水下基础工程钻孔灌注桩的应用与效果分析

许泽华

（中铁十七局集团第五工程有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

桥梁工程是高速公路的重要组成部分，在桥梁工程施工过程中，经常会面临涉水、跨河等情况[1]，极大地增加了施工难度，需要在施工过程中及时处理深水、软弱土层及水腐蚀等问题，以防对施工质量造成影响[2-3]。处于深水中的桥梁基础往往是桥梁工程施工的重难点，采用何种基础类型也是工程技术人员和学者关注的热点。钻孔灌注桩具有承载力大、适用条件广、可操作性强等优势，在多类桥梁基础中表现出较好的应用效果[4]。本文以揭惠高速公路桥梁基础工程为研究对象，探讨水下基础工程钻孔灌注桩的施工技术及其应用效果。

1 工程概况

揭惠高速公路第A2 标段起止里程为K18+500～K33+244.5，线路全长14.745km，设特大桥、大桥7座，共4586m；中小桥7 座，共215m；天桥1 座；隧道1 座，共1501m（按双洞平均长）；麒麟互通立交、贵屿互通立交等共2 处；与铁路分离式立体交叉1 处；全线总挖方35.8万m³，总借方187万m³。其中，练江特大桥采用水中桩基础施工，该桥梁工程上部结构采用1×25m跨装配式预应力混凝土简支小箱梁，下部结构为扶壁式桥台。练江目前不通航，线位的末端汇入大海的水系比较发育，小河道还受海水涨退潮影响。因此，该桥梁桩基础在施工时面临较大挑战。

2 水中钻孔灌注桩施工方案

2.1 施工工艺流程

结合工程的地理位置以及地质、水文情况，桩基统一采用钻孔灌注桩施工技术进行施工，并确定其施工流程，如图1所示。

图1 水中钻孔灌注桩施工工艺流程

2.2 施工设备选择

确定水中钻孔灌注桩施工工艺流程后，结合施工环境特点选择型号分别为Wirth PBM 615/2000/300 以及Wirth PBM 936/2000/300两种循环钻机进行水中钻孔施工，钻机相关参数如表1所示。

表1 钻机相关参数

3 水中钻孔灌注桩施工技术要点

3.1 钢护筒的制作及埋设

桩基础施工过程中，需先搭设钢护筒。钢护筒厚度为12mm，确定护筒内径时以桩径为参考，要求超过桩径20cm，单节护筒长度为1.5m，采用焊接的方式完成单节护筒之间的连接，施工时需将钢护筒底部打入粉质粘土层中间位置[5]。为提升护筒刚度，选择厚度10mm以上的钢板作为加劲肋，焊接在护筒上下端和接头外侧。与此同时，为防止护筒在运输过程中发生变形，在其内部加焊十字内撑，施工前将其拆除。

护筒埋设前先进行精准放样，然后使用振动锤将其打入设计土层中，并保证护筒顶端位于最高潮水位上2m，护筒中心和桩中心平面位置之间允许偏差在5cm内。完成护筒埋设后，将护筒顶标高、设计桩底标高及孔深标识在钻孔标识牌上，为钻进施工提供参考依据。

3.2 泥浆池设置

由于该工程属于水中施工，因此钻孔施工前需设置泥浆池，本文选择钢护筒作为泥浆循环系统。为了在避免泥浆造成环境影响的同时保证泥浆的使用率，防止浪费，可对抽出的泥浆进行沉淀和过滤处理，实现循环使用。

通过钢管架保护泥浆池钢护筒周围并设置防护网，在护筒口上方架设防护盖以及警示牌，避免泥浆池被破坏，废弃泥浆需运出施工场所。

3.3 造浆护壁

施工过程中为避免孔壁发生破坏，以膨润土为原料，进行造浆护壁，并且施工过程中需严格保证泥浆浓度。施工人员需实时关注泥浆比重，结合不同的土层完成泥浆比重调整。除此之外，如果在施工过程中需要对泥浆的质量进行提升，可重新加入膨润土以及适量的水，并在护筒底部加入一定碎石，提升泥浆浓度，保证护壁效果。

3.4 钻孔

钻孔施工前，需检查施工设备是否正常，设备启动性能是否良好，检查完好无误后开始钻孔施工。设计钻孔灌注桩36根，在钻孔过程中结合土层的变化及时调整设备的钻进参数以及冲程大小，以此保证钻孔效果。

钻孔开始前，先启动泥浆泵，当泥浆输入孔口一定数量后开始钻孔，在钻进过程中需保证泥浆的正常输入以及泥浆质量。由于水中施工的土层稳定性较差，极易发生坍孔现象，钻进时需严格控制钻进尺寸，以低冲程、稠泥浆的钻进方式为主。钻孔过程中，需保证钻进的连续性，不可中途停止。如果钻进过程中发生钻机设备故障，则将钻头提出孔外，避免钻头埋入孔内，但是该情况下，需将泥浆泵保持正常运行，以保证泥浆正常循环。

每钻进5～8m均需采用检孔器检查钻孔的直径和倾斜率，以此保证成孔质量，要求检孔器有较高的强度与钢度，多次重复使用无变形，整体性好无局部弯折。钻进深度达到设计标准后，再次进行孔深、孔径、垂直度等检测，并将检测结果和设计、施工标准进行对比，保证施工结果满足设计需求后，再进行下一步骤施工。钻孔桩成孔质量检测标准如表2所示。

表2 钻孔桩成孔质量检测标准

3.5 清孔与钢筋笼安装

已完的钻孔施工质量满足施工标准，即可对其进行清孔处理。该工程采用循环捞渣换浆法进行清孔，在该过程中，需实时进行泥浆补充，保证泥浆面在孔内的高度，避免发生塌孔、缩孔等现象。清孔必须满足设计标准以及施工规范：清孔时排出的泥浆中不存在3mm左右的颗粒，泥浆比重不可超过1.1，泥浆中含砂率不可超过2%，黏度需在17～20s之间。检测清孔泥浆满足相关标准后，方可停止清孔处理，同时进行验收。

钻孔验收合格后将钢筋笼放入孔内。钢筋笼安装完成后，对孔底沉淀物进行检查，如果其厚度超过10cm则不满足验收标准需进行二次清孔，直到满足验收标准为止。在清孔过程中需严格控制孔内水位，保证其位于地下水位上方2m处，有效避免清孔过程中发生塌孔现象。

3.6 水下灌注混凝土

钢筋笼安装完成后，进行钻孔桩水下灌注混凝土施工。该施工工序采用钢导管完成，按照桩长和桩径确定导管直径，同时保证导管壁的厚度和导管长度，确保灌注施工的安全性。

导管在使用前，需采用水密承压与接头抗拉两种方式对其进行测试检验，保证质量合格后用于灌注施工，灌注时需保证混凝土的和易性。灌注混凝土的示意图如图2所示。

图2 混凝土灌注示意图

灌注尾声时，导管内混凝土柱高度以及超压力会降低，同时导管外的泥浆稠度以及相对密度会增加，此时会发生混凝土顶升困难现象，可通过向泥浆中加水令其稀释，同时清理部分沉淀土，以保证灌注的正常进行。混凝土灌注高度需超过设计值的1m左右，导管拔管时需降低拔管速度，避免桩顶沉淀的泥浆挤入导管内形成泥芯。

4 水中钻孔灌注桩施工效果分析

完成水中钻孔灌注桩施工后，以桩身轴力为衡量标准，通过应力传感器获取桩身中主筋的频率，依据该结果计算桩身内力，最后依据内力结果得出桩身轴力，详细计算步骤如下：

（1）采用应力传感器获取钢筋频率模数确定系数，通过转换该系数形成钢筋应力Pg，对该应力进行转换，形成和钢筋界面处混凝土应变一致的钢筋应变值，Pg的计算公式为：

式中：

F0——初始应力结果；

Fi——在不同等级荷载下的应力结果；

K——标定系数；

B——修正系数。

钢筋应变量ηs的计算公式为：

式中：

Ag——钢筋断面积；

Eg——钢筋弹性模量。

（2）在上述计算结果的基础上，计算混凝土轴力Ph和桩身轴力Pz，其计算公式为：

式中：

ηh——混凝土应变量；

N——钢筋主筋数量。

依据上述公式获取桩身在不同荷载作用下的轴力计算结果，如图3所示。

图3 桩身轴力计算结果

根据图3计算结果可以得出：随着荷载的逐渐增加，桩身的轴力也随之增加，此时桩身的侧摩阻力开始发挥作用，同时桩顶的轴力值较小，桩身浅部抗压较大，承受较大的荷载作用。由此可知，桩身的极限承载力仍旧存在较大空间，没有完全激发，证明施工后的桩身稳定性较好，能够保证桩基础工程的安全。

5 结束语

综上所述，水中施工环境较为特殊，对钻孔灌注桩施工过程要求较高，需严格控制施工工艺以及施工质量。本文以揭惠高速公路工程中第A2标段的练江特大桥水中桩基础施工为例，从施工工艺流程、施工设备选择、施工技术要点三个方面详细探讨了水中钻孔灌注桩施工技术，并对该技术的应用效果进行了分析，结果表明：采用水中钻孔灌注桩施工技术，能够可靠、安全地完成涉水工程高速公路桥梁基础桩体施工，并且施工质量满足要求，可为相关工程提供可靠参考。