臨近既有線橋梁樁基開挖施工分析

中鐵二局四分公司

摘要：臨近既有運(yùn)營(yíng)高速公路施工安全要求高、難度大、責(zé)任追究嚴(yán)厲，以往均被列為項(xiàng)目的重難點(diǎn)工程；特別是地質(zhì)條件差，距離既有運(yùn)營(yíng)公路很近的橋梁基礎(chǔ)施工更是需要嚴(yán)密的施工組織方案和精挑細(xì)選的施工技術(shù)。水磨鉆挖孔樁施工技術(shù)在臨近既有運(yùn)營(yíng)高速公路施工中發(fā)揮到了極致，有效地保證了既有高速公路結(jié)構(gòu)的安全、正常的運(yùn)營(yíng)和新建橋梁樁基礎(chǔ)的安全施工。本文以永吉高速公路臨近既有運(yùn)營(yíng)高速公路的樁基礎(chǔ)施工為例，對(duì)水磨鉆施工樁基礎(chǔ)施工應(yīng)用進(jìn)行分析、總結(jié)，對(duì)臨近既有建、構(gòu)筑物的其他工程基礎(chǔ)施工也具有很強(qiáng)的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：既有線；挖孔樁；水磨鉆

近年來(lái)隨著我國(guó)交通建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，在道路建設(shè)中與各種線路和沿線重要設(shè)施不可避免的發(fā)生交叉、互通和臨近的現(xiàn)象，制定既有結(jié)構(gòu)安全及新建結(jié)構(gòu)的的施工安全保證既有運(yùn)營(yíng)公路的正常運(yùn)行；各公路高管局對(duì)既有線安全施工制定了大量的規(guī)章制度，配備大量的人力物力進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)施工單位的既有線施工帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。水磨鉆挖孔樁技術(shù)在臨近既有線，嚴(yán)禁振動(dòng)的施工條件下，因其施工安全，投入相對(duì)較低，完全滿足既有線施工的需要，在川湘貴地區(qū)被廣泛應(yīng)用。

1 工程概況

永吉高速公路石家寨互通橋及加寬橋位于位于湖南省吉首市寨陽(yáng)鄉(xiāng)境內(nèi)，其中石家寨左線1#加寬橋、石家寨左線2#加寬橋、石家寨右線加寬橋與既有吉茶高速公路石家寨高架橋相接；莊稼坡右線加寬橋與既有吉茶高速公路莊稼坡高架橋相接；石家寨A匝道橋28#墩位于既有吉茶高速石家寨高架橋梁底，距既有吉茶高速公路梁底距離39.46m，距既有橋梁樁基水平最小凈距7.8m；除此之外，B-E匝道橋尾部墩位樁基距既有運(yùn)營(yíng)高速公路也較近。在施工過(guò)程中既要保證既有高速公路結(jié)構(gòu)安全、行車運(yùn)營(yíng)安全，又要保證施工期間工作面土體的穩(wěn)定性及新建樁基的施工安全，選擇合理樁基施工方式，即成為該工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)工作之一。

2 地質(zhì)地貌情況

依據(jù)勘察設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，擬建加寬橋橋梁區(qū)無(wú)斷層構(gòu)造，未見新結(jié)構(gòu)活動(dòng)痕跡，地層結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。橋位區(qū)巖層為單斜巖層，巖層產(chǎn)狀165°<8°，傾向與橋梁軸線呈大角度相交。

橋址區(qū)分布地層主要分布第四系全新統(tǒng)填筑土，第四系更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土，寒武系下統(tǒng)清虛洞組（∈1q）泥質(zhì)灰?guī)r。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)已施工樁基情況，地面下約2.0m為碎石土，再往下為中風(fēng)化頁(yè)巖或灰?guī)r。

3 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)

1）樁基設(shè)計(jì)孔徑分布有1.5m、1.8m、2.0m、2.2m、2.5m，孔深分布為13.33-37.13m；其中樁基最大長(zhǎng)度為33.0m（挖孔樁長(zhǎng)度37.13m），孔徑2.5m。

2）新建橋梁樁基礎(chǔ)與既有橋梁樁基礎(chǔ)的孔間凈距最小為2.31m；新建橋梁樁基礎(chǔ)底與既有橋梁樁基礎(chǔ)底高差為0.09-7.21m。

4 施工選擇分析

常見的樁基成孔方法有沖擊鉆成孔、旋轉(zhuǎn)鉆成孔、爆破成孔、靜態(tài)爆破成孔、人工風(fēng)鎬開挖成孔等。施工前組織對(duì)各種成孔方法進(jìn)行了比選，并組織參建各方及專家進(jìn)行了論證。受地形限制大型設(shè)備無(wú)法運(yùn)至墩位、受場(chǎng)地限制無(wú)法布設(shè)泥漿池等設(shè)施，更重要的是施工過(guò)程中不能有過(guò)大振動(dòng)而影響既有橋結(jié)構(gòu)，故一致認(rèn)為采用水磨鉆成孔的施工方法最適宜臨近既有運(yùn)營(yíng)高速公路樁基施工。同時(shí)與會(huì)人專家對(duì)爆破安全距離進(jìn)行驗(yàn)算，確定爆破安全距離為10m，離既有高速公路凈距大于10m的樁基可采用爆破成孔，10m范圍內(nèi)的樁基采用水磨鉆成孔。

5 水磨鉆施工技術(shù)

水磨鉆施工原理為：用鉆孔取芯機(jī)在樁孔周邊開挖線范圍鉆孔取芯，使樁孔圓周形成空心槽，再以劈裂機(jī)分解中部巖體，靠劈裂機(jī)產(chǎn)生的水平?jīng)_擊力使巖石沿劈裂面劈裂，底部巖層發(fā)生水平剪切巖石成塊，再用電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)出渣。

5.1 施工設(shè)備

1）取芯機(jī)：HZ15-A型，鉆孔直徑160mm，最大鉆孔深600mm，功率為2.5KW。水磨鉆主要有水磨鉆機(jī)、水磨鉆筒和專用水泵三部分組成。一般一個(gè)水磨鉆機(jī)配備2-3水磨鉆筒，一個(gè)水磨鉆筒上有8個(gè)刀頭。水磨鉆筒外徑為16 cm，內(nèi)徑為14 cm，壁厚度為1.2 cm，高度為62 cm，一個(gè)循環(huán)可鉆60 cm。專用水泵外徑為12 cm，高度為40 cm，非常適用于樁基孔底入巖施工。

2）水泵：Q（D）X1.5-25-0.55J，流量1.5m3/h，揚(yáng)程25米，功率0.5KW。

3）卷?yè)P(yáng)機(jī)：Y132S-4，鋼絲繩額定拉力10KN，功率5.5KW。

4）通風(fēng)機(jī)：功率1500W。

5.2施工工藝

水磨鉆施工樁基礎(chǔ)施工工藝流程見（圖4）：

圖2 水磨鉆施工工藝流程

5.3施工方法

水磨鉆進(jìn)行樁基施工，其鋼筋、混凝土等施工工藝與傳統(tǒng)施工工藝相同，此處不再贅述，本文著重介紹成孔工藝。

1）粗放臨近既有線墩臺(tái)位置點(diǎn)及原地面高程，根據(jù)位置點(diǎn)規(guī)劃施工道路、平整臨近既有線的墩臺(tái)施工場(chǎng)地，施工場(chǎng)地平面高程以設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高為準(zhǔn)。

2）精準(zhǔn)測(cè)量放樣，全站儀放出臨近既有線樁基礎(chǔ)的中心點(diǎn)并用水泥釘和紅油漆標(biāo)記，為保證下挖樁基礎(chǔ)的垂直度，需根據(jù)中心點(diǎn)外引護(hù)樁。

3）根據(jù)放樣點(diǎn)開挖臨近既有線樁基，用常規(guī)施工樁基礎(chǔ)土層及松軟石層，初始進(jìn)入風(fēng)化巖層再將鉆機(jī)就位，固定鉆機(jī)位置，保證套筒向孔樁側(cè)壁外傾一定角度，為了在下循環(huán)施工可以保證鉆機(jī)就位后套筒起鉆點(diǎn)能置于設(shè)計(jì)孔樁邊線面不致造成縮孔，此措施將使樁孔呈節(jié)段倒合體，保證成孔截面尺寸。

4）水磨鉆取芯，調(diào)整水磨鉆設(shè)備，使設(shè)備傾斜角度不小于15°，采用直徑為160mm的混凝土取芯機(jī)沿樁基設(shè)計(jì)樁徑圓周取出高約為50cm的圓柱體巖芯，形成一個(gè)圓周臨空面，再采用鉆芯機(jī)在剩余的巖石層鉆孔，然后沿易劈面巖石層按間距50cm布置孔間距，孔深為60cm，沿難劈面巖石層按間距30cm布置孔間距，孔深為40cm。然后用液壓劈裂機(jī)劈裂中部巖體，以水平?jīng)_擊力使巖石沿錘面拉裂，底部發(fā)生水平剪切破裂。布孔需保證孔距、孔深鉆鑿排孔平行，其能避免造成劈裂面凹凸不平，保證巖石層在液壓劈裂機(jī)的劈裂下迅速開裂。

5）劈裂巖石成小型塊狀裝桶采用用電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)出渣，渣樣效果圖見（圖6），桶內(nèi)裝渣高度宜比桶低10cm。

6）臨近既有線的水磨鉆樁基護(hù)壁的施工時(shí)，在既有線樁基礎(chǔ)底部上8.3m和低于既有樁基礎(chǔ)底標(biāo)高區(qū)域均需澆筑厚度50cm的加厚護(hù)壁并同時(shí)在護(hù)壁內(nèi)按間距15cm布置Φ12mm和Φ16mm的鋼筋，每節(jié)護(hù)壁鋼筋需伸入下節(jié)護(hù)壁內(nèi)5cm，其他節(jié)段只需按常規(guī)挖孔施工護(hù)壁。加厚護(hù)壁有效保證了既有運(yùn)營(yíng)橋梁安全和孔內(nèi)施工的安全，并解決了受地勢(shì)高差不均而產(chǎn)生的巨大側(cè)壓力對(duì)既有和新建樁基的質(zhì)量的問題。

7）水磨鉆施工樁基時(shí)需每施工一節(jié)段測(cè)試一次孔內(nèi)水位變化情況并檢查水磨鉆機(jī)底端的刀頭磨損情況。

8）樁基礎(chǔ)水磨鉆施工一般2根樁基配置1臺(tái)水磨鉆機(jī)，3個(gè)水磨鉆筒、1臺(tái)劈裂機(jī)、2臺(tái)電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)、渣桶以及2個(gè)水磨鉆鉆機(jī)操作工、2個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)起重工。

5.4水磨鉆施工分析控制要點(diǎn)

1）施工前要認(rèn)真分析挖孔樁處地質(zhì)鉆探資料，查明樁基礎(chǔ)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、基巖風(fēng)化層厚度、破碎程度、軟弱夾層情況和地下水的狀態(tài)，對(duì)施工中常遇到的問題應(yīng)采取相應(yīng)的解決辦法，并針對(duì)可能出現(xiàn)的問題編制可行的應(yīng)急處理措施。

2）在施工過(guò)程中一般會(huì)遇到裂隙發(fā)育、具有一定滲水的地層，要首先制定防滲措施，然后再進(jìn)行具體操作。若施工過(guò)程中遇到裂隙輕微、滲水量小的地層應(yīng)在已成形的孔壁上，以充填、滲透和擠密的形式把灌漿材料充填到縫隙中，壓力灌漿材料可選擇粉煤灰、早強(qiáng)型水泥混凝土、石灰粘土混合料等；若在施工過(guò)程中遇到裂隙發(fā)育、滲水量大的地層，應(yīng)先擴(kuò)孔后再立鋼模板，然后再澆筑孔壁混凝土。當(dāng)相鄰樁孔在澆灌混凝土?xí)r，未成孔的樁基礎(chǔ)要停止掘進(jìn).確保施工質(zhì)量和施工安全。

3）在水磨鉆進(jìn)時(shí)需連續(xù)不間斷地關(guān)注水磨鉆施工進(jìn)度及擴(kuò)孔系數(shù)的合理匹配。在施工目標(biāo)保持不變，且具備同樣的水磨鉆設(shè)備及施工條件的情況下，減少鉆機(jī)的工作總量，可以加快施工進(jìn)度，但不一定就能減小擴(kuò)孔系數(shù)，所以掌握好兩者間的合理匹配顯得尤為關(guān)鍵；為了保證孔位位置準(zhǔn)確.每下挖500mm進(jìn)行樁孔周壁的清理，校核樁孔的直徑和垂直度。

6 施工成果及對(duì)比分析

臨近既有運(yùn)營(yíng)高速公路橋梁樁基（圓孔樁基）開挖施工工藝在經(jīng)過(guò)組織專家論證后開始引入水磨鉆施工技術(shù)。項(xiàng)目部順利完成了臨近既有運(yùn)營(yíng)高速公路橋梁樁基礎(chǔ)水磨鉆的施工。在施工過(guò)程中未出現(xiàn)塌孔，無(wú)安全事故，有效的保證了在建臨近既有運(yùn)營(yíng)高速公路橋梁樁基礎(chǔ)的施工安全和既有高速公路的運(yùn)營(yíng)安全，收到了預(yù)期的效果。

6.1對(duì)比分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工控制，發(fā)現(xiàn)水磨鉆挖孔技術(shù)與常規(guī)挖孔技術(shù)具有以下幾個(gè)方面的可對(duì)比性（見表2）。

表2 弱風(fēng)化灰?guī)r下水磨鉆挖孔技術(shù)與常規(guī)挖孔技術(shù)對(duì)比分析表

序號(hào)對(duì)比項(xiàng)目施工技術(shù)種類備 注

水磨鉆技術(shù)常規(guī)不爆破挖孔技術(shù)

1進(jìn)度0.30m/d0.1m/d常規(guī)爆破挖孔技術(shù)0.6m/d

2投入挖孔設(shè)備水磨鉆+劈裂機(jī)風(fēng)鎬+空壓機(jī)

3擴(kuò)孔系數(shù)1.20，成孔規(guī)則平均1.35，成孔不規(guī)則

4周圍環(huán)境限制無(wú)限制受臨近既有線公路或居民區(qū)限制常規(guī)爆破挖孔有飛石出現(xiàn)

5噪音微小較大

6震動(dòng)微弱較大

7其他孔壁滲水量較小，不受材料限制孔壁滲水量較大，受材料限制

1）由分析可知，兩種施工技術(shù)在總體施工進(jìn)度上相差較大，常規(guī)挖孔施工附帶的問題較多，比如在施工過(guò)程造成的震動(dòng)和噪音，這是臨近既有線施工所不允許的。

2）實(shí)施上，水磨鉆施工成孔質(zhì)量易于控制，不存在欠挖現(xiàn)象，但由于沿護(hù)壁弧線方向施工，為確保施工效率，作業(yè)時(shí)需進(jìn)行超挖，超挖部分需在澆筑節(jié)段混凝土護(hù)壁，相對(duì)常規(guī)挖孔技術(shù)水磨鉆施工技術(shù)能有效控制超灌混凝土量。

3）橋址兩邊有既有運(yùn)營(yíng)公路橋梁，常規(guī)挖孔、沖擊鉆、旋挖鉆施工均會(huì)產(chǎn)生較大噪音和震動(dòng)，對(duì)環(huán)境、既有運(yùn)營(yíng)公路及附近居民會(huì)產(chǎn)生非常大的影響。采用水磨鉆挖孔施工技術(shù)后，確保了既有運(yùn)營(yíng)公路運(yùn)營(yíng)安全，且保證了臨近既有線橋梁樁基礎(chǔ)施工的順利完成。同時(shí)，由于不存在爆破安全隱患，施工安全性提高了。

7 水磨鉆施工技術(shù)的優(yōu)越性

從實(shí)施效果中可以看出，水磨鉆施工技術(shù)具有如下優(yōu)越性：

1）低噪音，擾動(dòng)小。水磨鉆施工作業(yè)發(fā)出的聲音基本上來(lái)源于鉆取巖體時(shí)設(shè)備與巖體的磨切，而其響聲有限，對(duì)附近居民的生活不會(huì)構(gòu)成太大影響。

2）不破壞巖體，增加了安全保證。水磨鉆施工技術(shù)基本上不會(huì)對(duì)巖體造成擾動(dòng)、破壞，增加了安全保證。

3）進(jìn)度較快，不受材料供應(yīng)及環(huán)境的影響。水磨鉆施工無(wú)需使用任何材料，且不受天氣及周圍環(huán)境影響，確保了施工進(jìn)度。

4）成孔質(zhì)量好，擴(kuò)孔系數(shù)可控。水磨鉆施工成孔規(guī)則，超挖欠挖控制良好，所以可大大降低混凝土的超灌幾率，減小了損失。

8 結(jié)束語(yǔ)

臨近既有線樁基礎(chǔ)施工采用水磨鉆挖孔施工技術(shù)，水磨鉆孔樁具有機(jī)具設(shè)備簡(jiǎn)單，施工操作方便，占用場(chǎng)地小，無(wú)泥漿排出，施工質(zhì)量可靠，可全面展開施工，縮短工期，造價(jià)低，與人工挖相比避免了爆破施工，不但安全可靠而且很環(huán)保。因此特別適用于臨近既有線的樁基施工，可以安全、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保地完成施工任務(wù)。

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上接第154頁(yè)

表2 一端張拉時(shí)各段鋼絞線的伸長(zhǎng)量計(jì)算表

分段x

（m）θ

（rad）kx+

μθe-（kx+μθ）起點(diǎn)力

Pq（N）終點(diǎn)力

Pz（N）Pp

（N）△L

（m）

工作

長(zhǎng)度0.560.00000.00110.9989195300.00195081.39195190.670.0039

L12.3050.00000.00460.9954195081.39194184.13194632.410.0162

L25.9340.14840.10800.8976194184.13174307.83184067.160.0394

L315.9570.00000.03190.9686174307.83168832.87171555.790.0988

L45.9340.14840.10800.8976168832.87151551.47160036.690.0343

L52.3050.00000.00460.9954151551.47150854.43151202.680.0126

所以一端張拉時(shí)鋼絞線的伸長(zhǎng)量為：

總 =0.0039+0.0162+0.0394+0.0988+0.0343+0.0126

=0.2052（m）

由兩種張拉方式計(jì)算所得鋼絞線所受力及伸長(zhǎng)量可知，采用一端張拉時(shí)，鋼絞線的受力由張拉端逐漸向固定端傳遞，在傳遞過(guò)程中由于孔道摩阻、鋼絞線的曲線布置等因素的影響，較兩端張拉時(shí)應(yīng)力損失大，并且鋼絞線的兩端受力不均勻，同樣的控制應(yīng)力下，兩端張拉較一端張拉效果更好。

5 持荷時(shí)間

在鋼絞線張拉到設(shè)計(jì)所需張拉力后，往往需要不少于2分鐘的持荷時(shí)間，因?yàn)殇摻g線在長(zhǎng)度不變而高應(yīng)力作用下，其應(yīng)力隨時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，即鋼絞線的應(yīng)力松弛，并且應(yīng)力松弛有以下特點(diǎn)：與時(shí)間有關(guān)，開始快，后期慢；張拉控制應(yīng)力越高，應(yīng)力松弛損失率，應(yīng)力松弛越大。故在持荷的2分鐘以內(nèi)部分應(yīng)力損失，也就意味著并不能真正持荷，實(shí)際表現(xiàn)為油壓表讀數(shù)略有降低，這時(shí)為將鋼絞線松弛的部分應(yīng)力損失補(bǔ)償，必須及時(shí)反復(fù)補(bǔ)壓直到壓力達(dá)到設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力為止。很多梁廠考慮超張拉來(lái)補(bǔ)償部分松弛應(yīng)力，雖然隨著張拉應(yīng)力的增大松弛損失率增大，但是扣除損失后的應(yīng)力仍然比采用設(shè)計(jì)張拉應(yīng)力時(shí)大，張拉效果較好。

6 結(jié)語(yǔ)

正確計(jì)算張拉力及油壓表讀數(shù)，是正確施加應(yīng)力的前提，而正確計(jì)算鋼絞線的伸長(zhǎng)量及規(guī)范持荷才能較好的復(fù)核及控制張拉效果是否滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，在鋼絞線的張拉中，有效地實(shí)施三控，才能及時(shí)發(fā)現(xiàn)張拉過(guò)程中的問題，才能提高張拉質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]《公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 041-2000）

作者簡(jiǎn)介：

馬國(guó)強(qiáng)，（1987-）男，天津薊縣人，民族漢，職稱：助理工程師，學(xué)歷：中南大學(xué)本科。單位：中鐵七局集團(tuán)武漢工程有限公司 湖北省 武漢市 430071。