莊艷偉，程永志，羅 勇

(中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016)

0 引 言

在大跨度橋梁的水中橋墩建設(shè)中，大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)被廣泛應(yīng)用。除了合理地設(shè)計(jì)建設(shè)樁基施工平臺(tái)，為水中橋墩鉆孔樁基礎(chǔ)施工提供前提條件，周祖清、丁峰 、苗國(guó)良、孫百鋒等[1-4]通過(guò)工程實(shí)例對(duì)深水平臺(tái)設(shè)計(jì)施工做了一系列研究。朱琪、劉愛(ài)林、金武、宋偉俊、于洪賓等[5-9]針對(duì)深水樁基清水法成孔做了一系列研究，在修建南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、安慶長(zhǎng)江鐵路大橋時(shí)針對(duì)深水樁基采用了KTY-4000型和RC400型鉆機(jī)氣舉反循環(huán)和KTY4000型液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)清水法成孔。

國(guó)內(nèi)目前針對(duì)在橋梁深水基礎(chǔ)施工中應(yīng)用旋挖鉆清水成孔施工技術(shù)的相關(guān)研究較少，本文結(jié)合以上學(xué)者的研究成果，并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，以安嵐高速漢江特大橋主墩施工為例，把主墩樁基成孔作為研究對(duì)象，通過(guò)方案比選，提出了旋挖鉆和氣舉反循環(huán)方法，可為同類(lèi)型樁基施工提供參考。

1 工程案例

漢江特大橋位于安康市建民鎮(zhèn)與吉河鎮(zhèn)之間的余家窯村和吉河壩村。該橋的上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。漢江特大橋主橋采用波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，橋梁全寬為12.5 m，下部采用柱式橋墩、薄壁空心墩、柱式橋臺(tái)及鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。其中左3墩、左4墩、右3墩、右4墩均為水中基礎(chǔ)，承臺(tái)尺寸為9.6 m×17.1 m×4.0 m，每個(gè)承臺(tái)下有8根直徑為2.2 m的樁基，樁長(zhǎng)分別為34 m和41 m。

2 施工特點(diǎn)

深水裸巖旋挖鉆清水樁基施工工法主要將旋挖鉆與氣舉反循環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合，使傳統(tǒng)的沖擊鉆施工方法變得更高效、更環(huán)保。配備系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)具，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新、改進(jìn)，達(dá)到降低生產(chǎn)成本、提高工作效率、保證安全、提升質(zhì)量和縮短工期的目的。

3 施工流程

3.1 平臺(tái)搭設(shè)

鋼棧橋及施工平臺(tái)專(zhuān)項(xiàng)施工方案通過(guò)專(zhuān)家論證后，采用鋼管樁、貝雷片、型鋼等搭設(shè)施工平臺(tái)，要求施工平臺(tái)安全可靠，留有充足的施工空間。

3.2 護(hù)筒安裝

護(hù)筒安裝是水中樁基施工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，安裝質(zhì)量的好壞對(duì)樁基施工質(zhì)量、進(jìn)度有著決定性的影響，安裝時(shí)重點(diǎn)要控制護(hù)筒的平面位置、垂直度及密水性。

通過(guò)測(cè)量放樣確定平面位置，平臺(tái)及下方通過(guò)井字形限位器固定護(hù)筒，保證平面位置滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

垂直度通過(guò)垂線(xiàn)及激光豎直儀控制，護(hù)筒下放前先在空中靜置一段時(shí)間，采用垂線(xiàn)法測(cè)量護(hù)筒垂直度，并通過(guò)激光豎直儀復(fù)測(cè)，確保護(hù)筒垂直度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后，在上下井字形限位器上焊接四角水平限位板，再下放護(hù)筒。

為了確保護(hù)筒的密水性滿(mǎn)足施工要求，項(xiàng)目調(diào)查研究決定采用3種方法振設(shè)護(hù)筒。

(1)直接振設(shè)。護(hù)筒接長(zhǎng)至設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，垂直度滿(mǎn)足要求后振設(shè)入巖，至護(hù)筒輕微反彈即可；不宜長(zhǎng)時(shí)間振設(shè)，防止護(hù)筒下口卷刃。振設(shè)后即可加水，水頭能保持在水面以上2 m以上即可；若不能，則采用其他方法。

(2)擴(kuò)孔復(fù)振。若水頭不能保持，則采用直徑為2.4 m、高1.0 m的鉆頭擴(kuò)孔，擴(kuò)孔至護(hù)筒底口下0.8 m處，若護(hù)筒自動(dòng)跟進(jìn)，即可繼續(xù)擴(kuò)孔，否則采用振動(dòng)錘復(fù)振保持護(hù)筒跟進(jìn)，再循環(huán)擴(kuò)孔跟進(jìn)；單次擴(kuò)孔深度不超過(guò)0.8 m，以避免護(hù)筒自動(dòng)下沉，卡住鉆頭。

(3)灌注混凝土。水頭不能保持，也可直接灌注混凝土封堵，灌注混凝土分為3種情況：一是護(hù)筒內(nèi)跟進(jìn)后灌注混凝土，即在已振設(shè)、不能保持水頭的護(hù)筒底口下1.5 m至護(hù)筒底口上1 m范圍內(nèi)灌注混凝土，灌注后等強(qiáng)3 d即可開(kāi)孔鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中先采用2.2 m錘頭鉆進(jìn)至護(hù)筒底口下2 m處，觀(guān)察水頭是否保持，若能保持，即可正常鉆進(jìn)，否則需要繼續(xù)采用其他方法處理護(hù)筒。二是護(hù)筒外灌注混凝土，即在護(hù)筒外做一個(gè)小型圍堰，清理淤泥及卵石后即可灌注混凝土封水。三是先擴(kuò)孔后安裝護(hù)筒灌注混凝土，即在護(hù)筒安裝前擴(kuò)孔，在河床上開(kāi)挖2.5 m深的基坑，將護(hù)筒吊放懸空30 cm，采用水下混凝土封底，確保護(hù)筒內(nèi)混凝土高2.5 m，護(hù)筒外不高出封底混凝土面后釋放護(hù)筒豎向約束，使其自由下落，等強(qiáng)后開(kāi)挖，確保密水性能良好。

3.3 鉆進(jìn)成孔

為了保證施工進(jìn)度及環(huán)保要求，項(xiàng)目采用旋挖鉆清水樁基施工工藝，即不造漿，利用旋挖鉆直接成孔。此工藝適用于護(hù)筒下無(wú)流沙層、無(wú)卵石層等復(fù)雜地質(zhì)。鉆孔前需要加工一個(gè)用于臨時(shí)儲(chǔ)存鉆渣的渣箱，渣箱高度不能高于旋挖鉆鉆頭的最大提升高度，一般不超過(guò)1.6 m。鉆渣放置于渣箱內(nèi)，利用挖機(jī)及拉渣車(chē)運(yùn)至指定棄渣場(chǎng)，保證不污染水源。

漢江水域近20年洪水水位與常水位相差14 m，鋼棧橋及平臺(tái)面距離河床平均為24 m左右，樁長(zhǎng)41 m，旋挖鉆鉆桿伸出較長(zhǎng)，對(duì)成孔的垂直度、進(jìn)尺速率均有影響。項(xiàng)目綜合考慮巖石強(qiáng)度、巖石裂隙角度、巖石紋理等多個(gè)因素后，采用了先小鉆后大鉆、筒鉆與齒鉆相結(jié)合的方式鉆進(jìn)，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況選用合適的鉆頭，確保施工進(jìn)度。同時(shí)安排專(zhuān)業(yè)測(cè)量工程師每天測(cè)量旋挖鉆鉆桿垂直度，旋挖鉆技術(shù)人員檢測(cè)鉆機(jī)電腦數(shù)據(jù)，當(dāng)垂直度發(fā)生偏差時(shí)采取如下措施糾偏。

(1)若小鉆偏位，可采用大鉆頭糾偏，確保成孔垂直度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

(2)若采取大鉆頭無(wú)法糾偏或垂直度超出設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，及時(shí)灌注混凝土至垂直度合格區(qū)域，等強(qiáng)后繼續(xù)鉆進(jìn)，確保施工質(zhì)量。

3.4 氣舉反循環(huán)清孔

氣舉反循環(huán)是指利用空壓機(jī)壓縮空氣，通過(guò)安裝在導(dǎo)管上的風(fēng)管送至導(dǎo)管內(nèi)與循環(huán)液體混合，在導(dǎo)管內(nèi)形成一種密度小于孔內(nèi)漿液的漿氣混合物，由于漿氣混合物的密度小于漿液的密度，因此導(dǎo)管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓帶，并在護(hù)筒內(nèi)壓力作用下使導(dǎo)管內(nèi)的混合氣液以較高的速度向上流動(dòng)，從而將孔底或巖屑連續(xù)不斷地排出護(hù)筒外，如圖1所示。帶上來(lái)的氣、液、固三相混合物經(jīng)軟管流入儲(chǔ)漿護(hù)筒內(nèi)。清孔過(guò)程中應(yīng)不斷向護(hù)筒內(nèi)加水，保持水頭穩(wěn)定，如此不斷循環(huán)清孔。該方法具有清孔速度快、工效高、清孔質(zhì)量好、泥漿排放量低、環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 氣舉反循環(huán)系統(tǒng)

成孔下放探孔器，經(jīng)監(jiān)理工程師檢驗(yàn)合格后將鉆機(jī)移至下一個(gè)樁位處作業(yè)，本樁靜置約3～5 h，待懸浮的鉆渣沉淀后采用旋挖鉆清渣。使用氣舉反循環(huán)裝置的清孔過(guò)程中必須時(shí)刻加水，保證水頭不產(chǎn)生大的變化，嚴(yán)禁不加水直接清孔，防止內(nèi)外水頭差較大產(chǎn)生塌孔、負(fù)壓帶不足等情況。

3.5 鋼筋籠安裝

鋼筋籠加工完成后，經(jīng)監(jiān)理工程師檢測(cè)合格后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，利用履帶吊及大重量鋼筋籠等設(shè)備下放鋼筋籠，如圖2所示。下放時(shí)必須檢查鋼筋籠的豎直度及直螺紋套筒連接安裝質(zhì)量，并留存工程隱蔽驗(yàn)收記錄。

圖2 鋼筋籠安裝系統(tǒng)

3.6 二次清孔

鋼筋籠安裝完成后測(cè)量孔底沉渣，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求時(shí)要采用氣舉反循環(huán)法進(jìn)行二次清孔。

3.7 混凝土灌注

清孔完畢后先安裝灌注架和初灌料斗，嚴(yán)格按照氣密性試驗(yàn)的順序安裝導(dǎo)管，并提前聯(lián)系前后場(chǎng)。做好準(zhǔn)備工作，確保施工過(guò)程的溝通順暢；由于本施工場(chǎng)地位于省道附近，車(chē)流量較大，項(xiàng)目安排專(zhuān)人配合交警維持交通秩序。為保障水中主墩樁基灌注的連續(xù)性及各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的處理效果，要求必須保證6臺(tái)罐車(chē)連續(xù)供應(yīng)，且要求灌注時(shí)間控制在白天，以免出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)不利于溝通協(xié)調(diào)。

在初灌料斗底部用卡板塞住料斗底口，初灌時(shí)采用吊車(chē)提起卡板即可。封孔裝置由專(zhuān)人負(fù)責(zé)安放及拔出。

根據(jù)施工規(guī)范要求及施工經(jīng)驗(yàn)，拆除導(dǎo)管由埋管深度和混凝土埋管時(shí)間決定，混凝土的埋管深度宜控制在2～6 m之間。拆除時(shí)應(yīng)對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行記錄，與下導(dǎo)管時(shí)的原記錄復(fù)核，確保導(dǎo)管拆除無(wú)誤；導(dǎo)管拆除后要及時(shí)清洗，以備下次使用?；炷恋膶?shí)際灌注標(biāo)高要高于設(shè)計(jì)標(biāo)高0.5～1.0 m，以保證樁頂混凝土的密實(shí)度。在灌注將近結(jié)束時(shí)，應(yīng)核對(duì)混凝土的灌入數(shù)量，確定所測(cè)混凝土的灌注標(biāo)高是否正確。

在混凝土的灌注過(guò)程中，根據(jù)規(guī)范要求制作混凝土試塊，并隨時(shí)對(duì)混凝土的和易性、坍落度進(jìn)行檢測(cè)，確保混凝土的質(zhì)量。

灌注過(guò)程中，由記錄員做好灌注記錄，同時(shí)應(yīng)組織好人力、物力，確保連續(xù)灌注。為保證鋼棧橋及施工平臺(tái)的穩(wěn)定性，要求不得出現(xiàn)2輛罐車(chē)同時(shí)停在棧橋上的情況，等待罐車(chē)須停在棧橋頭便道上，待前面的車(chē)離開(kāi)后方可行駛到灌注位置。

3.8 檢樁

灌注完成后，待強(qiáng)度滿(mǎn)足要求后及時(shí)檢樁，合格后進(jìn)入下一道工序。

4 材料與設(shè)備

樁基施工過(guò)程中采用的主要設(shè)備見(jiàn)表1。

5 效益分析

5.1 社會(huì)效益

5.1.1 水質(zhì)保護(hù)

本施工工法采用的旋挖鉆清水樁基施工技術(shù)解決了水中造漿污染水質(zhì)問(wèn)題，鉆渣均運(yùn)至批準(zhǔn)的指定棄渣場(chǎng)，未對(duì)國(guó)家一級(jí)保護(hù)水源的漢江水域造成污染。樁基采用旋挖鉆成孔，效率高，采用氣舉反循環(huán)法清孔，清渣效果好，清孔速度快。本施工工法使施工進(jìn)度、樁基質(zhì)量有很大的提升。

表1 主要設(shè)備

5.1.2 施工質(zhì)量

本工法實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化、智能化施工，有效控制了樁基施工質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，保護(hù)了當(dāng)?shù)丨h(huán)境。

5.1.3 環(huán)保分析

經(jīng)過(guò)分析可知，旋挖鉆施工比沖擊鉆施工少排放526.17 t二氧化碳，極大地保護(hù)了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。環(huán)保分析見(jiàn)表2。

表2 環(huán)保分析對(duì)比

5.2 經(jīng)濟(jì)效益

5.2.1 機(jī)械設(shè)備

采用清水樁基施工節(jié)省了造漿材料費(fèi)。水中樁基共有32根直徑為2.2 m的樁基，孔深為53 m(16根)、57 m(16根)，按照1.05的擴(kuò)孔系數(shù)，需要造漿約7 021.3 m3；施工中按照1.5倍排漿量計(jì)算，排漿量約為10 531.95 m3；需要使用膨潤(rùn)土約631.92 t，單價(jià)550元·t-1；燒堿約31.6 t，單價(jià)2 200元·t-1。采用旋挖鉆清水樁基施工后，不需購(gòu)買(mǎi)上述材料，節(jié)省了41.7萬(wàn)元。增加2套氣舉反循環(huán)裝備，租賃費(fèi)為22.2萬(wàn)元。

5.2.2 施工工期

旋挖鉆施工周期約55 d，沖擊鉆正常施工周期約70 d，每個(gè)平臺(tái)進(jìn)度超前15 d，間接節(jié)約成本70.8萬(wàn)元，見(jiàn)表3。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合項(xiàng)目實(shí)例，通過(guò)前期搜索大量的相關(guān)資料，針對(duì)深水裸巖地質(zhì)樁基施工，創(chuàng)新性地采用旋

表3 施工工期、費(fèi)用分析

挖鉆清水成孔氣舉反循環(huán)清孔的方式施工，該施工方法成功解決了深水裸巖與環(huán)保要求高共存的難題，不僅推動(dòng)和提高了水中樁基的施工技術(shù)水平，而且費(fèi)用大大縮減。下一步可以結(jié)合實(shí)際工程，針對(duì)不同地質(zhì)、不同設(shè)計(jì)要求，更加系統(tǒng)地研究旋挖鉆清水成孔以及氣舉反循環(huán)清孔。讓旋挖鉆型號(hào)、空壓機(jī)選型更加經(jīng)濟(jì)合理，使其對(duì)應(yīng)的開(kāi)挖、清孔方式形成工法，為同類(lèi)工程施工提供有價(jià)值的參考。