刘 峰，万 送

武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430015

桥梁钻孔灌注桩基础因具有承载力高、抗震能力强、施工便捷等优点，在桥梁设计与施工中应用广泛。工程人员如果不了解钻孔灌注桩机理、设计方法、施工工艺等，可能导致桥梁结构在运营期间出现各种病害，严重影响桥梁运营安全和使用寿命，甚至会造成严重的社会影响及经济损失。因此，研究桥梁钻孔灌注桩的设计与施工技术具有重要的工程意义。

1 项目概况

文章以武汉市二环线某高架桥梁为研究对象分析喀斯特地区桥梁桩基的设计方法。该高架桥工程全长约1850m，桥宽18m，双向四车道。桥梁上部结构采用流线型现浇预应力混凝土箱梁及钢箱梁结构，桥梁基本跨度为30m；桥墩为双圆柱式花瓶墩，每墩基础采用4根直径为1.3m的钻孔灌注桩。岩土勘察报告揭露场地下伏基岩为石灰岩，局部分布有溶洞，溶洞能见率为53%，为场地不良地质作用；石灰岩岩体强度较大，桩基础按端承桩设计。

2 桥梁钻孔灌注桩基础设计步骤

2.1 喀斯特地质处理

根据工程详勘报告，桥梁工程范围内存在溶洞且较发育。喀斯特在我国分布十分广泛，根据国内喀斯特地区工程建设经验，喀斯特是一种形态奇特、分布复杂的自然现象，宏观上虽然有发育规律，但在具体场地上，其分布和形态则是无常的，故必须事先逐桩进行施工勘察或由施工单位进行超前钻，查清喀斯特情况。

喀斯特地区桩长设计一般应根据地质情况确定，当完整基岩厚度小于3倍桩径或5m时，桩端应穿过溶洞进入下层基岩。喀斯特地区端承桩入岩深度宜浅不宜深，应优先保证基岩顶板安全厚度，基岩嵌岩最小深度可取0.5m[1]。当溶洞地板跨度较大时（＞5d，d为桩径），应进行岩土数值分析，此时不得按一般构造处理。

喀斯特地质一般可对溶洞进行预处理，常用的处理方法有注浆法、回填法，两种处治方法的加固机理、处治顺序等如表1所示。

表1 桥梁桩基溶洞处治措施对比

根据该工程实例发现，在溶洞大小、分布明确的情况下或溶洞形态较为复杂、发育丰富时，可通过钻探孔进行注浆预处理，在后期成孔过程中能起到较为积极的作用，不仅能降低掉钻、卡钻、漏浆的概率，顺利成孔，还能提高桩基承载力，确保工程质量。

2.2 桩型和持力层选择

桥梁桩基础根据受力条件不同可分为摩擦桩、端承桩等，不同的桩基受力特性和适用条件可能存在较大的差异。在选择桩基础时，首先要考虑上部结构荷载，然后结合桩基范围内的工程地质、地下水、施工条件等初步拟定桩基础的桩长和桩径等，并对桩基方案进行技术性和经济性对比，选出经济合理的桩型。

持力层是桩基础能否发挥其承载力的关键，在选择时应坚持以下原则[2]：第一，沉降变形满足规范要求；第二，尽量选择在坚硬的土层上，以减小桩基沉降，提高桩基承载力；第三，如果无坚硬土层，则要尽可能地选择压缩性低的土层。

2.3 桩基极限承载力计算

在计算桥梁钻孔灌注桩的桩基础承载力时，一般只计算桩底反力，而对嵌岩段的侧摩擦阻力不予考虑，仅将其作为安全系数储备。同时，桩基安全系数的确定应综合考虑岩体均匀性、裂隙发育情况等因素，通常取2.5～3.0，其中坚硬、裂隙少的岩体安全系数取小值，中风化或强风化、裂隙发育程度高的岩体安全系数取大值。

2.4 桩基数量确定

桩基数量n可根据其承载力计算结果来初步估算，计算式为

式中：F为桩基竖向力，kN；G为承台及承台以上土的重力，kN；R为单桩承载力，kN。

如果桩基础处于偏心受压状态，且群桩截面形心和荷载合力作用点基本重合，可按式（1）初步拟定桩基根数，然后进行桩基受力验算。如果群桩截面形心和荷载合力作用点距离相差较大，可将上述桩基数量提高10%～20%。

2.5 桩位布置

在布置桥梁钻孔灌注桩时应尽可能地确保各桩顶受力均匀，通常布置为单排桩或多排桩。单排桩适用于地质条件好、桥梁高度和跨度较小的桥梁结构；多排桩一般采用行列式、梅花式或环状排列布置，适用于地质条件一般或水平推力较大的桥梁基础。桩基平面布置形式确定之后，还要选择合适的桩间距。当桩间距较小，挤土效应和群桩效应会对桩基承载力产生一定程度的弱化。桩间距确定应综合考虑土质、成桩方法等因素，摩擦桩中心间距≥2.5d，端承桩和嵌岩桩中心间距≥2.0d。同时钻孔灌注桩间距也不宜过大，一般最大中心距不得大于6d。

2.6 钻孔灌注桩结构设计

配筋率：钻孔灌注桩正截面配筋率应控制在0.25%～0.95%（小桩径取大值，大桩径小值），并保证纵向主筋在桩身周边是均匀分布的，尽可能地减少钢筋接头数量。同时，通常使用螺旋式箍筋，如果桩基承受的水平荷载较大，箍筋应该加密处理。

保护层：结合混凝土耐久性设计要求，钻孔灌注桩的混凝土标号不低于C35，保护层厚度≥70mm。

3 桥梁钻孔灌注桩基础施工技术

桥梁桩基施工是确保项目整体进度和建设水平的关键。在类似喀斯特地区等复杂地质情况下，桩基成孔难度较大，桩基承载力也不易保证，必须严格控制桩基施工过程。

3.1 钻孔灌注桩施工流程

桥梁桩基施工主要采用的是反循环钻孔灌注桩，其施工流程主要是设置护筒→制备泥浆→钻孔→孔底清渣→放入钢筋笼→灌注混凝土→成桩检测[3]。

护筒埋设：护筒直径一般要大于桩基直径，其端部应尽可能地埋入透水性较差的黏土层，以避免地下水渗入钻孔内，影响孔内外的静水压力平衡，造成塌孔。如果黏土层距离桩顶设计标高较远，也可将护筒底埋入沙砾层中，此时应当在护筒外侧分层回填透水性差的黏土或用粉土夯压密实，并确保孔壁水压能稳定在0.02MPa以上。采用钢护筒跟进法施工时，应分段驳接振入，节段间焊接应密实、不漏水。

制备泥浆：制备护壁泥浆时胶体率不得超过95%，含砂率应小于4%，同时应当根据土层特点选择合理的泥浆比重。如果泥浆比重过大，则桩孔钻挖效率较低；如果泥浆比重过小，则泥浆难以充分发挥其钻孔护壁功能。在黏土中钻挖时，土层透水性小，泥浆比重在1.02～1.04即可。在沙砾土层钻挖，由于其透水性强，容易塌孔，需要适当提高泥浆比重，可取1.05～1.08。

钻进速度：桥梁桩基在成孔时要根据各地层岩、土特性，项目工期和进度要求等选择合适的钻孔机械，以保障工程进度。施工中应加强现场管理，严格按规范工序施工，尤其是粉质土层，要保证护壁泥浆的质量，不宜过快，以免造成塌孔。

3.2 穿越溶洞成孔施工

穿越溶洞是桥梁桩基的施工难点之一，如果施工方法选择不当，容易造成施工困难或成桩质量不合格，引发桥梁整体塌陷等事故。钻孔穿越溶洞之前，需要对桩基范围内的喀斯特发育情况进行充分调查，并准备足量的片石、泥浆等，以便漏浆时可以及时处治。如果溶洞规模大，为了提升封堵效果，可选择C20混凝土（添加速凝剂）封堵，混凝土初凝结束再钻挖。如果桩基成孔过程中发生掉钻，应立即查明原因，制订相应解决方案。

当前，喀斯特地区成孔大多采用冲击钻成孔，当钻头到达溶洞顶板以上约1m时，应减小冲程、加快冲击频率将洞顶击穿。对于表层的土洞，当顶板击穿后，应迅速提钻，避免卡钻和掉钻，同时密切注意泥浆的变化，一旦发现漏浆应迅速补水，并投入片石和黏土，进行堵漏处理。

4 结论

文章依托武汉市二环线某高架桥项目分析了钻孔灌注桩的设计方法和施工要点，主要得出以下结论：（1）桥梁桩基范围内存在不良地质时必须事先处理，以提高持力层的强度、承载力，降低施工风险；（2）钻孔灌注桩的设计内容包括桩型和持力层选择、桩基极限承载力计算、桩基数量确定、桩位布置等，设计时可留一定的安全储备；（3）喀斯特地区钻孔灌注桩的成孔难度较大，桩基承载力难以保证，必须从设置护筒、制备泥浆、钻孔、钻挖速度等方面控制施工质量及进度。