人态度不同产生歧义而建立的一套准则，目的是使评估标准更加准确统一。其基本函数如下所示：

R=?（p，l）（1）

式中，R为事态风险量、p为事态概率水平等级、l为事态损失水平等级。根据相关规范和研究成果对风险概率等级进行划分。风险事态概率等级如表1所示。风险事态损失等级如表2所示。各等级风险管理策略如表3所示。

而对于评价专家组建立，需要相关工程经验丰富，专业素养较高的权威性群组组成。为减小主观影响，提高评估可信度，需从专家类别以及决策权重建立合理专家组。为保证评价意见合理性，参考前人[5]研究成果得到权重，如表4所示。

确定对钻孔桩评估指标体系和运算判别方法后，得出本工程施工风险等级，并对重大风险事故进行筛查，以便做出正确决策。

3   实际应用

3.1   建立模型

建立风险指标后，由于部分风险存在隐蔽性和复杂性，因此需要对该风险进行深入分析。依托该工程，对灌注过程通过数值模拟进行风险分析，为施工风险评估及控制提供理论依据。

基于数值模拟建立模型，量化风险参数，设定不同工况，分析钢护筒在施工过程中发生变形规律。风险参数包括壁厚、锤击能量等。其中护筒材料的基本参数为密度7800kg/m³，屈服强度为340MPa，切线模量为1000MPa，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。

钢护筒总长超过50m，直径超过6m，单元超过60万个。碎石土层材料模型中，密度为2200kg/m³，内摩擦角为40°，变形模量为45MPa，泊松比为0.25。碎石土层模型为圆柱体，厚度和直徑分别为5m和20m，单元超过90万个。

基于风险事故易出现不同情况，通过数值模拟设置钢护筒不同壁厚、椭圆度和液压锤输出能量三大风险因素，由此设置不同工况。具体情况如表5所示。

3.2   护筒壁厚分析

根据已建立的数值模型，对其护筒壁厚进行分析，分析不同壁厚工况下最大轴向应力，具体情况如图1所示。

由图1可知，壁厚与最大轴向应力呈负相关，其中当壁厚低于72mm时，产生的最大轴向应力最大为370MPa，而最小为316MPa。根据非弹性屈曲轴向临界应力准则可知，该壁厚都超过各自轴向临界应力，使护筒易产生较大变形。当壁厚大于72mm时，最大轴向应力远小于非弹性屈曲轴向临界应力。由此说明，在壁厚较大时，护筒不易发生变形。对于不同工况打入深度最值情况进行分析，具体情况如图2所示。

由图2可知，当护筒壁厚越来越大，打入深度越来越大。主要是由于壁厚不大，导致护筒本身质量下降，质量较小导致护筒冲击惯性力降低。此外由于壁厚较小导致护筒刚度较低，使护筒受到的岩层阻力更大，打入深度较小。

总体而言，壁厚与非弹性屈曲轴向临界应力相关，且壁厚越大，非弹性屈曲轴向临界应力越小，越不容易发生屈曲变形。因此根据建模实际情况，在实践工况中，应选用壁厚较大的护筒壁，壁厚超过74mm。

3.3   锤击作用分析

已知上述结论，壁厚74mm和76mm的效果较好，因此选用这2种壁厚工况进行锤击能量分析。在工况8～12和13～17中，以1200kJ、1600～2200kJ（间隔200kJ）的锤击能量进行计算分析，具体情况如图3所示。

由图3可知，轴向应力随锤击能量增大而增大。当锤击能量为1200kJ时，74mm、76mm壁厚护筒轴向应力相差不大，且壁厚76mm的护筒在相同锤击能量下，其轴向应力始终小于74mm的护筒。當锤击能量增加至1600kJ及以上时，轴向应力都超过岩层抗压强度，导致模型轴向应力增大。因此锤击能量越大，护筒破岩能力越强；壁厚越大，产生的最大轴向应力越小。对于不同工况打入深度最值情况进行分析，具体情况如图4所示。

由图4可知，不同壁厚的护筒在相同锤击能量下的变形不同，其中76mm壁厚护筒的打入深度要高于74mm的护筒，但总体相差不大。当锤击能量大于1600kJ时，护筒都能被打入岩层，且能量越大，打入深度就越大，但相较于1600kJ之前，打入深度的速率再减小。

总而言之，锤击能量与轴向应变呈正比，与打入深度呈正比。结合工程实践，设置的锤击能量输出设置应超过1800KJ，但不应超过2000KJ。

3.4   椭圆度分析

根据上述模型情况可知，由于模型初始缺陷会对工程产生影响，因此选用壁厚74mm、76mm护筒、锤击能量1800kJ情况下，设置初始缺陷椭圆度分别为30mm、76mm以及152mm，具体情况如图5所示。

由图5可知，各工况产生的轴向应力最值无明显变化，但由于模型接触面积减小，导致应力小幅度增加。而74mm护筒的初始缺陷椭圆度始终大于76mm护筒。对于不同工况打入深度最值情况进行分析，具体情况如图6所示。

由图6可知，护筒初始缺陷椭圆度越大，打入深度越小，其中当椭圆度达到30mm时，无论壁厚情况如何，其打入深度都急速下降，且30mm椭圆度工况插打过程中易发生变形。

总之，初始缺陷椭圆度数值越大，轴向临界应力越小，护筒越易发生变形。因此在实际工况中，护筒椭圆度不应大于30mm。

4   风险控制

基于上述分析的风险，对相关风险需要进行控制，以此减少不应该出现的损失。对于一般事故，风险等级处于三级以下，一般为漏浆风险事故控制以及卡管、堵管风险事故控制。

漏浆风险事故控制主要通过高压旋喷法施工，并在施工过程中使用特制报警自控仪来进行风险控制。而对于卡管、堵管风险事故控制如下：在灌注混凝土的坍落度保持适宜距离；施工前做足准备工作；灌注期间，及时排放导管内空气等控制方法。

重大风险事故的风险等级在三级以上，存在护筒变形、灌注质量差、塌孔和卡钻等事故。对于本工程，为防止实际变形，需要对风险因素精准分析。对于钻孔桩灌注桩，应选用壁厚超过74mm、锤击能量应在1800～2000kJ之间、椭圆度低于30mm的护筒。

5   结束语

本文基于某桥梁工程为背景，通过建立风险评估指标，对钻孔灌注桩建立数值模型，分析风险产生概率和因素，并由此加以控制，得出以下结论：

护筒壁厚与非弹性屈曲轴向临界应力相关，且壁厚越大，非弹性屈曲轴向临界应力越小，越不容易发生屈曲变形。锤击能量与轴向应变呈正比，与打入深度呈正比；初始缺陷椭圆度数值越大，轴向临界应力越小，护筒越易发生变形。施工前夕必须对施工过程进行评估，并在对存在风险因素进行控制。对于钻孔灌注桩，应选用壁厚超过74mm、锤击能量应在1800～2000kJ之间、椭圆度低于30mm的护筒。

参考文献

[1] 张延豫，李士光，陈明文.柳林滩黄河特大桥钻孔灌注桩施工的主要风险及对策研究[J].公路交通科技（应用技术版），2013，9（9）：238-241.

[2] 马永峰，周丁恒，李凤岭，等.基于模糊理论的钻孔灌注桩塌孔风险评价[J].安徽理工大学学报（自然科学版），2017，37（5）：18-24.

[3] 陈安.地铁工程中钻孔桩与地连墙基坑支护方式比选[J].交通世界，2022（11）：1-2.DOI：10.16248/j.cnki.11-3723/u.2022.11.045.

[4] 李仁强.市政道路下穿运营高速铁路桥梁影响分析及风险评估[J].铁道建筑，2021，61（11）：57-60.

[5] 佘佳雪.基于群组评价的深基坑工程施工风险评价研究[D].武汉大学，2017.