公路橋梁的鉆孔灌注樁設(shè)計與施工技術(shù)研究

劉志成

（衡陽公路橋梁建設(shè)有限公司，湖南 衡陽 421200）

0 引言

隨著公路工程數(shù)量的不斷增加，國民經(jīng)濟水平得到顯著提升。作為公路橋梁的常用施工技術(shù)，鉆孔灌注樁適用于各種土質(zhì)條件，可以根據(jù)工程需求制作長度、直徑均符合要求的樁體結(jié)構(gòu)，增強地基承載力，保證公路橋梁的施工質(zhì)量。以下結(jié)合工程實例對鉆孔灌注樁設(shè)計和施工技術(shù)進行深入探討。

1 公路橋梁工程概況

1.1 工程案例

某高速公路位于山嶺重丘區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜；屬于北亞熱帶氣候，年平均氣溫13.7℃，年平均降水量1 120mm。主要技術(shù)參數(shù)：路基寬度為12.75m，行車道寬度為3.75m，設(shè)計時速為80km/h。沿線共有10座橋梁，包括特大橋1 座、大橋1 座、中橋2 座、匝道橋6座；主橋位于直線段，采用連續(xù)剛構(gòu)；引橋位于城口互通立交，采用40m、30m 預(yù)制T 梁結(jié)構(gòu)。橋臺為重力式U形（肋板式）橋臺、擴大（樁）基礎(chǔ)，橋墩為柱式墩、空心墩、樁基礎(chǔ)。全橋共有247根樁基，樁長為20～30m不等。

1.2 施工特點

（1）本合同段沿線地形陡峭，便道修建難度大且成本高，與既有道路交叉較多，干擾較大，施工中安全風險較大。

（2）井字頭大橋巖質(zhì)較硬，機械成孔速度慢，影響主橋施工工期。開州岸地形陡峭，引橋基礎(chǔ)及下構(gòu)施工難度大且風險較高。

（3）T 梁預(yù)制場位于井字頭大橋引橋第13—18 跨，需要等其余結(jié)構(gòu)T梁架設(shè)完成后，才能進行該位置下構(gòu)及上構(gòu)的安裝工作，施工工期較長。

（4）預(yù)制鋼箱梁運輸受施工范圍內(nèi)便道通行條件影響，運輸難度大且風險高；單次最大吊裝重量約80t，吊裝難度大。結(jié)合現(xiàn)場條件和工程概況，橋梁樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁施工方案。

2 公路橋梁的鉆孔灌注樁設(shè)計

鉆孔灌注樁施工中，存在影響其性能的因素，其關(guān)系較為復(fù)雜。所以，應(yīng)結(jié)合工程的實際情況和特點，對鉆孔灌注樁進行科學設(shè)計，這樣既能保證設(shè)計方案的合理性，又能為后續(xù)的順利施工提供保障。具體步驟如下：

2.1 地質(zhì)處理

為保證設(shè)計方案的合理性，首要任務(wù)是了解施工現(xiàn)場的實際情況，逐樁進行勘察，或由施工單位超前鉆探，掌握工程所在地的地質(zhì)情況。如；喀斯特地區(qū)，樁長設(shè)計視地質(zhì)情況而定，若基巖厚度在5m 以內(nèi)，或小于3倍樁徑，應(yīng)將樁端經(jīng)溶洞進入下層基巖[1]。同時，端承樁入巖的深度不能過淺，也不能過深，優(yōu)先保證基巖頂板的厚度，嵌巖的最小深度以0.5m 為宜。若溶洞地板跨度大于5d，應(yīng)分析巖土數(shù)值，注意不能按照一般的構(gòu)造處理。

2.2 選擇樁型和持力層

樁基礎(chǔ)根據(jù)不同的受力條件，分為端承樁、摩擦樁等，不同樁基的適用條件、受力特性也存在差異。樁基礎(chǔ)選擇期間，應(yīng)對上部結(jié)構(gòu)荷載進行考慮，根據(jù)樁基范圍內(nèi)的施工條件、地質(zhì)狀況等初步制定樁長、樁徑等參數(shù)，從經(jīng)濟、技術(shù)等方面比對樁基方案，從中選出合適、經(jīng)濟的樁型。

持力層決定著樁基礎(chǔ)的承載力，選擇期間應(yīng)注意變形和沉降量應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求，盡量選擇堅硬土層，從而減小樁基沉降，提高承載力；若施工現(xiàn)場沒有堅硬的土層，應(yīng)選擇壓縮性能低的土層。

2.3 計算樁基極限承載力

在對樁基礎(chǔ)承載力進行計算時，通常只計算樁底的壓力，不計算嵌巖段的摩擦阻力，只將其作為安全系數(shù)的儲備。在設(shè)計樁基安全系數(shù)時，應(yīng)充分考慮裂隙發(fā)育、巖體均勻度等要素，一般取2.5～3.0，其中裂隙發(fā)育好的中強風化巖體取最大值，裂隙少且堅硬的巖體取最小值。

2.4 明確樁基數(shù)量和樁長

（1）明確樁基數(shù)量

參照承載力的計算結(jié)果，初步估算樁基數(shù)量，計算公式見式（1）：

式中：F為樁基豎向力（kN）；G為承臺及承臺以上土的重力（kN）；R為單樁承載力（kN）。

若樁基礎(chǔ)處于受壓狀態(tài)，荷載合力與截面形心的作用點重合，可以參照該公式初步擬定樁基根數(shù)，然后再驗算樁基受力。若荷載合力、截面形心的作用點差距較大，可適當增加樁基數(shù)量，一般為10%～20%。

（2）明確有效樁長

豎向荷載下，樁基礎(chǔ)產(chǎn)生兩種沉降，即為相對位移和樁土壓縮。荷載向下傳遞時，當單樁的極限承載力達到某值后，將不再上升，這個樁身的長度就是有效樁長。當灌注樁的樁長達到一定深度后，樁長不斷增加，但承載力不會提升，而是隨著樁長的增加使樁側(cè)摩阻力持續(xù)遞減，使其在某個深度看似為0。樁基滿足樁長要求后，樁身變形也不會因樁長的增加持續(xù)降低[2]。以靜力平衡條件對樁身單元（微?。┻M行分析，獲得荷載作用下的彈性壓縮。鉆孔灌注樁樁頂沉降包括樁端沉降、樁身壓縮兩個部分。

3 公路橋梁的鉆孔灌注樁施工技術(shù)

公路橋梁樁基施工是保證工程進度、施工水平的關(guān)鍵，復(fù)雜的地質(zhì)情況下，樁基成孔困難，承載力、穩(wěn)定性也無法保證，必須嚴格把控鉆孔灌注樁的施工過程。

3.1 工藝流程

鉆孔灌注樁施工工藝流程見圖2。

圖2 鉆孔灌注樁施工工藝流程

3.2 護筒埋設(shè)

鉆孔前，為保證機械設(shè)備垂直鉆進，避免塌孔情況的出現(xiàn)，應(yīng)提前埋設(shè)護筒。護筒埋設(shè)過程中，先用挖機挖好護筒坑，采用旋挖機鉆孔，結(jié)合樁位所在地的水文、地質(zhì)等情況，明確護筒的長度[3]。護筒頂部應(yīng)略高，保證內(nèi)部泥漿面高出孔外水位線。具體施工中，護筒埋深3.0m，銅護筒8mm，必要時在埋設(shè)護筒的位置挖出部分軟土，將挖出的軟土用于護筒四周的填充并夯實。施工過程中應(yīng)嚴格控制護筒的埋設(shè)誤差，一般不超過5cm。拆除護筒時，應(yīng)確保灌注樁混凝土的強度達標。

3.3 泥漿制備

鉆孔灌注樁施工過程中，通常會過度依賴泥漿。因此，應(yīng)提高對泥漿制備的關(guān)注度。結(jié)合工程的實際情況，科學配置泥漿，嚴格監(jiān)控泥漿質(zhì)量，提高泥漿的性能。重視對地質(zhì)情況的踏勘，選擇科學、合理的制備方法，保證泥漿稠度符合要求。泥漿制備過程中，優(yōu)質(zhì)黏土的塑性指數(shù)為25，粒徑小于0.074mm，黏土含量大于50%。泥漿指標應(yīng)滿足：黏土層黏度16～22Pa·s，黏土層比重 1.05～1.2，pH 值 8～10，砂層黏度 19～25s，含砂量4%～8%，膠體率大于96%。此外，為保護周圍環(huán)境，避免泥漿污染，應(yīng)在鉆井作業(yè)中合理處理廢棄泥漿，隨時將其運至廢棄區(qū)域。

3.4 鉆孔和清孔

3.4.1 鉆孔

鉆孔作業(yè)前，做好相關(guān)的準備工作，如確定鉆孔位置，準備鉆孔設(shè)備等。同時，做好試鉆處理，結(jié)合區(qū)域的實際情況，優(yōu)化調(diào)整相關(guān)器具和參數(shù)。借助試鉆的方式，獲得成孔參數(shù)，如設(shè)備的運行情況、孔底沉渣量、孔壁穩(wěn)定性等，為鉆孔施工提供可靠依據(jù)。試成孔結(jié)束后，結(jié)合參數(shù)繪制檢測（孔徑）曲線，以判斷地層參數(shù)。

該工程鉆孔深度較深，實際施工易受地質(zhì)變化的情況影響?？刹捎玫妆P穩(wěn)固設(shè)備進行鉆孔，如回旋鉆機。鉆孔操作中，注意鉆進垂直度，防止成孔出現(xiàn)偏斜。如鉆進施工遇到堅硬的巖石，可用黏土對表層進行填平處理；如鉆孔處地質(zhì)條件相對較差，可采用添加清水鉆進的方式，借助自然造漿對護壁進行處理，或用紅黏土護壁，使泥漿密度達到標準要求，即1.3t/m3。實際鉆孔中，結(jié)合土層情況適當施加壓力，逐漸恢復(fù)正常壓力；注意控制鉆進速度，根據(jù)鉆頭的性質(zhì)明確轉(zhuǎn)速，如鋼粒鉆頭100r/min，合金鉆頭180r/min。

3.4.2 清孔

鉆孔結(jié)束后清孔，防止孔內(nèi)沉渣影響樁基承載力。清孔操作的目的是增強泥漿的流動性，促使內(nèi)部砂礫、巖粒懸浮，以便帶出內(nèi)部沉渣，實現(xiàn)清孔的目標。在對沉渣厚度進行檢測時，可使用電阻、超聲波等方法。當前常用的清孔方法有氣舉反循環(huán)、泵吸反循環(huán)和正循環(huán)清孔，相比于前兩種方法，正循環(huán)清孔的施工成本最低，加之旋挖樁清孔無法一次完成，需要進行二次清孔，而且第一次清孔對沉渣厚度也沒有太高的要求[4]。二次清孔時，泥漿比重不斷降低，可控制為1.1～12。此外，確保沉渣厚度為100mm左右。使用的導(dǎo)管，盡量選擇無縫鋼管，厚度3mm，直徑300mm。多數(shù)情況下，清孔結(jié)束后的泥漿指標不能過高，如黏度16～20s，含砂率3%，待各項指標均符合設(shè)計要求后，再進行下一步操作。

3.5 制作和吊放鋼筋籠

3.5.1 鋼筋籠制作

鋼筋籠制作前，應(yīng)對鋼材質(zhì)量進行檢測，按設(shè)計要求對鋼筋的長度、直徑、數(shù)量等參數(shù)進行檢測。若鋼筋直徑在1.2m 以內(nèi)，可使用灌注樁的方式進行施工。對于直徑、長度均比較大的鋼筋籠，可在主筋內(nèi)側(cè)增加加強筋。為方便鋼筋籠的吊放施工，可以分兩節(jié)制作，四側(cè)主筋間隔不少于5m，設(shè)置耳環(huán)。為確保主筋數(shù)量達標，可按照式（1）計算：

式中：N1為搭頭的數(shù)量；N2為樁數(shù)；N3為每米鋼筋的重量；L為鋼筋長度；g為鋼筋直徑。

鋼筋籠的制作允許有偏差，但偏差不能超過規(guī)定值：主筋間距±10mm，鋼筋直徑±10mm，箍筋直徑±20mm，鋼筋籠總長±100mm，保護層厚度±10mm。

橋梁工程的鋼筋籠使用機械連接法進行拼裝，對于這種鋼筋籠，為保證質(zhì)量和性能，可在臺架上制作，精準定位。拼裝鄰近節(jié)段的鋼筋籠時，以骨架為加工模具，在主筋上標記，確保鋼筋精準對接。若鋼筋籠制作過程中，鋼筋端部不夠平整，會在預(yù)拼裝時出現(xiàn)間隙偏差，影響連接套筒的尺寸。為防止各種問題的出現(xiàn)，可以在制作直螺紋套筒時，適當延長外部長度，最大不能超過8mm，從而保證鋼筋的連接質(zhì)量。

3.5.2 鋼筋籠吊放

鋼筋籠吊放過程中，應(yīng)平穩(wěn)、緩慢吊放，嚴格控制下放垂直度和速度，避免下放擺動損壞孔壁。為保證鋼筋籠順利下放，應(yīng)在正式下放前清理孔洞，在周圍放置墊塊，方便保護孔壁；調(diào)整鋼筋籠的數(shù)量、距離，采用加固措施進行加固，增強鋼筋籠的穩(wěn)定性。若灌注樁樁徑較大，為防止下放鋼筋籠時破壞孔壁，可使用主筋下端內(nèi)彎的方式，保證下放效果；若鋼筋籠下放難度大，應(yīng)及時找尋原因，進行針對性處理，符合設(shè)計標準后再下放。

3.6 混凝土澆筑

二次清孔結(jié)束，沉渣厚度達標后，進行混凝土的澆筑施工。結(jié)合施工要求，使用C30混凝土。正式澆筑前，安排專人對坍落度進行測量，將其控制在180～220mm；確?？變?nèi)管道、孔底間距符合施工標準要求，一般不超過30cm；觀察壓力平衡閥的參數(shù)，對混凝土的需求量進行簡單預(yù)測[5]；第一批灌注的混凝土，應(yīng)保證導(dǎo)管埋設(shè)深度大于0.8m，使用導(dǎo)管之前，應(yīng)提前拼裝，同時進行水密試驗；將預(yù)先均勻攪拌的混凝土放入料斗，剪開鋼絲，在混凝土中埋入防水螺栓；做好導(dǎo)管的提升處理，防止埋管或卡管；控制混凝土的灌注速度，保障成樁質(zhì)量。

4 結(jié)語

在公路橋梁施工中運用鉆孔灌注樁施工技術(shù)，可以保證施工質(zhì)量和公路橋梁的使用壽命。本文結(jié)合某項目工程分析了鉆孔灌注樁的設(shè)計方法及施工技術(shù)要點，鉆孔灌注樁施工難度大，要保證樁基承載力，必須從護筒埋設(shè)、泥漿制備、鉆孔和清孔等方面把控施工質(zhì)量。此外，施工企業(yè)要了解原材料的采購標準，定期檢查、維修施工設(shè)備，并組織相關(guān)人員參與培訓(xùn)，從而充分發(fā)揮鉆孔灌注樁施工的技術(shù)優(yōu)勢。