黄瑞珊

（广东省建筑工程机械施工有限公司 广州 510500）

1 工程概况［1］

1.1 路花水库大桥

路花水库大桥桥梁跨越贺州姑婆山里松河，为非通航河流，新的路花水库建成后，桥梁跨越河段变成水库蓄水区。桥位两岸地面坡度较陡，0#桥台处地面坡度35°～45°，6#桥台处地面坡度30°～40°。桥位区地形起伏较大，地面标高约415～492 m，两岸为山地，河岸边植被茂密，主要为松树，未见滑坡、崩塌等不良地质现象，自然岸坡稳定性较好。两岸山地覆盖层较薄，部分可见风化岩石裸露。桥位处河道较为平顺，河底多为漂石，河床多处岩石裸露，河水涨落明显，测量时最大水深4.6 m。施工期间旱季水流较小，雨季经常山洪暴发（桥位地形地貌如图1所示）。

图1 路花水库大桥桥位地形地貌Fig.1 The Landform of Luhua Reservoir Bridge Site

桥墩基础采用桩基础，按嵌岩桩设计，嵌岩深度2.5D，以中风化花岗岩作为桩基持力层。4根直径1.5 m的桩基，桩长22.3 m；4根直径2.2 m的桩基，桩长22.0 m；2 根直径2.5 m 的桩基，桩长30.0 m；4 根直径2.8 m 的桩基，桩长30.0 m。

1.2 十八水中桥

十八水中桥跨越十八水景区漂流河，桥头、桥尾地貌差别较大，桥头为山地，山地的地形地貌与路花水库大桥类似；桥尾地势较平，无植被，河岸为人工砌石。河流平时水流较小，雨季经常山洪暴发。

桥墩基础采用桩基础，按嵌岩桩设计，嵌岩深度2.5D，以中风化花岗岩作为桩基持力层。6根直径1.5 m的桩基，桩长14.0～19.0 m。

2 工程地质条件［2］

地质构造：路线项目影响区域地层分布广泛，有寒武系、泥盆系、石炭系、上二迭统、下侏罗统、白垩系、下第三系和第四系等。区内分布有加里东期、印支期及中生代侵入岩，其中以中生代规模最大，岩性为花岗岩、花岗闪长岩、石英闪长岩等，伴有各种岩脉发育。根据勘察单位出具的《工程地质勘察报告》，各岩土层工程地质基本特征由上至下分述如下：

2.1 覆盖层

①层第四系沖洪积层卵石：粒径一般3.0～10.0 cm，母岩成分为花岗岩，厚度0.5 m。

②层第四系残积层砂质粘性土：粒径0.5～2.0 mm，厚度1.80～4.50 m。

2.2 基岩

③层全风化花岗岩：风化剧烈，风化残留物为石英、云母，厚度0.5～5.3 m。

④层强风化花岗岩：碎块状、粗粒结构，节理裂隙很发育，机械破碎很严重，厚度为5.3～12.2 m。

⑤层中风化花岗岩：块状、粗粒结构，节理裂隙很发育，机械破碎较严重，厚度为5.2～22.1 m。

岩石饱和单轴抗压试验成果显示最大值为129.00 MPa，最小值为51.70 MPa，平均值为81.00 MPa。

3 施工难点和重点分析

该工程桩基桩径大、孔较深，施工场地狭窄，山坡陡峭，地表覆盖层浅，中风化花岗岩强度高，桩端嵌岩深度大，受桩长需要满足最小桩长条件的限制，部分桩基实际的嵌岩深度大于2.5D，这种综合条件下，桩基成孔难度很大，项目开工前进行了试成孔，采用冲击钻钻进工艺，30 d 时间仅仅进尺8.0 m，桩基成孔是整个项目施工的难点。

两桥桩基成孔工程数量按施工图设计计算为1 695 m3，两桥桩基础成孔造价占姑婆山路花水库复建公路工程整个项目总造价的2.2%，虽然占比很小，但对整个项目起到制约作用，本项目的总工期是720 d，成孔施工方法选择是否科学，桩基成孔是否顺利，将决定整个项目的总体施工进度，施工投入过大又将影响整个项目的施工利润，所以桩基成孔是整个项目施工的重点。

4 同地域类似地质桩基施工方案

该地域某项目在相类似地质条件下，其桥梁桩基施工实施的专项施工方案为单一的冲击钻机钻进成孔。

按此方案，该项目投入3 台冲孔桩机，于2017 年2 月21 日开钻，2 台施工山坡上的桩基，1 台施工山（河）谷的桩基。冲孔穿过表层1～3 m 左右的砂质粘性土和全风化花岗岩层后进入强风化花岗岩层，钻进速度十分缓慢，正常作业进尺速度为100 cm/d，实际7 d 进尺300 cm；进入中风化层后，钻进速度更加缓慢，正常作业进尺速度50 cm/d，实际7 d 进尺75 cm，主要是冲锤磨损非常严重，将近70%的时间用于焊修钻锤。施工事故频发，卡钻、缩孔时有发生。施工中检查发现1 根桩基缩孔比较严重，处理该缩孔事故所费时间长达3 个月之久。雨季经常性暴发山洪，淹没桩机，造成很大的经济损失，处于山（河）谷中的1根桩基施工历时16 个月，直到2018 年6 月28 日终孔，日均进尺6.3 cm，换算成体积为0.38 m3/d。可见这种高强度花岗岩地质条件下采用单一的冲击钻机冲孔施工，其效率极为低下，施工成本极为高昂。

5 本项目桩基成孔方法的选择及施工方案优化

为解决高强度花岗岩地质大直径桩基施工成孔进度十分缓慢和施工成本较大的问题，参照以往其它类似桩基成孔经验（包括成功的和失败的），根据本项目路花水库淹没区复建公路工程桥梁《工程地质勘察报告》及施工现场的实际情况，对桩基成孔方法进行现场成孔试验，然后进行比选、优化、确定。

5.1 方案1：冲击钻机钻进成孔

选择冲击钻机钻进成孔，并增加冲锤，1台机配置3 个冲锤、3 个电焊工，焊工专职负责焊锤、维修机械。在地势平坦的桩位选择1根直径1.5 m、桩长22.3 m 的桩基试验钻进，由于地表覆盖层小，一开孔就基本是强风化花岗岩。实行三班倒轮班制，每天24 h连续施工作业，1 台机进尺速度为75 cm/d，理论上30 d 可以完成这根桩基的成孔。但受自然条件制约，经常性山洪暴发，钻孔作业30 d 仅仅进尺8.0 m。对已经成孔8.0 m 的部分，将桩孔中泥浆抽干，观察孔壁状况，分析岩层情况，从孔口到孔底孔壁十分光滑，岩石坚硬、致密，这种良好的孔壁，如果是人工挖孔施工可无需采用护壁防护措施。

试验中虽然增加了冲击钻机设备的配置，但钻进速度仍然比较缓慢，除自然因素影响外，施工中焊修冲锤的费用非常大，施工成本高，此方案高投入低产出，不利于施工成本控制，不宜作为主要的施工方法。

5.2 方案2：人工挖孔（静态爆破）结合冲击钻机综合法

随着科学技术的进步和社会生产力的发展，现今超过16.0 m 深度的桩基一般不宜采用人工挖孔，超过16.0 m 深度的人工挖孔属于“超过一定规模的危险性较大的分部分项工程”，其专项施工方案需要通过专家论证评审［3］，现实中专家从安全角度出发，一般都会建议超过16.0 m 深度的不宜采用人工挖孔。所以初步拟定：桩基深度超过16.0 m 的，16.0 m 以上部分采用人工挖孔（静态爆破）施工方法，桩基深度16.0 m以下部分换用冲击钻孔，直至终孔，以人工挖孔（静态爆破）和冲击钻孔2 种方法相组合。如果满足桩基设计终孔条件，尽可能提前终孔。

经试验挖孔，由于在有限空间作业，一是岩石的临空面有限，不能创造较多的自由面，每批次施爆方量小，工作效率不高；二是岩石节理裂隙很发育，岩石的分裂方向、分裂形状不好控制，成孔的孔形不佳，难以满足《公路工程质量检验评定标准：JTG F80/1—2004》要求；三是地下水丰富，无法保证炮孔中无水，炮孔中如有水，要将静态破碎剂装入塑料袋进行保护［4］，施工要求高，工序很繁琐。这样仍然不能很好地解决成孔进度缓慢和施工成本较大的问题。

5.3 方案3：人工挖孔（水磨钻）结合冲击钻机综合法

桩基深度超过16.0 m 的，16.0 m 以上部分采用人工挖孔（水磨钻）施工方法，桩基深度16.0 m 以下部分换用冲击钻孔，直至终孔，以人工挖孔（水磨钻）和冲击钻孔2 种方法相结合。如果满足桩基设计终孔条件，尽可能提前终孔。

经过试验挖孔，1 个班组配备1 台水磨钻机和3 位工人，平均进尺速度20 cm/d，10 个班组就可进尺2 m/d，相对施工投入来说进尺速度比冲击钻进要快，这样投入与产出、进度与成本是项目可以承受的。所以人工挖孔（水磨钻）相对来说机具设备简单，施工操作方便，占用场地小，施工成本低、施工进度快，能够有效地控制施工质量与安全，产生的渣土可以直接用作路基填料，无泥浆污染，环保清洁施工。

综合上述3个方案的试验和比较，决定采取人工挖孔（水磨钻）结合冲击钻机综合法成孔，简称为综合成孔。

6 综合成孔施工步骤

综合成孔施工主要分2 步：①对桩基深度16.0 m以上部分采用人工挖孔（水磨钻）施工方法成孔，达到终孔条件的直接终孔；②人工挖孔（水磨钻）施工至16.0 m 后换用冲孔钻机施工16.0 m 以下部分桩基，直至终孔［5］。

6.1 综合成孔方案的施工组织

水磨钻施工3 人一班组，每天作业10 h，直径1.5 m 的桩基每3 d 可完成一循环的钻进，即3 d 进尺60 cm（20 cm/d），80 d 成孔深度可达16.0 m，如果实行轮班工作制，成孔速度会更快。可以安排1 个班组施工1根桩基，平行作业，多个作业面同时施工。

以人工挖孔（水磨钻）施工方法为主，冲击钻孔为辅助。路花水库大桥组织4 个水磨钻班组，配备1 台钻孔桩机配合施工；十八水中桥共6根桩基，安排6个班组，1 个班组负责施工1 根桩基，配备1 台冲击钻桩机配合施工。

6.2 人工挖孔（水磨钻）成孔

6.2.1 水磨钻介绍及工艺原理

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

水磨钻法主要是通过水磨钻机沿桩径内沿钻若干个孔，孔孔相连，钻孔后取芯，待所有水磨钻钻孔连成一个环后，桩芯即和桩壁分离，形成了桩芯的临空面，然后对桩芯部分进行分块，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业，最终达到成孔的目的，随后进行桩基施工的后续工序［9-11］。

6.2.2 水磨钻开孔取芯

开孔前用钢筋制作1个圆圈，作为开孔的模具，水磨钻沿圆圈外围边沿开孔，以保证成孔截面尺寸，圆圈的半径为计算扩孔系数后桩基半径与水磨钻筒外径之差。

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，套筒起钻点能置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。

水磨钻开孔沿桩孔四周进行，钻孔时向井孔外侧倾斜约3°，预留出钻具的尺寸。保证循环施工时桩径不变。沿桩基孔壁布置取芯点，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500～600 mm，将外周岩芯取完后桩芯岩体外围便形成一个环形临空面，分解桩芯岩体，外运岩渣［6-8］。

人工挖孔（水磨钻）施工按人工挖孔桩施工技术规范作业，松散土质部位要做护壁防护措施，施工中要防坠落，注意排水，小心用电安全，要制定安全措施，并要经常检查和落实；对成孔孔形要经常检查，满足《公路桥涵施工技术规范：JTG/T F50—2011》要求，便于下步冲击钻机施工［9-10］。

6.2.3 水磨钻施工桩基成孔效果

水磨钻施工桩基成孔效果如图2所示。

图2 水磨钻施工桩基成孔效果Fig.2 Pile Foundation Hole Formation Effect of Water Mill Drill Construction

6.3 冲击钻成孔

人工挖孔（水磨钻）施工至16.0 m 后换用冲孔钻机施工16.0 m 以下部分桩基，直至终孔。冲击钻孔应用广泛，技术成熟，关键是选择符合地质条件的冲击钻钻锤。冲击钻桩机自动化成孔施工技术开始得到应用与发展［11］，对生产效率和施工质量有较大程度的提高，本文不详述。

6.4 综合成孔施工进度情况

由于施工方法的选择、施工方案优化科学合理，投入的水磨钻经济适用，施工点多面广，非直接作业时间成倍减少，生产效率成倍提高，施工进度成倍加快。经过1 年的施工，路花水库大桥和十八水中桥桩基全部完成。施工时间比单一的冲击钻机钻进成孔要节省2年，施工成本大为降低。

7 桩基综合成孔与单一冲击钻成孔效果比较

综合成孔方法所取得的效果如表1所示。

表1 桩基综合成孔与单一冲击钻成孔效果比较Tab.1 Comparison between Multiple Drilling Methods and Single Type Drilling Method

8 结语

采用人工挖孔（水磨钻）施工法为主、冲击钻孔为辅助的综合成孔方法，满足了工程施工质量和施工进度要求，节省工期2年，节省直接成本33.9万元。通过本项目桥梁桩基成孔方法的比选，所取得的明显成效，充分说明此综合成孔施工方法是成功的，同时也说明施工方法的选择对施工生产至关重要，传统的单一的人工挖孔桩或冲击钻有时不能满足现场实际施工需要，综合成孔施工技术应用可以有效地解决特殊实际问题，尤其地质条件为硬质岩层。

此综合成孔法适用于高强度花岗岩或其它硬质岩层地质条件的山谷、季节性枯水位河谷桩基础成孔，特别适用于岩石覆盖层较浅、桩长较小、入岩深度大的桩基施工。