李孝雄，劉江，邸云菲

(1.滁州學(xué)院地理信息與旅游學(xué)院，安徽 滁州 239000；2.中交第四航務(wù)工程局有限公司總承包分公司，廣東 廣州 510290)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)和我國公路建設(shè)事業(yè)快速發(fā)展，作為公路建設(shè)重要組成部分的橋梁得到相應(yīng)發(fā)展。在“一帶一路”大背景下，中國的交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)入了最輝煌的時(shí)期，橋梁建設(shè)如雨后春筍，建成了一大批技術(shù)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)新穎、設(shè)計(jì)和施工難度大、科技含量高的大跨徑橋梁。我國橋梁建設(shè)已然躋身于國際先進(jìn)行列，創(chuàng)造了多項(xiàng)世界之最。目前我國公路橋梁總數(shù)接近80萬座，已成為世界橋梁數(shù)第一[1]；港珠澳大橋連接香港、珠海及澳門，總長達(dá)到55 km，為世界最長跨海大橋，于2018年10月通車[2]；連接文昌與海口的鋪前大橋是國內(nèi)首個(gè)將橋址建于斷裂帶的橋梁，抗震設(shè)防最大[3]；舟山跨海大橋是世界最大的鋼箱梁懸索橋及抗風(fēng)要求最高大橋。

跨水域橋梁向著大跨徑、輕型、高強(qiáng)及整體性方向發(fā)展[4]。橋梁跨徑的不斷增大必然對橋梁基礎(chǔ)提出更高的承載要求，因此跨水域橋梁樁基礎(chǔ)幾何尺寸不斷增大，且由于海水、臺風(fēng)及地震作用的影響，對樁基礎(chǔ)配筋提出了更高的要求。樁基礎(chǔ)幾何尺寸、配筋率的增大對樁基施工帶來一定困難。本文結(jié)合某跨海大橋樁基礎(chǔ)施工工藝，介紹了樁基礎(chǔ)施工中的關(guān)鍵技術(shù)及施工病害的判斷方法，并提出相應(yīng)的防治措施，為后期深入、系統(tǒng)研究橋梁樁基礎(chǔ)施工工藝提供一定借鑒。

1 跨水域橋梁樁基礎(chǔ)使用情況

20世紀(jì)50年代，在修建武漢長江大橋時(shí)，世界范圍內(nèi)首次采用了大型管柱基礎(chǔ)代替氣壓沉箱基礎(chǔ)施工方法，之后該先進(jìn)深水基礎(chǔ)形式得到了推廣發(fā)展[5]，并出現(xiàn)了大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，我國部分跨水域橋梁樁基礎(chǔ)使用情況見表1。

表1 跨水域大橋樁基礎(chǔ)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要指標(biāo)

隨著橋梁建設(shè)的不斷發(fā)展，樁基礎(chǔ)的樁長、樁徑不斷增大。其中南澳大橋、嘉紹大橋樁長已然突破百米，平潭跨海大橋樁徑達(dá)4.7 m。上部荷載、橋址區(qū)地質(zhì)情況、地震強(qiáng)度、風(fēng)載等因素決定著樁基礎(chǔ)的幾何尺寸及配筋。樁基礎(chǔ)幾何尺寸及配筋不斷的增大對施工工藝及機(jī)械提出了更高的要求。人為因素和自然因素使施工中更容易產(chǎn)生病害，且大直徑深長樁基礎(chǔ)施工病害將會給整體結(jié)構(gòu)帶來更大的安全隱患及財(cái)產(chǎn)損失。因此，跨水域橋梁樁基礎(chǔ)施工過程中應(yīng)更加注重施工工藝，及早發(fā)現(xiàn)施工病害，保障工程在滿足質(zhì)量要求下如期完成。

2 跨水域橋梁樁基礎(chǔ)施工工藝

跨水域橋梁樁基礎(chǔ)施工工藝主要步驟分為:鋼護(hù)筒下沉→成孔→鋼筋籠制作及下放→成樁。

2.1 鋼護(hù)筒下沉

跨水域橋梁樁基礎(chǔ)中的鋼護(hù)筒主要作用是防止孔壁塌陷與鉆孔導(dǎo)向。在鉆孔過程中，由于孔中土體的排出，孔壁土側(cè)面出現(xiàn)了臨空面，孔周圍土體產(chǎn)生主動土壓力，當(dāng)土體物理力學(xué)性質(zhì)較差或孔周圍有重物堆積時(shí)，易產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象，且孔外水向孔內(nèi)的滲流進(jìn)一步誘發(fā)了塌孔。鋼護(hù)筒的存在保證了孔壁的土體穩(wěn)定性及阻斷了滲流，有效的保證孔壁穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)護(hù)筒時(shí)通常護(hù)筒宜比樁徑大20～40 cm，護(hù)筒壁并非越厚越好，但在海上樁基工程中壁厚一般不小于25 mm，在國外規(guī)范中，通常護(hù)筒壁厚若大于3 mm，將與樁基礎(chǔ)參與一定的豎向荷載[6]，因此，鋼護(hù)筒幾何尺寸及施工質(zhì)量直接決定基礎(chǔ)的承載能力，鋼護(hù)筒下沉的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)見表2[7]。

表2 鋼護(hù)筒質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

鋼護(hù)筒需借助振動錘的激振力來突破土層的摩阻力達(dá)到設(shè)計(jì)埋深，振動錘除了擁有足夠的激振力外，還需對振幅和頻率加以控制。振動錘振幅達(dá)到一定幅度時(shí)，使得振動力大于護(hù)筒周圍土壤的瞬間全部彈性力，并破壞護(hù)筒周圍土壤、減少阻力。振動錘作用下的鋼護(hù)筒周圍土壤液化，動摩阻急劇下降，當(dāng)振動錘加速度達(dá)到十倍重力加速度后，動摩阻力改變不大，只與土壤單位摩阻力及沉入面積成正比，因此在正確使用振動錘前，需對土的動摩阻力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為[8]；

式中:R——土的動摩阻力，kN；

Ki——土層液化系數(shù)；

U——鋼護(hù)筒周長，m；

Li——鋼護(hù)筒在不同土層中的入土深度，m；

τi——不同土層單位摩阻，kPa。

若要滿足護(hù)筒完全沉入所需激振力，公式為:

式中:P——所需激振力，kN；

G——為鋼護(hù)筒自重與振動錘自重之和，kN。

鋼護(hù)筒按工程要求下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，保證了孔壁的穩(wěn)定性，為后期鉆孔的順利開展提供了有利的條件。

2.2 成孔

跨水域橋梁樁基礎(chǔ)成孔方式主要有沖擊鉆成孔及回旋鉆機(jī)成孔，孔徑及孔深直接決定著施工機(jī)械的選取。成孔的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表3[9]。

表3 成孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)孔徑較大、孔深較小時(shí)，一般采用回旋鉆機(jī)成孔?；匦@機(jī)主要由鉆頭、鉆桿、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及操作系統(tǒng)組成。鉆頭主要分為了刮刀鉆與滾刀鉆，如圖1所示。滾刀鉆中的鉆頭主要是由錳鋼組成，強(qiáng)度極高，一般適用于基巖的鉆進(jìn)，但鉆進(jìn)速度較慢。刮刀鉆由于前端的大齒牙，可在土質(zhì)較松散土層中鉆進(jìn)，鉆進(jìn)速度較快，且當(dāng)海底有大面積的沉船木板時(shí)，亦可采用鉆刀鉆進(jìn)行鉆進(jìn)。

鉆孔過程中對于不同土層、不同高程中的鉆進(jìn)速度應(yīng)有所控制。樁基礎(chǔ)成孔主要依靠鉆頭的自重與齒牙相互協(xié)作向土層中鉆進(jìn)，當(dāng)土質(zhì)較均勻時(shí)，鉆頭可平穩(wěn)、連續(xù)的前進(jìn)，當(dāng)鉆頭下方的土質(zhì)不均勻時(shí)，鉆頭截面各部位承受的阻力不同，易產(chǎn)生偏孔現(xiàn)象。因此，在鉆進(jìn)過中，當(dāng)鉆頭出鋼護(hù)筒底端、土質(zhì)不均勻處需控制鉆進(jìn)速度。

圖1 鉆頭

2.3 鋼筋籠制作與下放

(1)鋼筋籠制作

鋼筋籠主要是增強(qiáng)樁基礎(chǔ)的抗彎能力，因此，鋼筋籠在制作前應(yīng)計(jì)算樁基礎(chǔ)的配筋率。鋼筋籠通過長線法在臺座胎具上統(tǒng)一制作。定位模具是根據(jù)鋼筋籠的主筋規(guī)格、數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。鋼筋籠制作過程中需定期檢查胎具標(biāo)高，防止胎具下沉及變形等情況影響鋼筋籠質(zhì)量。

鋼筋籠采用的鋼筋長度一般為12 m，鋼筋籠通過數(shù)根鋼筋的連接以達(dá)到長度要求。鋼筋之間的連接方式采用套筒連接，為了防止在套筒連接截面處產(chǎn)生薄弱面，通過改變鋼筋的長度，使同一節(jié)鋼筋籠的主筋連接處具有一定的錯(cuò)開距離，如圖2。

鋼筋籠由主筋、加強(qiáng)筋及箍筋組成。當(dāng)鋼筋籠尺寸較大時(shí)，加強(qiáng)筋須有一定的內(nèi)支撐保證鋼筋籠的穩(wěn)定性，如圖3所示。但后期鋼筋籠下放完成后，需進(jìn)行二次清孔，加強(qiáng)筋內(nèi)支撐的存在導(dǎo)致二次清孔中的導(dǎo)管下放困難，且導(dǎo)管在孔內(nèi)無法大范圍移動，因此，鋼筋籠在下放過程中將加強(qiáng)筋的內(nèi)支撐割除。箍筋需綁扎在預(yù)定位置，對于鋼筋籠分段連接處的箍筋在鋼筋籠下放過程中鋼筋籠連接完成后進(jìn)行。

圖2 套筒錯(cuò)開

圖3 加強(qiáng)筋內(nèi)支撐

樁基礎(chǔ)質(zhì)量檢測一般采用超聲波無損檢測法，超聲波檢測管需安置在鋼筋籠內(nèi)側(cè)。樁基礎(chǔ)的配筋率隨著樁基礎(chǔ)承載力的提升而提升。國內(nèi)某工程中出現(xiàn)了兩層鋼筋籠，當(dāng)聲測管安置在兩層鋼筋籠的中間時(shí)，在進(jìn)行超聲波檢測時(shí)出現(xiàn)了信號異常，信號如圖4所示。

但隨后通過取芯等手段發(fā)現(xiàn)樁基礎(chǔ)灌注質(zhì)量完好，不存在灌注不密實(shí)現(xiàn)象。產(chǎn)生原因主要是聲測管位于兩層鋼筋籠的內(nèi)容，在傳播過程中遇到介質(zhì)連續(xù)的變化，導(dǎo)致聲波檢測圖出現(xiàn)異常，且該現(xiàn)象在中鐵大橋集團(tuán)承建橋梁樁基礎(chǔ)也出現(xiàn)該現(xiàn)象[10]。因此，樁基礎(chǔ)鋼筋籠層數(shù)較多時(shí)，宜將聲測管布設(shè)在鋼筋籠最內(nèi)側(cè)。

(2)鋼筋籠的下放

圖4 聲波檢測圖

鋼筋籠下放前需對成孔質(zhì)量進(jìn)行檢測，主要檢測孔徑、孔傾斜度及孔深。對于大直徑樁基礎(chǔ)成孔質(zhì)量檢測一般采用成孔檢測儀，對于直徑較小樁基礎(chǔ)，一般制作探籠進(jìn)行鉆孔質(zhì)量檢測，保障后期鋼筋籠順利下放至設(shè)計(jì)位置。探籠長度為樁徑4倍，直徑與鋼筋籠直徑相等，如圖5所示?，F(xiàn)今探籠的下端主要是錐狀，但探籠下放至鉆孔的底端時(shí)，在自重下探籠下端錐狀會插入土體一定深度，這和后期鋼筋籠下放情況不相符，間接加深了鉆孔深度，對鋼筋籠下放有一定程度影響。因此，探籠的下端應(yīng)做成圓環(huán)型。

圖5 探籠的制作

每段鋼筋籠之間通過套筒連接，其中聲測管之間的連接采用了法蘭盤，法蘭盤外側(cè)在滿足施工要求的前提下盡量不包裹膠帶，減少超聲波在傳播過程中介質(zhì)的變化。

2.4 成樁

鋼筋籠下放完成后，對孔內(nèi)進(jìn)行二次清孔，主要改善孔內(nèi)的含砂量、PH值、膠體率及孔底沉渣。當(dāng)樁徑較大時(shí)，二次清孔中需不斷變化導(dǎo)管在孔平面的位置，從而充分的將孔底沉渣排出。

在澆筑混凝土?xí)r，首批混凝土數(shù)量應(yīng)能保證將導(dǎo)管內(nèi)的水全部壓出，并滿足導(dǎo)管首次埋置深度，因此首批混凝土必須要有足夠多的數(shù)量，關(guān)于首批混凝土最小體積的計(jì)算公式[11]:

式中:V——首批混凝土數(shù)量，m3；

d——導(dǎo)管內(nèi)徑，m；

D——樁孔直徑，m；

Hc——首批混凝土面至孔底的高度，為導(dǎo)管埋置深度和導(dǎo)管懸空高度之和，m；

h1——孔內(nèi)混凝土達(dá)到Hc時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱和導(dǎo)管外水壓平衡所需高度，m；

其計(jì)算公式為:

式中:Hw——孔內(nèi)混凝土面至孔內(nèi)水面的距離，m；

γW——泥漿重度，kN/m3；

γc——混凝土重度，kN/m3。

首批混凝土灌注開始后，后續(xù)作業(yè)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)管埋深控制在2～6 m，導(dǎo)管每次提升時(shí)，應(yīng)探測一次孔內(nèi)混凝土高度，防止導(dǎo)管埋深不夠。

3 跨水域橋梁樁基礎(chǔ)施工病害及防治措施

跨水域橋梁樁基礎(chǔ)施工中病害主要有鋼護(hù)筒下沉困難、鋼護(hù)筒下沉變形、鉆孔中產(chǎn)生偏孔、鉆頭脫落、灌注中堵管等施工病害，上述病害在大量文獻(xiàn)中對其產(chǎn)生的原因及措施均有所介紹，但對于通過哪些現(xiàn)象判斷相對應(yīng)的施工病害介紹較少。結(jié)合大量工程實(shí)踐，介紹樁基礎(chǔ)在施工中發(fā)生偏孔、堵管時(shí)一些現(xiàn)象，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。

3.1 偏孔

跨水域橋梁樁基礎(chǔ)的鉆孔機(jī)械一般有沖擊鉆和回旋鉆，沖擊鉆將鉆頭提起一定的高度后，依靠鉆頭的自由落體產(chǎn)生的速度沖擊土體表面，反復(fù)作用后消減土體厚度，后通過泥漿循環(huán)系統(tǒng)將鉆渣排出。鉆頭錘擊土體后，連接卷揚(yáng)機(jī)與鉆頭的鋼絲繩處于松弛狀態(tài)，當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)再次提升鋼絲繩時(shí)，鋼絲繩在彈性作用下向左右兩側(cè)擺動，后繃直提升鉆頭。

在實(shí)體工程中利用成孔成槽檢測儀對成孔質(zhì)量進(jìn)行檢測，并定量判斷成孔的深度、傾斜度。但在成孔過程中應(yīng)借助現(xiàn)場操作現(xiàn)象及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆孔過程中是否發(fā)生偏孔，從而及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)救措施。

鉆進(jìn)過程中未產(chǎn)生偏孔時(shí)，鋼絲繩在擺動過程的中心應(yīng)是孔心位置處。相反，當(dāng)鋼絲繩擺動中心不在孔心位置處時(shí)，此時(shí)已產(chǎn)生偏孔?；匦@通過鉆桿將動力傳遞至鉆頭，鉆進(jìn)過程中鉆桿垂直于鉆進(jìn)平臺。當(dāng)鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生偏孔時(shí)，鉆桿與鉆進(jìn)平臺將無法處于垂直相交。當(dāng)鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生偏孔時(shí)，此時(shí)立即提升鉆頭，將抗壓強(qiáng)度較低的巖石回填一定厚度，重新鉆進(jìn)。

3.2 堵管

泥漿的各項(xiàng)指標(biāo)及孔底沉渣均滿足規(guī)范要求后，開始進(jìn)行樁基礎(chǔ)混凝土的灌注。灌注過程中通過導(dǎo)管將混凝土灌注至孔內(nèi)，導(dǎo)管的末端需埋置混凝土中2～6 m，為了保障后續(xù)灌注的混凝土在導(dǎo)管末端順利的灌入，灌入的混凝土必然需要一定的沖擊力。因此，導(dǎo)管在灌注前需檢測其氣密性，保證混凝土在灌注中的沖擊力。灌注過程中夾雜空氣隨混凝土灌入至導(dǎo)管末端，但混凝土的含氣量為定值，灌入過程中多余的空氣在混凝土中產(chǎn)生氣泡上浮至混凝土表面。因此，灌注過程中混凝土表面不停的有氣泡產(chǎn)生，且通過導(dǎo)管聽到混凝土的翻滾聲，表明混凝土正常灌注。相反，灌注過程中產(chǎn)生堵管。堵管的處理方法宜根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施。

發(fā)生堵管時(shí)，通過向上提拔導(dǎo)管，但導(dǎo)管末端須埋置于混凝土中。若此方法無法解決堵管時(shí)，需根據(jù)灌注混凝土方量采取相應(yīng)措施。當(dāng)灌注時(shí)間不長、方量較少時(shí)，利用空壓機(jī)將灌注混凝土吸出孔外，重新進(jìn)下灌注。當(dāng)灌注時(shí)間較長時(shí)，宜采用接樁法。

4 結(jié)論

跨水域橋梁樁基礎(chǔ)的施工工藝已有大量的學(xué)者及工程人員進(jìn)行了探索，并發(fā)表相關(guān)文章，但相關(guān)內(nèi)容操作性不強(qiáng)，與實(shí)際工程聯(lián)系不夠緊密。本文通過相關(guān)文獻(xiàn)查閱及施工現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，對跨水域橋梁樁基礎(chǔ)施工工藝做了進(jìn)一步的研究，主要結(jié)論如下:

(1)樁基礎(chǔ)成孔質(zhì)量的檢測一般借助成孔成樁檢測儀，并進(jìn)行定量分析，但在成孔過程中，無法利用儀器檢測，實(shí)際中根據(jù)連接鉆頭的鋼絲或鉆桿擺動方向進(jìn)行判斷孔的垂直度，并及時(shí)補(bǔ)救樁孔缺陷。

(2)鋼筋籠層數(shù)多于1層時(shí)，當(dāng)把聲測管布設(shè)于最外側(cè)鋼筋籠的內(nèi)側(cè)，在進(jìn)行超聲波檢測時(shí)，由于聲波在傳播過程中介質(zhì)的變化順序?yàn)?水-鋼管-混凝土-鋼筋-混凝土-鋼筋-混凝土-鋼管-水，導(dǎo)致聲波異常，因此，當(dāng)鋼筋籠層數(shù)多于1層時(shí)，將聲測管布設(shè)于鋼筋籠的最內(nèi)側(cè)。

(3)混凝土灌注中根據(jù)孔內(nèi)混凝土表面的氣泡及混凝土翻滾的聲音，判斷灌注是否順利。當(dāng)發(fā)生堵管時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施。