論陡坡巖橋梁樁基施工中的水磨鉆成孔技術(shù)

李陽(yáng)

摘要 某公路大橋1號(hào)墩樁基地處陡坡硬斜巖，樁基成孔施工難度大，常規(guī)鉆進(jìn)方案易偏孔且施工區(qū)域受限，實(shí)地勘察后擬定水磨鉆成孔方案?；诖耍撐膶?duì)陡坡巖橋梁樁基施工中的水磨鉆成孔技術(shù)原理、優(yōu)勢(shì)和工序進(jìn)行了分析，并依托工程實(shí)踐，應(yīng)用水磨鉆成孔技術(shù)解決樁基成孔難題，論證了陡坡硬斜巖樁基施工中該方案的可行性，為同類項(xiàng)目建設(shè)提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞 公路工程；陡坡硬斜巖；水磨鉆施工技術(shù)

中圖分類號(hào) U445.551文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）09-0063-03

0 引言

樁基成孔施工是公路橋梁項(xiàng)目建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，常規(guī)樁基成孔方案包括沖擊鉆成孔法、人工挖孔法、沖抓鉆成孔法等，成孔技術(shù)方案不同，其應(yīng)用場(chǎng)景有所差異，山區(qū)陡坡硬斜巖橋梁樁基施工難度大，常規(guī)方案難以得到有效應(yīng)用，故結(jié)合山區(qū)陡坡硬斜巖橋梁樁基施工特點(diǎn)及要求，擬選用水磨鉆成孔技術(shù)成功完成施工且解決現(xiàn)場(chǎng)問題，為同類項(xiàng)目工程施工提供了技術(shù)指南。

1 工程概況

某國(guó)道改擴(kuò)建大橋項(xiàng)目全長(zhǎng)1 km，以（87+158+87）m變截面現(xiàn)澆連續(xù)剛構(gòu)箱梁和3×30 m PC連續(xù)T梁布設(shè)橋孔，T梁主梁和主橋箱梁分別按折線與曲線走向布設(shè)。橋梁下1～2號(hào)主橋墩應(yīng)用雙支薄壁墩，3號(hào)采用空心薄壁墩，4～5號(hào)為圓柱墩，橋臺(tái)間設(shè)置U型臺(tái)連接，余者均為灌注樁。

2 橋梁基礎(chǔ)總體施工方案

該橋梁共三個(gè)河中墩，1號(hào)和3號(hào)墩位于河岸，2號(hào)墩位于河中央，擬選用筑島平臺(tái)于枯水期施工，橋墩承臺(tái)應(yīng)用明挖基坑方案，于3號(hào)墩與2號(hào)墩中間搭設(shè)墩位鋼制平臺(tái)便于施工。1號(hào)墩與2號(hào)墩間跨越河道160 m，搭設(shè)鋼棧橋難度大，利用0號(hào)平臺(tái)原有道路進(jìn)行施工道路修建延伸至1號(hào)墩，與筑島平臺(tái)協(xié)作完成施工。1號(hào)墩所在區(qū)域巖層斜面大，地質(zhì)堅(jiān)硬，常規(guī)鉆機(jī)施工鉆進(jìn)難度大。

3 1號(hào)墩施工方法選擇

3.1 橋墩設(shè)計(jì)情況

該橋梁1號(hào)墩擬設(shè)計(jì)2.2 m鉆孔灌注樁6根，標(biāo)高86.5 m，1號(hào)墩的基本地質(zhì)情況與施工指標(biāo)如表1所示。

3.2 地形地貌情況

1號(hào)墩所在區(qū)域地形陡峭，根據(jù)項(xiàng)目需求和施工特點(diǎn)，將原承臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)高提升為86.5 m，承臺(tái)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較初始值提升4 m，設(shè)計(jì)提升后，承臺(tái)頂標(biāo)高達(dá)到91 m，樁基底部標(biāo)高固定不變。設(shè)計(jì)變更后，提高了施工操作便利性，避免了雨季洪水對(duì)樁基承載力威脅，懸空承臺(tái)以混凝土填充[1]。

3.3 水文地質(zhì)情況

地質(zhì)勘探結(jié)果如圖1所示，1號(hào)墩的地質(zhì)類型為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化變粒巖，層厚約1.0 m，巖層伴裂隙發(fā)育至樁底標(biāo)高，巖芯完整且為微風(fēng)化變粒巖，單軸抗壓強(qiáng)度最大值為126 MPa，巖面傾斜角約30°，質(zhì)地堅(jiān)硬。橋墩于岸邊陡坡處，該區(qū)域巖芯無(wú)覆蓋層，表面有裂隙水少量分布，地質(zhì)結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬，巖層滲水較小[2]。

3.4 鉆孔灌注樁的適應(yīng)性分析

1號(hào)墩所在區(qū)域地形陡峭，巖石強(qiáng)度大，100 MPa以上厚度值約15 m，巖面傾斜角30°，應(yīng)用沖擊鉆或旋轉(zhuǎn)鉆，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料進(jìn)行鉆孔操作，鉆孔垂直度難以精準(zhǔn)控制。

3.5 水磨鉆的技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

水磨鉆技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)如下：

（1）目標(biāo)施工區(qū)域巖層質(zhì)地堅(jiān)硬，常規(guī)成孔方案無(wú)法適用于山區(qū)陡坡硬斜巖，施工鉆進(jìn)難度大易導(dǎo)致偏孔現(xiàn)象，擬選用水磨鉆取芯挖孔技術(shù)，有效解決操作鉆進(jìn)難與偏孔問題。

（2）常規(guī)鉆機(jī)鉆進(jìn)硬質(zhì)巖層需24 h，可鉆進(jìn)60 cm左右，用100 MPa以上鉆機(jī)可鉆進(jìn)30 cm左右，應(yīng)用水磨鉆循環(huán)鉆進(jìn)12 h可鉆進(jìn)60 cm。

（3）1號(hào)墩位于河邊陡坡，可操作空間有限，墩位處無(wú)法應(yīng)用大型鉆機(jī)設(shè)備操作，水磨鉆設(shè)備小巧，靈活性高。水磨鉆施工中噪聲小，無(wú)泥漿迸濺，環(huán)境污染小。

（4）成孔質(zhì)量佳。水磨鉆相比于傳統(tǒng)鉆孔工藝，對(duì)圍巖擾動(dòng)較小，施工成孔規(guī)范性高，圍巖結(jié)構(gòu)完整，混凝土消耗量明顯減小[3]。

3.6 水磨鉆的缺點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

（1）施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。水磨鉆施工屬于人工鉆孔領(lǐng)域，需操作人員下井作業(yè)，對(duì)技術(shù)人員的熟練度有較高要求，施工中易導(dǎo)致觸電、窒息等事故。操作中技術(shù)人員需認(rèn)真執(zhí)行施工方案，嚴(yán)格遵守操作規(guī)范，通過對(duì)操作人員的技能培訓(xùn)、安全教育和技術(shù)交底，提高管理質(zhì)量，切實(shí)保障用電安全，做好安全防護(hù)，確保施工安全[4]。

（2）水磨鉆施工造價(jià)高。本項(xiàng)目樁徑2.2 m，由于巖層質(zhì)地堅(jiān)硬，綜合評(píng)估測(cè)算結(jié)果顯示，水磨鉆成孔工藝的基本成本為每延米5 000元，而傳統(tǒng)沖擊鉆成孔方案的成本僅為每延米1 800元。結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，由于項(xiàng)目地質(zhì)條件特殊，巖層結(jié)構(gòu)質(zhì)地堅(jiān)硬，相比于控制項(xiàng)目造價(jià)，為解決施工難題并確保進(jìn)度更為關(guān)鍵。

（3）水磨鉆施工工序復(fù)雜，對(duì)人工作業(yè)要求高。水磨鉆施工需人工鉆進(jìn)，每個(gè)施工循環(huán)包括鉆孔、劈裂巖芯、解散巖芯、出渣等不同工序，每個(gè)工序施工質(zhì)量都會(huì)影響工程進(jìn)度和成孔結(jié)果。在施工過程中需嚴(yán)格執(zhí)行操作過程與技術(shù)規(guī)范，加強(qiáng)施工管理、崗位培訓(xùn)、技術(shù)交底以確保項(xiàng)目順利進(jìn)展[5]。

3.7 施工方法選定

結(jié)合該項(xiàng)目地質(zhì)地形特點(diǎn)，綜合分析實(shí)際情況，水磨鉆成孔方案在該項(xiàng)目中的適用性更強(qiáng)，故擬定水磨鉆成孔方案。

4 水磨鉆施工方法

4.1 基本原理

水磨鉆由專用水泵、水磨鉆筒和水磨鉆機(jī)組成，水磨鉆多由3～5個(gè)鉆筒組成，每個(gè)鉆筒配備7個(gè)刀頭。施工中，借助水磨鉆機(jī)鉆進(jìn)，各個(gè)鉆孔形成一個(gè)圓環(huán)，將樁芯和樁壁分離，隨后將巖芯部分分塊，并鉆出小孔，置入鋼楔子對(duì)巖石進(jìn)行錘擊，使巖石被拉裂，從而在底部出現(xiàn)剪切破裂成小塊[6]。在提升系統(tǒng)的作用下，降崩解成小塊的巖石掉出，按照分層取芯、破裂、取巖塊的工序進(jìn)行循環(huán)，并完成成孔。成孔完畢后，將鋼筋籠安裝于固定位置，隨后完成混凝土灌注工藝。水磨鉆施工工藝如圖2所示。

4.2 工序流程

水磨鉆施工工序包括鉆孔、劈裂巖芯、解散巖芯、出碴、檢孔、護(hù)壁施工等。施工過程中，上述工序反復(fù)循環(huán)直至成孔完畢，施工流程如圖3所示。

5 水磨鉆成孔方案現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

5.1 筑島

結(jié)合區(qū)域特征與項(xiàng)目需求，擬定于枯水期施工，水位高程86.5 m，承臺(tái)靠近邊坡開挖線進(jìn)行放坡，坡率按1∶0.75，噴灑混凝土保護(hù)坡面。承臺(tái)部分懸空，以混凝土填充，設(shè)定坡率1∶1，以拋石籠固定水中坡腳，將筑島平臺(tái)填筑至90 m，并嚴(yán)格按照施工工藝進(jìn)行壓實(shí)，按照承臺(tái)尺寸 11.1 m×12.7 m標(biāo)準(zhǔn)修建，每邊超出標(biāo)準(zhǔn)尺寸3 m，最終確定了承臺(tái)尺寸，滿足承臺(tái)施工的同時(shí)，與航跡線保持適中距離[7]。

5.2 水磨鉆成孔施工

5.2.1 樁位放樣

精準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量并有效控制布設(shè)指標(biāo)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工，定樁孔位置打入木樁或鐵釬，做好現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量確保樁孔中心標(biāo)準(zhǔn)偏差小于50 mm。

5.2.2 鎖口施工

鉆孔施工前需對(duì)井圈鎖口進(jìn)行澆筑，鎖扣外澆筑出支撐平臺(tái)為孔內(nèi)出渣提供操作基礎(chǔ)。應(yīng)用C20混凝土澆筑井圈鎖口，使其壁厚大于30 cm，頂面需超出操作基礎(chǔ)平面30 cm，同時(shí)確保設(shè)計(jì)軸線與井圈中心線的誤差在20 mm以內(nèi)。

5.2.3 護(hù)壁施工

鉆進(jìn)施工開挖至中風(fēng)化巖層前，采用150 mm厚內(nèi)齒護(hù)壁進(jìn)行加護(hù)，護(hù)壁施工工藝如下：鉆進(jìn)深度至1 m前，安裝Φ8型鋼筋并立模澆筑混凝土，采用C25現(xiàn)澆混凝土澆筑并控制坍落度在8～10 cm，應(yīng)用吊桶運(yùn)輸混凝土，利用鋼釬將其搗實(shí)。施工現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)檢測(cè)，確保混凝土強(qiáng)度值達(dá)標(biāo)，澆筑完畢后需保持混凝土強(qiáng)度大于2.5 MPa，隨后完成拆模[8]。

5.2.4 水磨鉆開挖

完成測(cè)量放樣后，水磨鉆機(jī)保持套筒向孔樁外壁側(cè)傾斜，使下一次操作前水磨鉆套筒起點(diǎn)位于設(shè)計(jì)孔樁邊線下，避免縮孔，確保成孔質(zhì)量，提高成孔截面尺寸精準(zhǔn)度[9]。

5.2.5 卷?yè)P(yáng)機(jī)配合料筒出渣

水磨鉆機(jī)提升系統(tǒng)操作過程中，為確保施工安全，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況控制鋼絲繩直徑，合理調(diào)整卷?yè)P(yáng)機(jī)配重與料筒裝滿最大載重量，防止施工中鋼絲繩斷裂或卷?yè)P(yáng)機(jī)傾覆。對(duì)卷?yè)P(yáng)機(jī)抗傾覆能力、鋼絲繩破斷拉力值進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，嚴(yán)格執(zhí)行施工方案，提高施工安全系數(shù)。出渣提升時(shí)，為提高操作安全性需注意以下事項(xiàng)：

（1）提升速度放緩，防止鋼絲繩左右搖擺。

（2）裝料不得超出料桶平面。

（3）對(duì)起吊設(shè)備設(shè)置限位器和防脫保險(xiǎn)銷，避免脫落。

（4）使卷?yè)P(yáng)機(jī)兩側(cè)保持平衡，將起重架牢固安裝[10]。

5.2.6 成孔檢驗(yàn)

以《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)第一冊(cè)土建工程》要求為基礎(chǔ)，對(duì)成孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制，加強(qiáng)成孔檢驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，成孔合格的標(biāo)準(zhǔn)如下：傾斜度不足0.5%，孔位中心偏差小于50 mm，孔徑、孔深滿足設(shè)計(jì)要求，孔底平整無(wú)異物。綜合檢驗(yàn)后證實(shí)，該項(xiàng)目工程水磨鉆成孔效果好，符合標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

綜上所述，沖擊鉆在陡坡硬斜巖地質(zhì)條件下不可用，受限于地質(zhì)特征與施工條件，沖擊鉆的鉆進(jìn)難度大且易偏孔，故以項(xiàng)目實(shí)際情況為基礎(chǔ)，結(jié)合施工要求，采用水磨鉆成孔工藝施工，有效解決了實(shí)際困難，為同類項(xiàng)目施工提供了技術(shù)參考。結(jié)合該施工案例可知：

（1）水磨鉆施工技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。設(shè)備小，施工靈活度高，噪聲小，對(duì)圍巖擾動(dòng)小，可應(yīng)用于陡坡硬斜巖地質(zhì)，亦可用于振動(dòng)干擾敏感度較高的項(xiàng)目如市政樁基施工或無(wú)法爆破樁基施工。

（2）水磨鉆鉆進(jìn)施工中嚴(yán)格控制每循環(huán)鉆進(jìn)量，有效控制鉆進(jìn)質(zhì)量，防止成孔傾斜。

（3）鉆進(jìn)至中風(fēng)化層前及時(shí)進(jìn)行護(hù)壁施工跟進(jìn)。

（4）加強(qiáng)鉆孔質(zhì)量檢測(cè)，及時(shí)糾正防止因偏移而影響成孔垂直度。

（5）施工需制定緊急預(yù)案，針對(duì)孔內(nèi)排水、通風(fēng)照明、井口防護(hù)等提前預(yù)防，確保施工安全性。

（6）鉆孔深度增加，配套安全措施應(yīng)跟進(jìn)，可以采用人工挖孔技術(shù)規(guī)范，進(jìn)行施工安全措施的調(diào)整。

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