廖明雄

（中铁十七局集团第六工程有限公司）

水磨钻在洋门互通桩基施工中的应用

廖明雄

（中铁十七局集团第六工程有限公司）

交通事业的快速推进也带动了桥梁建设的突飞猛进，国内大量出现了大量的桥梁等桩基础结构物，它兼顾了桩基础的受力大和稳定的优点。在不追求交通便利，工程建设项目不断密集，后期工程项目建设受制于前期已建结构物影响，受干扰越来越多。减少对现有构造物的影响，采用水磨钻桩基施工减少对环境敏感区域的施工干扰是一个行之有效的应用。

水磨钻；桩基；环境敏感区域

在福建地区，结构物的桩基础多是砍岩桩，甚至有些基岩裸露或较浅。有些桩基础紧挨着施工环境敏感区（居民区、学校、对受振动爆破等较敏感的高速公路通车区域）。遇到岩层时采用传统的爆破或冲击钻，对周边的震动造成较大的影响。为了保证周边和谐的施工环境，减少对四周的振动、声音和环境的污染和安全的影响。

1　工程概况

福州绕城公路东南段A1标，洋门互通H匝道2#桥跨越现有通车的高速公路，为确保过往车辆的行车安全，避免桩基震动施工干扰高速公路行车，且桩基础基岩埋置较浅，对2#桥0#～5#墩位均采用水磨钻方法施工。遇到岩层时采用传统的爆破或冲击钻，对周边的震动造成较大的影响。采用工程水磨钻机施工可以很好地解决此类问题。该技术通过实际工程的应用实践，取得了良好质量效果和社会效益。

2　施工特点

2.1水磨钻施工桩基有其材料优势

水磨钻施工由于不需要油料、火工品、大型设备等，以及扩孔系数小，节省混凝土，且其人工与钻爆法持平，随着油料、材料成本的上涨，其受材料影响小，简单快捷，可迅速组织施工。目前水磨钻纯施工成本相对较高，在工程施工中只是局部采用。

2.2水磨钻场地适应性高

由于使用的机械设备小，对施工通道受限、作业面小、人群密集程度高更适用，不需要为钻机平整场地，不需要泥浆循环。相对于旋挖钻，对地质的适应性更好。以及对噪声、震动干扰较敏感的结构物基础有更好的适应性和更高的使用价值。

2.3水磨钻施工较环保

不破坏岩体，不对地基形成冲击，对环境影响小（主要指污水和泥浆），周边建筑物震动影响微小，更适合环保要求高的作业环境；噪声小、震动和扰动小，不受火工品供应限制等优点。

2.4水磨钻进度稳定、安全性好

由于水磨钻方法对地层扰动低，可在同一区域布置更多的作业面。由于不需要爆破，施工可以24h循环，同时不受天气和材料供应限制，易于组织施工，更适合大规模施工，对工期和成本进一步优化。

3　施工原理

3.1水磨钻方法利用岩层的特性

水磨钻是一种新型的施工工艺，与石质基岩常用的爆破开挖、冲击钻施工等桩基施工不同，水磨钻方法主要是采用电钻取芯成孔。岩石有三大特征：①抗压能力强，而抗拉和抗剪切能力很低；②岩石在大于其极限抗力能力的作用下会发生拉裂破坏；③岩石在大于其极限抗剪切力的作用下会发生剪切破坏。水钻法施工挖孔桩充分的利用了岩石的这三大力学特性。详见图1～2施工机具及成孔图。

图1　水磨钻钻机图

图2　水磨钻成孔图

3.2该主要工艺原理为

水磨钻法主要是通过水磨钻机沿桩径内钻若干个孔，孔孔相连，钻孔后取芯，待所有水磨钻钻孔连成一个环后，桩芯就和桩壁分离了，形成了桩芯的临空面，然后对剩余的桩基岩芯部分进行分块，沿圆半径取芯分块形成内部临空面。在分块的岩石上钻上一排小孔，然后在小孔内锥入钢楔子，捶击钢楔挤压岩石，使岩石同时受到铅锤面上的拉力和水平面上的剪切力作用，当挤压力大于极限抗拉力和极限抗剪切力之和时，岩石沿铅锤面被拉裂并从底部发生剪切破裂，分解成若干小块，利用卷扬机吊出孔外，取出分裂的岩块。依次按照分层取芯、破裂、取岩块的循环工序作用，最终达到成孔的目的。随后进行钢筋笼安装和混凝土浇筑。

4　施工工序技术

水磨钻钻孔桩工艺流程见图3。

图3　水磨钻钻孔桩工艺流程图

水磨钻钻孔取芯工艺流程见图4。

4.1施工准备

4.1.1准备工作

在正式施工前，把水源、电源布置到位，将施工所用的材料、小型机具运输到位，技术人员熟悉图纸，清楚地质情况、桩径、深度等相关参数，并对操作人员进行技术交底和安全交底，达到开工的条件。

图4　水磨钻钻孔取芯工艺图

4.1.2测量放线

使用全站仪进行测量定位，并根据图纸放出桩心位置，标识出桩孔的圆周线，经监理复核正确后可以开始施工。考虑到施工过程的误差以及开孔之间的残余岩石，一般钻孔桩径大于设计桩径10cm左右。

4.1.3搭设支架

正式开钻施工前，需要搭设施工支架，施工支架采用普通钢管脚手架搭设而成。施工支架高4～6m，作为施工过程中的卷扬机支撑，支架四角落在桩口外围，支架顶部用防雨布覆盖，保证雨天气可正常施工及雨水贯入孔内。支架如图5所示。

图5　支架实际图

支架搭设完成后，在支架上固定卷扬机和滑轮，接通电源，调试到正常工作状态。

4.1.4锁口浇筑

开始钻孔前，首先沿桩孔四周开挖并浇筑钢筋混凝土锁口，锁口高出原地面30cm，作为桩孔的防护结构，防止钻孔过程中杂物或明水进入桩孔。在进入岩层之前可以利用铁锹等工具人工挖除土层，并及时浇筑混凝土护壁，控制开挖进尺以保证安全。详见图6支架实际照片图。

图6　孔口锁口浇筑图

4.2水磨钻施工

4.2.1水磨钻开孔取芯

测量放样后钻机就位，固定钻机位置，保证套筒向孔桩侧壁外倾一定角度，这样在下循环才可以保证钻机就位后套筒起钻点能位于设计孔桩边线面不致造成缩孔，此措施将使桩孔呈节段倒合体，保证成孔截面尺寸。

扩底倾斜角度计算：水磨钻机高1500mm，钻筒外径为160mm；电机或支架超出钻芯前端80mm，正常钻孔时钻机倾斜角度即为（80+160/2）/1500=0.107，倾斜角度≥tan（0.107）-1= 6.107°，才能保证不缩孔。向外扩底时，钻机倾斜角度≥10°就不易固定钻机位置，tan10°=0.176，向外扩底宽度0.176×1500-（80+ 160/2）=104mm，即每500mm可向外扩100mm宽。

准备工作全部完成后，开始水磨钻钻孔取芯。水磨钻开孔沿桩孔四周进行，钻孔直径16cm，孔深50～60cm。预留出钻具的尺寸。保证循环施工时桩径不变。沿桩基孔壁布臵取芯点，取芯圆与锁口内壁相切。依次钻取外周的岩芯，取出的岩芯高约500mm，将外周岩芯取完后桩芯体岩外围便形成一个环形临空面。水磨钻钻孔施工详见图7。

图7　水磨钻钻孔施工图

4.2.2孔芯外运

水磨钻施工一边进行，一边对取出的钻芯组织外运。钻芯外运采用吊斗，卷扬机吊装吊斗运出。

图8　钻芯外运图

4.2.3桩芯打孔破碎

全部钻孔及取芯施工完成后，对剩余的桩芯进行破碎。沿桩半径钻取岩芯，直径为125cm的桩基将桩芯岩体等分成三等份，每份占桩芯岩体的1/3，以便于岩体破裂。直径为150cm的桩基可将桩芯岩体等分成四等份。

4.2.4手电钻打孔

用手电钻在桩芯岩体上钻眼，再将桩芯岩石分成六等份或八等份。

4.2.5插入钢楔、击打钢楔分裂岩石

在沿桩基径向手电钻钻出的孔内打入钢楔，用大锤锤击钢楔使岩体获得一个水平的冲击力，在水平冲击力作用下岩石沿铅锤面被拉裂，底部会发生水平剪切破裂。依次分裂岩体，直至该层桩芯岩体全部被破裂（如图9）。

图9　铁锤及钢楔图

4.2.6石块外运

破碎的石块用电锤或风镐进行破碎，保证直径在20cm以下，使用卷扬机、吊斗外运。石块清运干净后继续下一轮的钻孔取芯，破碎外运施工。

为保证井孔内人员的安全，石块外运过程中在操作面上方搭设防砸棚，防砸棚面积小于桩孔面积的一半，既能够使石块顺利外运，又要保证操作人员安全。

钻孔过程中如果有水渗漏，使用水泵排水，确保人员能够正常作业。夜间停工时，操作工具吊起至水面以上，防止工具泡水。如出现破碎岩层或裂隙，按照设计方案施工混凝土护壁即可。

图10　石块外运图

4.2.7桩孔修正及下一循环的施工

由于水磨钻钻芯后桩基孔壁成锯齿状，为保证有效桩径与设计桩径一致，要敲掉侵占桩基空间的岩石锯齿。通过锁口护桩在桩孔内标出设计桩中心，检查桩基底部偏位情况并及时纠偏，同时标出下一个循环外周水磨钻钻孔取芯位臵，进入下一循环的钻孔桩施工。

图11　桩基成孔效果图

4.2.8钢筋笼下放与混凝土浇筑

钢筋笼下放和混凝土浇筑同常规挖孔桩施工，如果桩孔内渗水较多，可采用混凝土水下灌注的方式。

4.3施工设备投入

水磨钻主要由水磨钻机、水磨钻筒和专用水泵三部分组成。一般一个水磨钻机配备3～5个水磨钻筒，一个水磨钻筒上有7个刀头。水磨钻筒外径为16cm，内径为14cm，壁厚度为1cm，高度为60cm，一个循环可钻50～60cm。专用水泵外径为12cm，高度为40cm。非常适合桩基孔底入岩施工。

表1　水磨钻机配套设备表

5　总结

本项目采用了水磨钻施工高速公路边桩基础，很好的控制了施工质量，并保证了工期，有效降低了对高速公路环境的影响，建设环保文明的施工环境，减少高速公路行车的干扰，取得了良好的效果。有其材料优势，水磨钻施工由于不需要油料、火工品，以及扩孔系数小，节省混凝土，且其人工与钻爆法持平，随着油料、材料成本的上涨，其材料优势将更加明显。

综上所述，采用水磨钻桩基础施工简易安全、质量高、工期有保障，经济效益和社会效益均十分显著，符合国家环保节能的建设理念。在桩基施工周边环境受到限制时值得推广应用。

U443.15

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1673-0038（2015）26-0287-03

2015-6-10