大橋橋墩沖孔灌注樁設(shè)計(jì)與施工注意事項(xiàng)

楊杰

山西路橋第六工程有限公司 山西晉中 030600

在我國(guó)公路交通體系中，公路橋梁工程是一大重要構(gòu)成部分，公路橋梁工程具有很多特點(diǎn)，如建設(shè)成本大、施工技術(shù)要求高等。在我國(guó)公路橋梁工程中，橋墩是重要基礎(chǔ)，橋墩要想穩(wěn)定深入到基巖中，橋墩一定要具有較高的穩(wěn)定性與承載能力。在現(xiàn)階段中，沖孔灌注樁是一種常見(jiàn)的樁基礎(chǔ)，該樁基礎(chǔ)具有很強(qiáng)的適用性，在各種類(lèi)型的地質(zhì)環(huán)境中都是非常適用的，針對(duì)在沖擊作用下所形成的孔壁，具有多種優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，如便于操作、堅(jiān)固、成孔過(guò)程能耗低等。基于此，本文就大橋橋墩沖孔灌注樁設(shè)計(jì)與施工注意事項(xiàng)展開(kāi)了深入探討。

1 沖孔灌注樁施工技術(shù)概述

從本質(zhì)上分析，沖孔灌注樁技術(shù)是一種灌注樁技術(shù)。沖孔灌注樁指的是通過(guò)沖擊鉆機(jī)把沖錘提升至一定高度，然后借助其自由落體運(yùn)動(dòng)形成的沖擊力實(shí)現(xiàn)地基巖石的切削，逐漸地形成具有直徑、深度的孔，同時(shí)從孔內(nèi)安裝鋼筋籠以及灌注混凝土，最后形成具有良好承載力的樁體。

沖孔灌注樁存在一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，即對(duì)各種不同類(lèi)型的地質(zhì)環(huán)境具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，不但能夠?qū)︼L(fēng)化巖層、砂土、礫石、粉土、鉆土進(jìn)行有效適用，而且還能夠適用于很多復(fù)雜的水文情況與地質(zhì)情況，如地下水極為豐富、存在構(gòu)筑物或者鋼筋混凝土構(gòu)件、軟弱夾層等。另外，在對(duì)土層進(jìn)行沖擊過(guò)程能夠產(chǎn)生沖擊作用，形成比較堅(jiān)固的孔壁，在漂礫石層、卵礫石層中具有比較高的施工成孔率；該施工技術(shù)便于操作，比較容易掌握相關(guān)鉆進(jìn)參數(shù)，機(jī)械設(shè)備故障發(fā)生率比較小；針對(duì)鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的鉆渣，通過(guò)在孔內(nèi)泥漿循環(huán)作用下能夠排出到地面，同時(shí)能夠保持孔壁的穩(wěn)定性；在進(jìn)行沖進(jìn)過(guò)程中，在對(duì)鉆具進(jìn)行提升時(shí)才會(huì)需要?jiǎng)恿?，鉆具在進(jìn)行自由下落沖擊過(guò)程中，并不會(huì)對(duì)動(dòng)力造成任何消耗。在現(xiàn)階段中運(yùn)用沖孔灌注樁時(shí)，一般選用直徑在0.8m-1.5m的樁孔，最大直徑為2.5m，沖孔的深度能夠高達(dá)50m，所以在承載力與動(dòng)荷載大的公路橋梁工程中可以選用沖孔灌注樁。其中，沖孔樁機(jī)示意圖，如圖1所示。

1.1 沖孔灌注樁類(lèi)型

結(jié)合不同類(lèi)型的沖擊鉆頭，沖孔灌注樁主要包含了鉆桿式灌注樁與鋼絲繩式灌注樁。以鉆桿式?jīng)_擊鉆為例，其成孔直徑比較小，且效率低，現(xiàn)如今已經(jīng)很少采用；而鋼絲繩沖擊鉆能夠結(jié)合設(shè)計(jì)孔徑要求調(diào)整鉆頭尺寸，同時(shí)沖錘的重量處于3000kg至10000kg，適用性比較強(qiáng)，是沖孔灌注樁普遍采用的一種形式[1]。

1.2 沖孔灌注樁優(yōu)劣勢(shì)及適用性

沖孔灌注樁造成的影響比較小，而且樁長(zhǎng)與樁徑都能夠結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)定要求進(jìn)行合理調(diào)整，樁端需要插入到結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的基巖層內(nèi)，單樁具備良好的承載力。但是沖孔灌注樁的施工流程比較復(fù)雜，針對(duì)施工操作水平有著較為嚴(yán)格的要求，同時(shí)鉆孔施工階段存在安全隱患，需要一定的技術(shù)間隔時(shí)間才可以承受荷載，尤其是冬季施工受到的條件相對(duì)偏多。

沖孔灌注樁基本適用于：黏土層、砂土層、粉土層、填土層以及裂隙較為發(fā)育地層等，可以使用的范圍比較廣，樁體直徑處于600mm至2500mm之間，其中最大的沖孔深度接近是300m[2]。

1.3 樁基礎(chǔ)施工技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

第一，樁基礎(chǔ)在施工過(guò)程中常常會(huì)涉及到多變復(fù)雜的水文地質(zhì)條件與工程地質(zhì)條件、多種不同類(lèi)型的樁。在最近幾年中，隨著我國(guó)橋梁工程施工技術(shù)的不斷快速發(fā)展，樁基礎(chǔ)施工機(jī)械設(shè)備變得越來(lái)越為復(fù)雜與專(zhuān)業(yè)，相應(yīng)地，有效推動(dòng)了我國(guó)樁機(jī)施工工藝、使用用途范圍、新品種的不斷快速發(fā)展。第二，隨著我國(guó)施工技術(shù)水平的不斷提高，我國(guó)樁基礎(chǔ)施工工藝變得越來(lái)越為標(biāo)準(zhǔn)與完善，同時(shí)有效提高了我國(guó)樁基礎(chǔ)的施工質(zhì)量。第三，自從我國(guó)對(duì)施工環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、施工場(chǎng)地文明提出越來(lái)越為嚴(yán)格的要求，人們?cè)絹?lái)越重視樁基礎(chǔ)施工環(huán)境效應(yīng)消減問(wèn)題。第四，隨著我國(guó)公路橋梁工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)公路橋梁結(jié)構(gòu)的承載力提出越來(lái)越高的要求，為實(shí)現(xiàn)綠色低碳施工，施工單位的綠色環(huán)保施工理念在不斷加強(qiáng)，再加上隨著公路橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)水文條件、工程地質(zhì)條件變得越來(lái)越復(fù)雜，施工工藝需要朝著多元化方向進(jìn)行發(fā)展。

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目背景

此公路工程項(xiàng)目的全線長(zhǎng)度是28.35km，起訖樁號(hào)是K21+538--K49+888，采用的是雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)的行車(chē)速度是60km/h。該項(xiàng)目包含了一座跨河大橋，主橋結(jié)構(gòu)采用的是連續(xù)鋼構(gòu)，其上部結(jié)構(gòu)是預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁（跨徑是66m+130m+66m），大橋的長(zhǎng)度是338.5m，橋面的寬度是15.5m。通過(guò)對(duì)大橋項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況進(jìn)行勘察發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)主要表現(xiàn)是巖溶低山類(lèi)洼地，其中河谷呈現(xiàn)為V字型，河流右岸邊上石灰?guī)r表面存在較為嚴(yán)重的溶化現(xiàn)象，而且溶孔、溶溝等較為發(fā)育，地形比較陡峭；而河流左岸邊上地形平緩，河流漲水后左岸大部分都會(huì)被水淹沒(méi)?？紤]到普通旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)難以進(jìn)行溶洞的有效處理，同時(shí)洞底石灰?guī)r較為堅(jiān)硬，鉆機(jī)鉆進(jìn)施工尤為困難，所以綜合分析大橋項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及施工要求等要素，最后確定大橋橋墩施工采用沖孔灌注樁施工技術(shù)。

2.2 沖孔灌注樁設(shè)計(jì)

樁體設(shè)計(jì)。從沖孔灌注樁方面分析，其承載力基本分為巖土層側(cè)向阻力、樁體和巖層之間的嵌固力、樁體端的豎直向承載力。此項(xiàng)目中單個(gè)灌注樁的承載力R主要根據(jù)公式①進(jìn)行計(jì)算[3]。通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)大橋項(xiàng)目的橋體自重與車(chē)輛的載荷，大體估算確定的單樁承載力處于5500kN至6200kN之間。此大橋項(xiàng)目的承載結(jié)構(gòu)選擇的是沖孔灌注樁（其直徑φ=1000mm）。

公式①中：q代表的是樁體底端的單位面積阻力值；A代表的是樁體底端的橫截面積；μ代表的是樁身的周邊長(zhǎng)度；qi代表的是第i層巖土層側(cè)面的摩擦系數(shù)；li代表的是第i層的巖土厚度。

樁端下溶洞頂板厚度設(shè)計(jì)。以巖溶區(qū)樁體設(shè)計(jì)為例，通常要求樁端與溶洞頂板之間的安全厚度 d5h＞ （d代表的是樁徑）。但是考慮到大部分溶洞的發(fā)育相對(duì)偏淺，而樁體的長(zhǎng)度為了能夠符合承載力規(guī)定要求就必須進(jìn)行打穿溶洞，所以就會(huì)增加施工難度以及施工成本。此大橋項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)表現(xiàn)為巖溶性地質(zhì)，而且包含了很多小溶洞，所以在設(shè)計(jì)階段應(yīng)高度重視樁底與溶洞之間的安全距離，以免樁體底部出現(xiàn)露空現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響其承載力。此項(xiàng)目在進(jìn)行安全距離設(shè)計(jì)時(shí)選擇的是圖1厚度計(jì)算模型，結(jié)合“鋼混板沖切構(gòu)件”公式②能夠計(jì)算得出持力層厚度h[4]。通過(guò)計(jì)算確定此大橋橋墩樁體的底端與溶洞之間的安全距離處于2.5d至3.0d。

公式②中：F代表的是樁體持力層載荷；β代表的是截面高度影響系數(shù)，此項(xiàng)目中的取值是0.85；f代表的是石灰?guī)r抗拉強(qiáng)度，此項(xiàng)目中的取值是0.8MPa；d代表的是樁體直徑，此項(xiàng)目中的取值是1000mm；h代表的是持力層厚度。

2.3 注意事項(xiàng)

沖孔施工注意事項(xiàng)。成孔效果直接關(guān)系著沖孔灌注樁的施工質(zhì)量。此項(xiàng)目中沖擊成孔選擇的是泥漿護(hù)壁方式，所以在沖孔施工過(guò)程中必須注意下述幾個(gè)方面：①塌孔。若是在沖孔施工階段出現(xiàn)了塌孔現(xiàn)象，則必須及時(shí)將護(hù)筒拆除同時(shí)回填處理沖孔，然后重新埋設(shè)護(hù)筒與打孔。若是孔內(nèi)發(fā)生了坍塌，則需要查找塌孔具體位置，然后選擇“砂+黏土質(zhì)”混合料回填到塌孔部位之上約1m，并重新進(jìn)行打孔；②孔垂直度。若是沖孔垂直度未能符合設(shè)計(jì)規(guī)定要求，則需要從孔偏斜部位通過(guò)反復(fù)地提升鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)掃孔處理，一直到孔的垂直度符合規(guī)定要求。若是采用掃孔處理措施仍然不能有效解決彎孔問(wèn)題，則需要選擇“卵石+粘質(zhì)土”混合料實(shí)施回填處理，當(dāng)回填位置的密實(shí)度達(dá)標(biāo)之后，重新進(jìn)行鉆孔；③卡鉆與掉鉆。若是鉆孔施工階段發(fā)生了卡鉆現(xiàn)象，則嚴(yán)格禁止強(qiáng)行提升，首先需要對(duì)鉆頭的具體位置進(jìn)行確定，然后晃動(dòng)鋼絲繩以促進(jìn)鉆頭松動(dòng)，最后緩慢、勻速地提升鉆頭[5]。若是出現(xiàn)了掉鉆問(wèn)題，同時(shí)無(wú)護(hù)筒等相關(guān)防護(hù)措施，嚴(yán)格禁止一切施工人員入孔。在確定入孔之前，必須規(guī)范佩戴各項(xiàng)安全防護(hù)設(shè)施，通過(guò)專(zhuān)業(yè)設(shè)備對(duì)孔內(nèi)的危害氣體進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)孔內(nèi)環(huán)境符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求之后才可以進(jìn)孔查看。若是鉆孔過(guò)程中遇到了堅(jiān)硬巖石層，必須合理地減小沖擊頻率，待鉆頭達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后才能夠持續(xù)鉆進(jìn)。

混凝土灌注注意事項(xiàng)。此項(xiàng)目中混凝土灌注施工必須注意下述幾個(gè)方面：①超灌?？妆谔且l(fā)超灌現(xiàn)象的一項(xiàng)重要因素，所以需要合理地延長(zhǎng)混凝土灌注施工的間隔時(shí)間，此項(xiàng)目中混凝土灌注時(shí)間應(yīng)從40min提升至120min，并對(duì)混凝土的坍落度進(jìn)行控制與調(diào)整，從180mm減小到150mm[6]。還可以減小混凝土灌注施工速度，如果塌孔現(xiàn)象較為嚴(yán)重，則必須選擇鋼護(hù)壁進(jìn)行施工；②堵管。在混凝土灌注施工中若是發(fā)生了堵管現(xiàn)象，則應(yīng)先檢查混凝土的坍落度，可以合理地增加坍落度。確定混凝土的初凝時(shí)間，以免出現(xiàn)導(dǎo)管被埋，也可以適當(dāng)?shù)亩秳?dòng)導(dǎo)管，但是必須嚴(yán)格控制抖動(dòng)幅度，以免發(fā)生斷樁現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合大橋工程項(xiàng)目實(shí)際情況，重點(diǎn)研究了橋墩沖孔灌注樁設(shè)計(jì)及施工注意事項(xiàng)。實(shí)踐表明，采用沖孔灌注樁技術(shù)顯著提升了樁體施工質(zhì)量，其承載力完全符合設(shè)計(jì)規(guī)定要求，通過(guò)檢測(cè)橋墩無(wú)下沉現(xiàn)象，而且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，為類(lèi)似橋梁項(xiàng)目的施工提供了借鑒。