懷陽(yáng)高速西江特大橋淺覆蓋層深嵌巖樁基施工新技術(shù)

佘明星

（廣東省長(zhǎng)大公路工程有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

對(duì)于淺覆蓋層甚至裸巖的河床地質(zhì)情況，橋梁的樁基礎(chǔ)施工平臺(tái)的設(shè)計(jì)和施工鉆進(jìn)設(shè)備的選擇與工藝的改進(jìn)，是其成功的關(guān)鍵因素[1]。根據(jù)懷陽(yáng)西江特大橋主墩樁基礎(chǔ)為研究項(xiàng)目，探討施工平臺(tái)的設(shè)計(jì)與高強(qiáng)度嵌巖樁工藝優(yōu)化研究。懷集至陽(yáng)江港高速公路懷集至郁南段項(xiàng)目位于廣東省肇慶、云浮兩市境內(nèi)，路線起自肇慶市懷集縣西側(cè)，與二廣高速公路懷集支線汕昆高速相接，終點(diǎn)位于云浮市郁南縣西側(cè)，與廣梧高速公路相接，通過(guò)與廣梧高速共線至雙鳳互通與懷陽(yáng)高速公路郁南至陽(yáng)江港段相接。西江特大橋?yàn)槿€控制性工程，位于封開(kāi)西江大橋下游約5 km，在長(zhǎng)崗鎮(zhèn)光升村西側(cè)和云浮市郁南縣古豐村東側(cè)之間跨越西江，全長(zhǎng)1 571.6 m，其中主橋跨徑布置58 m+127 m+360 m+127 m+58 m=730 m雙塔中央索面混凝土梁斜拉橋方案，采用塔梁固結(jié)結(jié)構(gòu)體系。

1 項(xiàng)目概況

西江特大橋索塔主墩21#、22#墩，樁基設(shè)計(jì)直徑均為D2.8 m嵌巖樁，樁間距5.6 m設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)30 m，每個(gè)主墩各20條，具體樁位布置見(jiàn)圖1。

圖1 主墩樁位平面示意圖（單位：cm）

西江特大橋工程特點(diǎn)：（1）主墩覆蓋層較淺，根據(jù)地質(zhì)資料和河床掃描，覆蓋層在0.7～2.5 m之間，且沖刷嚴(yán)重，施工平臺(tái)的支撐穩(wěn)定性和鋼護(hù)筒下放安裝是技術(shù)難點(diǎn)；（2）樁徑為2.8 m，且均為嵌巖樁，嵌巖深度長(zhǎng)（25 m左右），基本為中風(fēng)化變質(zhì)砂巖巖層強(qiáng)度較高（70 MPa以上），施工較大難度；（3）工期緊。西江水情復(fù)雜，洪水期與枯水期水位落差大、汛期時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)施工工序組織有較大影響，如果不能在汛期到來(lái)之前完成基礎(chǔ)工程施工，可能會(huì)造成因洪水而停工，對(duì)成孔效率的工藝選擇要求高。針對(duì)以上重難點(diǎn)，從樁基施工平臺(tái)設(shè)計(jì)、鋼護(hù)筒的制作下放和成孔工藝的選擇三個(gè)方面研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)半年的施工實(shí)踐，從2017年8月份鋼便橋平臺(tái)施工到2018年2月完成樁基施工，較以往相似工程規(guī)模極大的提高了施工效率，節(jié)省了工期，總結(jié)出一套淺覆蓋層深嵌巖樁施工研究技術(shù)。

2 施工工藝技術(shù)研究

2.1 樁基施工平臺(tái)設(shè)計(jì)

淺覆蓋層會(huì)造成平臺(tái)搭設(shè)困難、樁基護(hù)筒穿孔漏漿或涌沙，針對(duì)平臺(tái)搭設(shè)時(shí)鋼管樁不易生根，為保證便橋平臺(tái)的穩(wěn)定，支墩鋼管樁以平聯(lián)連成整體。便橋平臺(tái)以導(dǎo)向架輔助插打后連成整體，形成板框架系[2]。另外，為保證便橋能夠在水流及水面垃圾的沖擊下保持穩(wěn)定，施打前，掃描河床摸清水下地形，根據(jù)地形將鋼護(hù)筒連接成板凳形式，從覆蓋層相對(duì)較厚的區(qū)域整體下放，并且在上下游各搭設(shè)一根D100 cm鋼管樁，將其作為護(hù)筒利用沖機(jī)施工，成孔深度不少于6 m，以進(jìn)入中風(fēng)化層3 m進(jìn)行控制，水下灌注砼樁作為錨樁，與其他鋼管樁連接成整體固定。主墩樁基采用旋挖鉆機(jī)成孔，考慮2臺(tái)自重200噸旋挖鉆機(jī)施工，平臺(tái)主要分為鉆孔區(qū)平臺(tái)、輔助平臺(tái)。鉆孔平臺(tái)采用Ф820×80 mm鋼護(hù)筒+2×I36承重梁+貝雷梁的形式布設(shè)，貝雷片采用四榀一組，貝雷梁上間隔75 cm鋪I36工字鋼作為分布梁，其上鋪設(shè)I12.6+8 mm厚花紋板作為面板；輔助平臺(tái)采用“Ф820×80 mm鋼管樁+2×I56承重梁+貝雷梁”的形式布設(shè)，貝雷片采用三榀一組，貝雷梁上鋪I25分布梁和I12.6+8 mm厚花紋板。在主墩棧橋平臺(tái)設(shè)計(jì)方面，采用打樁船施打鋼管樁，貝雷梁、橋面采用預(yù)制梁板，既降低了施工成本，又保證了施工的安全與質(zhì)量，加快了施工進(jìn)度。板凳及樁基鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 板凳錨樁和樁基鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)

2.2 樁基鋼護(hù)筒的下放

由于覆蓋層較淺，直接振設(shè)樁基鋼護(hù)筒無(wú)法固定，采用在3.1 m樁基護(hù)筒外套接一條直徑3.4 m鋼護(hù)筒用于定位旋挖鉆掏槽施工，下放鋼護(hù)筒導(dǎo)向架作為鋼護(hù)筒下放的導(dǎo)向定位，并在導(dǎo)向架四周加焊限位進(jìn)行精準(zhǔn)定位。初次安裝時(shí)，利用90 t履帶吊配合DZJ250型打樁錘振動(dòng)下沉。振設(shè)完畢后，采用型鋼或螺旋焊管焊接固定于平臺(tái)鋼管樁上，以確保旋挖鉆進(jìn)行掏槽施工時(shí)能準(zhǔn)確鉆孔。

（1）旋挖鉆掏槽施工：在完成外套3.4 m鋼護(hù)筒施工后，利用旋挖鉆安裝特制鉆頭進(jìn)行掏槽施工，槽半徑為3.16 m，基坑進(jìn)入中風(fēng)化層2 m后，利用外套護(hù)筒作為下放導(dǎo)向架繼續(xù)下放3.1 m鋼護(hù)筒，當(dāng)護(hù)筒下放至預(yù)先掏槽的基坑后下放完畢，臨時(shí)固定于外套鋼護(hù)筒上。

（2）樁基鋼護(hù)筒施工：完成掏槽施工后，在外套3.4 m鋼護(hù)筒頂部焊接固定“口”字形固定架，用于定位樁基護(hù)筒平面位置，安裝完畢后下放樁基護(hù)筒，樁基護(hù)筒下放開(kāi)始采用設(shè)計(jì)導(dǎo)向架下放，至3.4 m護(hù)筒口后繼續(xù)下放利用外套護(hù)筒作為下放導(dǎo)向架，護(hù)筒的制作及下放都需嚴(yán)格控制精度，當(dāng)護(hù)筒下放至預(yù)先掏槽的基坑后下放完畢，臨時(shí)固定于外套鋼護(hù)筒上。完成后拆除外套鋼護(hù)筒并周轉(zhuǎn)循環(huán)至下一個(gè)樁基使用，護(hù)筒下放完畢后平臺(tái)鋼管樁與樁基鋼護(hù)筒采用Φ325螺旋焊管固定。護(hù)筒安裝以承臺(tái)四個(gè)角點(diǎn)優(yōu)先安裝為原則，完成2個(gè)護(hù)筒安裝及加固后立即組織另外兩臺(tái)旋挖鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)，開(kāi)始樁基施工。

2.3 成孔工藝研究

根據(jù)西江特大橋地質(zhì)分析，其所體現(xiàn)為覆蓋層極薄，樁身基本為中風(fēng)化變質(zhì)砂巖，青灰色，巖石呈中等風(fēng)化，巖石新鮮，裂隙較發(fā)育，巖芯多呈塊狀、短柱狀為主，少量碎塊狀，抗壓強(qiáng)度（70～129.5 MP）。

假如采用沖擊鉆成孔，對(duì)于高強(qiáng)度中風(fēng)化變質(zhì)砂巖進(jìn)尺及其緩慢，錘頭機(jī)身、鋼絲繩等構(gòu)件極其容易損壞，不可控因素過(guò)多。

通過(guò)研究對(duì)比國(guó)內(nèi)外最新樁基礎(chǔ)施工工藝和機(jī)械裝備，采用旋挖鉆成孔，其施工工藝主要為逐級(jí)擴(kuò)孔取芯施工，對(duì)于高強(qiáng)度巖層成孔施工通過(guò)岸上試樁進(jìn)行驗(yàn)證可行，單樁成孔4 d左右，中風(fēng)化進(jìn)尺單次50 cm/h，約為沖機(jī)鉆機(jī)4倍工效。

單個(gè)主墩樁基分別采用2臺(tái)徐工XR550旋挖鉆機(jī)成孔，最大輸出扭矩520 kN·m，最大加壓力440 kN，鉆機(jī)工作重量198 kN。2.8 m樁徑采用1.5 m、2.0 m、2.5 m、2.8 m四種直徑鉆頭逐一擴(kuò)鉆而成。

當(dāng)鉆機(jī)就位準(zhǔn)確即開(kāi)始鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時(shí)每次進(jìn)尺控制在50 cm左右，剛開(kāi)始要放慢旋挖速度，并注意放斗要穩(wěn),提斗要慢，特別是在孔口5～8 m段旋挖過(guò)程中要注意通過(guò)控制盤(pán)來(lái)監(jiān)控垂直度,如有偏差及時(shí)進(jìn)行糾正[3]。

在鉆孔過(guò)程中，根據(jù)全標(biāo)段的地質(zhì)情況，采用筒鉆鉆頭鉆孔。筒鉆性能簡(jiǎn)介：整體結(jié)構(gòu)與挖土鉆頭基本一樣，只是底部沒(méi)有封口。主要用于施工孔內(nèi)的兩層膠結(jié)巖層，該巖層整體性好，強(qiáng)度大，利用筒鉆的剪壓作用，破壞巖層的整體性，從而達(dá)到進(jìn)尺的目的。根據(jù)主橋地質(zhì)情況，鉆進(jìn)上方覆蓋層時(shí)使用直徑2.8 m截齒撈砂鉆斗一次鉆進(jìn)，鉆入中風(fēng)化砂巖層后，為提高鉆孔效率，則采用分級(jí)鉆進(jìn)工藝，具體分級(jí)工藝采用逐級(jí)擴(kuò)孔工藝，根據(jù)本工程的地質(zhì)特性，分四級(jí)進(jìn)行擴(kuò)孔施工。逐級(jí)擴(kuò)孔工藝采用1.5 m牙輪筒鉆取芯，之后采用2.0 m及2.5 m牙輪筒鉆進(jìn)行擴(kuò)孔，最后以2.8 m牙輪筒鉆實(shí)現(xiàn)最終擴(kuò)孔。

（1）覆蓋層采用Φ2.8雙底雙開(kāi)截齒撈砂斗鉆進(jìn)清渣至中風(fēng)化層。

（2）軟硬層交界面采用導(dǎo)正器+Φ1.5牙輪鉆頭，鉆進(jìn) 1.2～1.5 m。

（3）中風(fēng)化層第一級(jí)鉆進(jìn)先采用Φ1.5牙輪齒筒鉆鉆進(jìn)，待鉆內(nèi)巖滿(mǎn)時(shí)更換Φ1.5截齒取芯鉆頭將巖芯掰斷。主要原理是利用鉆頭內(nèi)設(shè)置螺旋漲塞對(duì)巖芯產(chǎn)生的水平力和漲塞將巖芯抓緊通過(guò)鉆機(jī)鉆桿傳遞的扭矩共同作用。巖芯掰斷后利用鉆頭與巖芯摩阻力將巖柱取出，循環(huán)往復(fù)，直至將巖石鉆成直徑Φ1.5 m的小孔。

（4）擴(kuò)孔：第一步：更換上Φ2.0 m牙輪齒，下1.5 m導(dǎo)正鉆鉆進(jìn)到孔底，換用Φ1.5 m雙底雙開(kāi)截齒撈砂斗掃孔清渣。擴(kuò)孔情況見(jiàn)圖3。

第二步：截齒取芯鉆頭掰斷巖芯，將巖芯取出，截齒筒鉆環(huán)切鉆頭內(nèi)部漲塞取出巖柱，取巖芯見(jiàn)圖4。

第三步：更換上Φ2.5 m牙輪齒，下2.0 m導(dǎo)正鉆鉆進(jìn)到孔底，再用Φ2.0 m牙輪齒筒鉆鉆進(jìn)到底后換用Φ2.0 m雙底雙開(kāi)截齒撈砂斗掃孔清渣。

第四步：更換上Φ2.8 m牙輪齒，下2.5 m導(dǎo)正鉆鉆進(jìn)到孔底，再用Φ2.5 m牙輪齒筒鉆鉆進(jìn)到底后換用Φ2.5 m雙底雙開(kāi)截齒撈砂斗掃孔清渣。

第五步：更換Φ2.8 m牙輪齒筒鉆鉆進(jìn)到孔底，換用Φ2.8 m雙底雙開(kāi)截齒撈砂斗掃孔清渣，成孔。

旋挖鉆機(jī)在鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制鉆斗的升降速度；根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》要求，鉆斗的升降速度宜控制在0.75～0.80 m/s；同時(shí)，做好整個(gè)過(guò)程中的鉆進(jìn)記錄，隨時(shí)根據(jù)不同地質(zhì)情況調(diào)整泥漿指標(biāo)和旋挖速度。

2.4 安全、質(zhì)量、功效分析

安全、質(zhì)量、功效分析見(jiàn)表1。

圖3 擴(kuò)孔

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于懷陽(yáng)高速西江特大橋主墩旋挖鉆機(jī)盡管一次投入費(fèi)用較大，但成孔費(fèi)用消耗、工期進(jìn)度等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比其他方法成孔費(fèi)用低，是一種理想的施工工藝，同其它工藝相比綜合考慮是降低了成本，特別是工期成本。從目前看，對(duì)于嵌巖長(zhǎng)度深、巖石強(qiáng)度高，有著相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可以在同類(lèi)工程項(xiàng)目中進(jìn)行推廣應(yīng)用[5]。

圖4 取巖芯

表1 安全、質(zhì)量、功效分析比較