桥梁深水中桩基础施工关键技术分析

2023-11-21施文生

运输经理世界 2023年22期

施文生

（宁波交通工程建设集团有限公司福建分公司，福建厦门 361000）

0 引言

在水面宽、深度大的水域内，为给两岸通行提供便利条件，需要修建桥梁。由于桥梁需要从水域上方跨越，因此部分桥墩位于深水当中，这会给桩基础施工增添一定难度。与陆地桩基础施工相比，在深水中施工桩基础前，要搭设作业平台，为钻孔提供便利条件。为确保桩基础的整体质量，应掌握相关施工技术，并在实际工程中合理运用，使深水桩基础施工能够保质、保量、按时完成。因此，有必要对桥梁深水中桩基础施工关键技术进行分析。

1 工程概况

石潭溪大桥是一座跨越水库大坝的桥梁，2013年，相关部门经检测评估，将该桥鉴定为危桥，随着该桥的停用，过往车辆需要绕行，影响了两岸的正常通行。为解决这一问题，决定在国道316 线K70—K80路段安全隐患整治工程中，于原桥的下游侧对该桥梁进行重建。大桥所在位置与库区水位对应的水面宽度为121m，最大水深为34.9m，桥梁部分的桩基础位于深水当中，且覆盖层浅，部分墩位河床基岩裸露，给施工增添了一定的难度。

2 桥梁深水中桩基础施工关键技术

2.1 搭设钢平台

施工企业根据实际水文地质情况，结合以往的江中施工经验，对于1～2#墩钻孔桩基础施工，决定采用定位桩+贝雷桁平台组成的水上施工平台方案，其中1#墩通过栈桥与江岸相连，2#为水中独立平台。为满足平台结构受力要求及平台横向稳定性要求，2#墩平台辅以锚碇系统来平衡水流力及风荷载。为确保钻孔灌注桩施工顺利开展，需要搭设钢平台。施工技术要点如下：

2.1.1 插打钢管桩

第一，按照测量结果，对导向架的位置加以调整，使偏差率在1%以内、中心线偏位不超过50mm。随后插打上游侧钢管桩，施工完毕后，导向船移动到下游，使导向架处于下游侧钢管桩中心，利用起重机将钢管桩吊起后垂直放入导向架中，使钢管桩在自重的作用下入土。待达到稳定状态，对其垂直度进行检测，确认与现行规范要求相符后，加装振动锤，采用低挡位将钢管桩振动下沉。第二，钢管桩入土深度达到2m后，可将振动锤从低挡位调整至高挡位，以加快钢管桩的下沉速度。首节桩的桩端露出水面高度约为1m时，可关闭振动锤，随后将第二节钢管桩吊起，与首节对接，以焊接的方式将两节钢管桩固定，焊接完成后，开启振动锤，继续对钢管桩振动下沉，直至达到设计标高[1]。第三，为避免钢管桩在插打过程中下口变形卷曲，影响插打深度，可根据插打情况在钢管桩下口设置加劲环。加劲环由δ=12mm 钢板焊接制成。

2.1.2 平台搭设

第一，钢管桩插打完毕后，用φ219mm、δ=8mm钢管将邻桩连接到一起，使其形成整体，以提高结构的稳定性。钢管横向连接好后，将多余的桩头切除，在管口位置处开设深度为25cm 的槽口，用起重机将横梁吊起后安装于槽口内，以焊接的方式进行固定，避免出现偏位或倾覆。将横梁上的吊点拆除，通过焊接的方式将横梁与钢管桩相连接。第二，在钢管桩的桩顶工字钢主梁上，准确测放出钢平台纵向分布梁工字钢的装设位置，按照30cm 的间距进行布设。钢平台上部结构施工完成后，可铺装桥面钢板，将钢板与纵梁通过焊接的方式固定，相邻板间留设出一定的空隙，以20mm 左右为宜，以便施焊及泄水。

2.2 桩基础施工

在该工程中，位于深水中的桥梁桩基础采用的是钻孔灌注桩，具体施工工艺标准如表1 所示。

2.2.1 钢护筒安装

第一，使用厚度为18mm 的钢板，通过卷制焊接方式制造护筒。为确保钻进顺利进行，护筒内径应比钻头大20cm 左右。在该工程中，钢护筒的直径为2.1m，顶部标高与钻孔平台桥面保持一致，即65m[2]。

第二，考虑到墩位所在水域较深且水流较快，水上钻孔桩钢护筒在制作过程中需严格遵循工艺要求，且安装时要确保适当的入土深度，以满足其自身的稳定性，此处采用DZ180 型振动打桩锤进行插打。2#墩基岩暴露，在钢护筒插打时，工作平台已建好，可直接在平台上安装导向架并进行钢护筒插打。完成插打的钢护筒应尽快与定位钢管桩连接，构建稳定结构。插打施工注意事项如下：

其一，80t 浮吊搭配DZ180 型振动打桩锤，利用振动技术使钢护筒下降。其二，导向架采用贝雷梁和型钢杆件组成框架结构，有高强度和足够的刚度，以确保钢护筒导向准确。将导向架固定在平台上，以免因振动作用使钢护筒下沉移动。其三，在水中进行钢护筒插打时，需要设置缆绳，防止钢护筒下端发生倾斜。其四，每根桩的下降过程应尽量连续完成，避免中间停顿或长时间间歇导致周围土壤性能恢复，增加摩擦力，影响桩继续下降。其五，振动持续时间应根据机械类型及地层土质试验来确定，一般不应超过10～15min。振动时间过短可能无法有效改变土壤结构，振动时间过长则容易导致振动锤部件损坏。其六，钢护筒的倾斜程度应小于1/100，水平偏差不得超过50mm。其七，钢护筒插打前后，需定期测量河床高程，根据河床冲刷情况采取相应防护措施，确保整体结构的稳定性，保障钢护筒及平台施工安全。

2.2.2 泥浆制备

第一，泥浆循环系统包括泥浆船供浆池、沉渣筒和各墩桩孔钢护筒，护筒之间用钢管连接，高程不受潮水影响。钻孔时补充泥浆，从泥浆船通过泥浆输送管泵入孔内，将排出的钻渣排入沉渣筒沉降，经相互连通的钢护筒进行循环，从钻孔内回收的泥浆需进行处理，满足泥浆指标要求方可再次使用。第二，采用高品质黏土制备泥浆，向泥浆中加入工业碱，以提高泥浆黏度和胶体率。通过试验方法，确定工业碱的添加量[3]。钻孔泥浆的性能指标要求如表2 所示。第三，钻孔灌注桩在钻进成孔的过程中，需采用泥浆护壁，此过程中会产生废浆及渣土，为避免对周围环境造成污染和破坏，应根据环保要求，用泥浆车将废浆与渣土集中运到指定区域丢弃，避免污染环境。

表2 钻孔泥浆的性能指标要求

2.2.3 钻进成孔

第一，该工程钻孔施工采用的是正循环冲击钻，每个桥墩处布设3 台钻机。开钻时，钻头中心对准桩位中心，允许偏差为2cm。钻孔前，先向孔内灌注适量的泥浆，使钢护筒底口以下2～3m 范围内的孔壁更加坚实。第二，开孔阶段，钻机采用低冲程，钻至钢护筒刃脚以下3m 后，根据地质情况，增大冲程，改为正常钻进，达到基岩时，减小冲程。为避免出现打空锤的现象，应在钻进时，少量、勤松绳，防止钢丝绳过载损坏。同时，需要勤取渣，并及时补充新泥浆，确保钢护筒的水头高度处于合理范围内。第三，钻进过程中，应定期检查钻头的转向装置，确保钻头能自由转动，同时检查钢丝绳，磨损严重时，应予更换。同时，要经常检测泥浆的性能，一旦下降，应投加膨润土进行调整。第四，钻岩时，要调整冲程，以0.5m 为宜，为避免钻头受损，不得采用大冲程对岩层进行冲击钻进。发现偏孔后要及时纠偏，保证成孔质量。

2.2.4 钢筋笼制作与安装

第一，严格按照规范要求制作钢筋笼，采用分节段的方法对钢筋笼进行制作安装，根据起重设备的吊装能力，将钢筋笼分为多个节段吊装入孔，并进行拼接。运输和吊装钢筋笼的过程中，要用专门吊具，避免钢筋笼变形或是受损，如有必要可在钢筋笼上焊接临时内加强筋和十字内支撑，并在吊放入孔前解除。

第二，连接钢筋笼纵向主筋时，可以采用机械接头，应保证质量与现行标准要求相符，在同一个截面内，主筋接头的数量应不超过主筋总数的50%。使用平板车将制作好的钢筋笼运至桥墩处，利用吊机进行现场安装，对接时，要保证中心线顺直。

第三，钢筋笼放入孔内时，需确保标高精准，允许误差在±5cm 范围内。鉴于钢筋笼位于水中，为了判断其放置情况，可以在顶端绑定测量线，依据线上的读数进行判断，保证钢筋笼顺利到位[4]。

2.2.5 水下混凝土灌注

（1）首次混凝土灌注方量计算

首次灌注混凝土时需保证导管初始埋深不少于1m，并填补导管底部空隙。首次混凝土灌注方量计算如公式（1）所示。

图1 首次混凝土灌注示意图

式（1）中：V 代表首次混凝土灌注方量（单位：m3）；h1代表孔内混凝土面高度达到一定高度（Hc）时，其内混凝土柱γω×Hω/γc不超过h1，Hω代表孔内泥浆高度，γω代表孔内泥浆的容重（12.0kN/m3），γc代表混凝土拌和物的容重（24kN/m3）；Hc代表首次混凝土灌注时，孔内混凝土面至孔底的高度（单位：m），Hc=h2+h3（h2代表导管初始埋置深度，h2≥1m，h3代表导管底端至钻孔底间隙，取0.3m）；D 代表孔径（单位：m）；d 代表导管内径（0.28m）。

（2）混凝土灌注过程

在灌注前需在导管内放置隔水栓塞，然后准备好装满混凝土的料斗。开始“拔球”并向水下注入混凝土，为确保在整根桩初凝前完成灌注，需保持混凝土连续注入，禁止中断。为保证灌注质量，需指派专人负责测量混凝土面的标高，精确计算导管在混凝土内的埋置深度，并准确指导导管的抬升和拆除，确保埋置深度保持在2～6m 之间。在这一过程中，还需记录混凝土注入量及相应的混凝土面标高，以便分析孔扩率[5]。一旦发现异常情况，应立即通知工程师并采取相应措施。

随着混凝土注入至桩顶部5m 以内，不再抬升导管。待注入至规定标高后，一次性提出导管。为避免桩内夹入泥芯或产生空洞，拔出最后一节导管时，需缓慢操作。由于桩径较大，导管埋置较深，浮浆较厚，因此实际注入混凝土的桩顶标高应比设计标高高出约1m。在整个灌注过程中，务必回收桩孔内泥浆，确保孔内泥浆始终高于水面约2m，但在孔内最后3～5m 范围内，泥浆质量较差，不宜对其进行回收处理。桩身施工完毕后，需要对其进行无损检测，如果发现质量缺陷，必须及时采取处理加以措施，以确保质量达标。