论陡坡岩桥梁桩基施工中的水磨钻成孔技术

2023-05-26李阳

交通科技与管理 2023年9期

李阳

摘要某公路大桥1号墩桩基地处陡坡硬斜岩，桩基成孔施工难度大，常规钻进方案易偏孔且施工区域受限，实地勘察后拟定水磨钻成孔方案。基于此，该文对陡坡岩桥梁桩基施工中的水磨钻成孔技术原理、优势和工序进行了分析，并依托工程实践，应用水磨钻成孔技术解决桩基成孔难题，论证了陡坡硬斜岩桩基施工中该方案的可行性，為同类项目建设提供了技术参考。

关键词公路工程；陡坡硬斜岩；水磨钻施工技术

中图分类号 U445.551文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0063-03

0 引言

桩基成孔施工是公路桥梁项目建设中的重要环节，常规桩基成孔方案包括冲击钻成孔法、人工挖孔法、冲抓钻成孔法等，成孔技术方案不同，其应用场景有所差异，山区陡坡硬斜岩桥梁桩基施工难度大，常规方案难以得到有效应用，故结合山区陡坡硬斜岩桥梁桩基施工特点及要求，拟选用水磨钻成孔技术成功完成施工且解决现场问题，为同类项目工程施工提供了技术指南。

1 工程概况

某国道改扩建大桥项目全长1 km，以（87+158+87）m变截面现浇连续刚构箱梁和3×30 m PC连续T梁布设桥孔，T梁主梁和主桥箱梁分别按折线与曲线走向布设。桥梁下1～2号主桥墩应用双支薄壁墩，3号采用空心薄壁墩，4～5号为圆柱墩，桥台间设置U型台连接，余者均为灌注桩。

2 桥梁基础总体施工方案

该桥梁共三个河中墩，1号和3号墩位于河岸，2号墩位于河中央，拟选用筑岛平台于枯水期施工，桥墩承台应用明挖基坑方案，于3号墩与2号墩中间搭设墩位钢制平台便于施工。1号墩与2号墩间跨越河道160 m，搭设钢栈桥难度大，利用0号平台原有道路进行施工道路修建延伸至1号墩，与筑岛平台协作完成施工。1号墩所在区域岩层斜面大，地质坚硬，常规钻机施工钻进难度大。

3 1号墩施工方法选择

3.1 桥墩设计情况

该桥梁1号墩拟设计2.2 m钻孔灌注桩6根，标高86.5 m，1号墩的基本地质情况与施工指标如表1所示。

3.2 地形地貌情况

1号墩所在区域地形陡峭，根据项目需求和施工特点，将原承台设计标高提升为86.5 m，承台设计标准较初始值提升4 m，设计提升后，承台顶标高达到91 m，桩基底部标高固定不变。设计变更后，提高了施工操作便利性，避免了雨季洪水对桩基承载力威胁，悬空承台以混凝土填充[1]。

3.3 水文地质情况

地质勘探结果如图1所示，1号墩的地质类型为碎块状强风化变粒岩，层厚约1.0 m，岩层伴裂隙发育至桩底标高，岩芯完整且为微风化变粒岩，单轴抗压强度最大值为126 MPa，岩面倾斜角约30°，质地坚硬。桥墩于岸边陡坡处，该区域岩芯无覆盖层，表面有裂隙水少量分布，地质结构坚硬，岩层渗水较小[2]。

3.4 钻孔灌注桩的适应性分析

1号墩所在区域地形陡峭，岩石强度大，100 MPa以上厚度值约15 m，岩面倾斜角30°，应用冲击钻或旋转钻，结合现场勘测资料进行钻孔操作，钻孔垂直度难以精准控制。

3.5 水磨钻的技术优势分析

水磨钻技术的应用特点如下：

（1）目标施工区域岩层质地坚硬，常规成孔方案无法适用于山区陡坡硬斜岩，施工钻进难度大易导致偏孔现象，拟选用水磨钻取芯挖孔技术，有效解决操作钻进难与偏孔问题。

（2）常规钻机钻进硬质岩层需24 h，可钻进60 cm左右，用100 MPa以上钻机可钻进30 cm左右，应用水磨钻循环钻进12 h可钻进60 cm。

（3）1号墩位于河边陡坡，可操作空间有限，墩位处无法应用大型钻机设备操作，水磨钻设备小巧，灵活性高。水磨钻施工中噪声小，无泥浆迸溅，环境污染小。

（4）成孔质量佳。水磨钻相比于传统钻孔工艺，对围岩扰动较小，施工成孔规范性高，围岩结构完整，混凝土消耗量明显减小[3]。

3.6 水磨钻的缺点及应对措施

（1）施工安全风险高。水磨钻施工属于人工钻孔领域，需操作人员下井作业，对技术人员的熟练度有较高要求，施工中易导致触电、窒息等事故。操作中技术人员需认真执行施工方案，严格遵守操作规范，通过对操作人员的技能培训、安全教育和技术交底，提高管理质量，切实保障用电安全，做好安全防护，确保施工安全[4]。

（2）水磨钻施工造价高。本项目桩径2.2 m，由于岩层质地坚硬，综合评估测算结果显示，水磨钻成孔工艺的基本成本为每延米5 000元，而传统冲击钻成孔方案的成本仅为每延米1 800元。结合本项目特点，由于项目地质条件特殊，岩层结构质地坚硬，相比于控制项目造价，为解决施工难题并确保进度更为关键。

（3）水磨钻施工工序复杂，对人工作业要求高。水磨钻施工需人工钻进，每个施工循环包括钻孔、劈裂岩芯、解散岩芯、出渣等不同工序，每个工序施工质量都会影响工程进度和成孔结果。在施工过程中需严格执行操作过程与技术规范，加强施工管理、岗位培训、技术交底以确保项目顺利进展[5]。

3.7 施工方法选定

结合该项目地质地形特点，综合分析实际情况，水磨钻成孔方案在该项目中的适用性更强，故拟定水磨钻成孔方案。

4 水磨钻施工方法

4.1 基本原理

水磨钻由专用水泵、水磨钻筒和水磨钻机组成，水磨钻多由3～5个钻筒组成，每个钻筒配备7个刀头。施工中，借助水磨钻机钻进，各个钻孔形成一个圆环，将桩芯和桩壁分离，随后将岩芯部分分块，并钻出小孔，置入钢楔子对岩石进行锤击，使岩石被拉裂，从而在底部出现剪切破裂成小块[6]。在提升系统的作用下，降崩解成小块的岩石掉出，按照分层取芯、破裂、取岩块的工序进行循环，并完成成孔。成孔完毕后，将钢筋笼安装于固定位置，随后完成混凝土灌注工艺。水磨钻施工工艺如图2所示。

4.2 工序流程

水磨钻施工工序包括钻孔、劈裂岩芯、解散岩芯、出碴、检孔、护壁施工等。施工过程中，上述工序反复循环直至成孔完毕，施工流程如图3所示。

5 水磨钻成孔方案现场实施

5.1 筑岛

结合区域特征与项目需求，拟定于枯水期施工，水位高程86.5 m，承台靠近边坡开挖线进行放坡，坡率按1∶0.75，喷洒混凝土保护坡面。承台部分悬空，以混凝土填充，设定坡率1∶1，以抛石笼固定水中坡脚，将筑岛平台填筑至90 m，并严格按照施工工艺进行压实，按照承台尺寸 11.1 m×12.7 m标准修建，每边超出标准尺寸3 m，最终确定了承台尺寸，满足承台施工的同时，与航迹线保持适中距离[7]。

5.2 水磨钻成孔施工

5.2.1 桩位放样

精准现场测量并有效控制布设指标，严格按照设计图纸进行施工，定桩孔位置打入木桩或铁钎，做好现场测量确保桩孔中心标准偏差小于50 mm。

5.2.2 锁口施工

钻孔施工前需对井圈锁口进行浇筑，锁扣外浇筑出支撑平台为孔内出渣提供操作基础。应用C20混凝土浇筑井圈锁口，使其壁厚大于30 cm，顶面需超出操作基础平面30 cm，同时确保设计轴线与井圈中心线的误差在20 mm以内。

5.2.3 护壁施工

钻进施工开挖至中风化岩层前，采用150 mm厚内齿护壁进行加护，护壁施工工艺如下：钻进深度至1 m前，安装Φ8型钢筋并立模浇筑混凝土，采用C25现浇混凝土浇筑并控制坍落度在8～10 cm，应用吊桶运输混凝土，利用钢钎将其捣实。施工现场加强检测，确保混凝土强度值达标，浇筑完毕后需保持混凝土强度大于2.5 MPa，随后完成拆模[8]。

5.2.4 水磨钻开挖

完成测量放样后，水磨钻机保持套筒向孔桩外壁侧倾斜，使下一次操作前水磨钻套筒起点位于设计孔桩边线下，避免缩孔，确保成孔质量，提高成孔截面尺寸精准度[9]。

5.2.5 卷扬机配合料筒出渣

水磨钻机提升系统操作过程中，为确保施工安全，需结合现场情况控制钢丝绳直径，合理调整卷扬机配重与料筒装满最大载重量，防止施工中钢丝绳断裂或卷扬机倾覆。对卷扬机抗倾覆能力、钢丝绳破断拉力值进行现场检测，严格执行施工方案，提高施工安全系数。出渣提升时，为提高操作安全性需注意以下事项：

（1）提升速度放缓，防止钢丝绳左右摇摆。

（2）装料不得超出料桶平面。

（3）对起吊设备设置限位器和防脱保险销，避免脱落。

（4）使卷扬机两侧保持平衡，将起重架牢固安装[10]。

5.2.6 成孔检验

以《公路工程质量检验评定标准第一册土建工程》要求为基础，对成孔质量标准严格控制，加强成孔检验。根据相关规范，成孔合格的标准如下：倾斜度不足0.5%，孔位中心偏差小于50 mm，孔径、孔深满足设计要求，孔底平整无异物。综合检验后证实，该项目工程水磨鉆成孔效果好，符合标准。

6 结论

综上所述，冲击钻在陡坡硬斜岩地质条件下不可用，受限于地质特征与施工条件，冲击钻的钻进难度大且易偏孔，故以项目实际情况为基础，结合施工要求，采用水磨钻成孔工艺施工，有效解决了实际困难，为同类项目施工提供了技术参考。结合该施工案例可知：