淺析湘中丘陵地區高速公路橋梁樁基施工方法

李向陽 許騰飛

中交路橋華東工程有限公司 上海 201210

灌注樁是指在橋梁設計樁位上通過機械鉆孔、鋼管擠土及人力挖掘等手段在土體中開孔，并在孔內放置鋼筋籠、灌注混凝土而做成的樁，根據成孔方法不同，灌注樁分為沉管、鉆孔灌注樁及挖孔灌注樁等[1]，依據鉆孔機械不同，又分為沖擊鉆孔，旋挖鉆孔，回旋鉆孔，氣舉反循環成孔，泵吸反循環成孔等。

山區及丘陵地區高速公路橋梁中，樁基施工常用的成孔方式采用人工挖孔、沖擊鉆鉆進以及旋挖鉆鉆進的方式成孔。山區及丘陵地區高速往往線路長，沿線地層分布不均，變化較大，同時受地形及場地限制。如何根據現場地形地貌及地質條件合理選擇成孔方式，對項目進度及成本控制具有重大意義。本文結合湖南省白倉至新寧清江橋高速公路項目橋梁樁基現場施工情況，對各類常用成孔方式進行分析、總結，可為后續類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

邵陽縣白倉至新寧縣清江橋高速公路，起點位于湖南省邵陽縣塘渡口鎮，終點位于新寧縣清江橋鄉，路線全長45.423km。

本項目橋梁樁基設計均為灌注樁，大部分為端承樁，少數為摩擦樁。

樁徑類型有Φ1.2m、Φ1.3m、Φ1.4m、Φ1.6m、Φ1.8m、Φ2.0m、Φ2.2m；最短樁長15m，最長樁長51.5m，端承樁（除溶洞外）樁長均小于30m，摩擦樁基本為40余米。

1.2 工程自然條件

1.2.1 地形地貌

本線路地勢起伏變化較大，呈兩端高、中間低的形式，地面高程226.12m～374.96m。地貌類型主要有河谷階地地貌，為夫夷水及其支流階地，低山丘陵間溝谷地和丘陵、丘崗地貌，三類地貌沿線交錯分布，總體上為低山丘陵地貌。

1.2.2 地質條件

本標段線路上覆地層主要為人工填土、沖洪積成因的粉質粘土、細砂、粗砂、卵石，殘坡積成因的粘土、粉質粘土、碎石。

下伏基巖為頁巖、炭質頁巖、砂巖、灰巖、泥質灰巖、白云質灰巖、泥巖等。沿線分布不均勻，變化大，主要為碳酸鹽巖類，巖溶較發育，存在多種巖溶形態，如溶溝、溶槽、溶洞等。

1.2.3 水文地質條件

項目走廊帶散布大量的水塘、水庫，主要河流為夫夷水及其支流，屬資水南源。呈平行羽狀分布，流程短，落差大，流域面積小。

地下水主要位于第四系松散堆積層中，分別為巖裂隙水、孔隙水和碳酸鹽巖裂隙水三種類型。

1.2.4 周邊環境

本項目位于湘中丘陵地帶，沿線居民區較多且集中，主線橋梁主要跨越國道、縣道及低山丘陵間農田地段。天橋均位于主線挖方段，上跨新建高速，地勢較陡，且無進場道路。

起點設樞紐互通與既有高速公路相接?；ネǚ秶鷥仍O置拼寬橋梁1座，跨線橋（既有高速路基改橋）1座，天橋、渡槽各1座，上跨新建高速匝道及原高速。

2 常見樁基成孔方式工藝原理、適用條件

2.1 人工挖孔

2.1.1 工藝原理

人工挖孔樁，主要成孔工藝有兩種，一種為爆破結合人工挖土，一種為水磨鉆成孔。

水磨鉆成孔采用立式三相工程水磨鉆機，配合人工挖孔清渣使用，利用鉆機套筒周邊的刀片在鉆機的轉動下切割巖體，并將巖體切入套筒內，待鉆入一定深度后提出套筒，敲斷并清除筒內巖石，鉆機取出巖芯后，中間巖石和周邊巖壁形成臨空面，再用鉆機或鐵鍬鑿碎中間巖石，吊運出渣[2]。

人工挖孔即人工在孔內用鐵鏟或風鎬進行取土（鑿巖），過程中逐節澆筑護壁。地質為巖層時，配合炸藥進行巖層松動，然后人工進入取土。

2.1.2 適用條件

⑴水磨鉆適于巖石較硬，樁基長度不大于20m，且周邊臨靠建筑較近，對臨邊建筑保護要求高的地段。

⑵人工挖孔適用于主要適于施工場地狹窄或缺水源、地質較好地段的地段。樁基長度不宜大于20m。

2.2 沖擊鉆成孔

2.2.1 工藝原理

利用鉆機不斷地提錐、落錐反復沖擊孔底，即采用適當的沖程和沖擊頻率，把地層中的泥砂、石塊擠向四壁或打成碎渣，通過泥漿循環或掏渣筒掏渣實現出渣，重復上述過程,至鉆進深度達要求深度而實現成孔的。

2.2.2 適用條件

⑴地質：特別是對卵石層地質條件中鉆孔最為適用。⑵樁長：不大于80m。⑶樁徑：適用于0.8m～3m。

2.3 旋挖鉆成孔

2.3.1 工藝原理

旋挖成孔首先是通過底部帶有活門的桶式鉆頭回轉破碎巖土，并直接將其裝入鉆頭內，然后再由鉆孔機提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出孔外卸土，這樣循環往復，不斷地取土卸土，直至鉆至設計深度。對粘結性好的巖土層，可采用干式或清水鉆進工藝，無需泥漿護壁。而對于松散易坍塌地層，或有地下水分布，孔壁不穩定，必須采用靜態泥漿護壁鉆進工藝，向孔內投入護壁泥漿或穩定液進行護壁。

2.3.2 適用條件

⑴地質：一般用于砂土、粘性土、粉質土等土層及軟弱地質差的地段。⑵樁長：不大于80m。

3 樁基成孔方式選擇

為加快施工進度，在地質條件、場地條件允許的情況下優先選擇旋挖鉆成孔。

本項目位于巖溶區，巖溶發育，且項目三跨夫夷水河，為河谷階地地貌，上覆地層為卵石層，層厚3～4m，易塌孔。針對巖溶樁基、卵石層，項目采用沖擊鉆鉆孔施工，充分利用泥漿護壁特點，防止塌孔，同時通過回填黏土、片石能很好的解決硬質巖層傾斜大，出現巖溶等情況，同時在施工中經過不斷沖擊砸實能有效的解決漏漿、塌孔等問題[3]。

起點樞紐互通拼寬橋梁樁基與原橋樁基凈距僅2.13m，天橋、渡槽樁基位于原高速挖方段碎落臺位置，距離高速較近，安全風險高。為減少拼寬橋梁樁基施工對原橋梁的擾動，同時為降低邊通車邊施工的安全風險，拼寬橋梁及天橋、渡槽樁基采用人工挖孔（水磨鉆）法施工。主線天橋均位于挖方邊坡內，現場無大型設備進場及施工條件，主線天橋樁基同樣采用人工挖孔（水磨鉆）法施工。

4 各類成孔方式實施過程及效果

4.1 人工挖孔

⑴工期：人工挖孔一般地質條件下，實際綜合工效1m/d；有效施工工效1.5m/d。水磨鉆在一般地質條件下，實際綜合工效0.8m/d，有效施工工效1.2m/d。⑵成本：采用人工、爆破的，不含稅單價550元/m3（除混凝土、炸材外所有施工費用）；采用水磨鉆的，不含稅單價800元/m3（除混凝土外所有施工費用），水磨鉆單價為常規單價，具體根據實際情況確定。⑶質量效果：人工開挖成孔施工操作工藝簡單、施工方便、不需要大型機械設備，可同時進行多樁施工，單樁承載力高，可直接檢查樁外形尺寸和直接確認樁地質情況、受力性能可靠，抗震能力強，施工質量易保證。水磨鉆對于施工擾動要求較高的情況下更為適用。⑷安全效果：挖孔過程勞動強度大、單樁施工速度緩慢、施工中的安全隱患也非常突出。必須采取井下作業，人身安全問題較大，施工安全管理難度較大[4]。同時受天氣影響明顯，遇地下水較高時抽水對周邊建筑物的影響比較大。

4.2 沖擊鉆成孔

⑴工期：嵌巖樁地質條件下，實際綜合工效（黏土層）3～4m/d；有效施工工效4～5m/d。實際綜合工效（淤泥層）6～8m/d；有效施工工效10m/d。實際綜合工效（碎石、全風化層）4～5m/d；有效施工工效5～6m/d。實際綜合工效（強風化層）3～4m/d；有效施工工效4～5m/d。實際綜合工效（中風化層）1m/d；有效施工工效1～1.5m/d。⑵成本：不含稅單價250～500元/m3（除混凝土、磚渣外運外所有施工費用），孔徑1.2m～2.5m，孔徑與單價成反比。⑶質量效果：沖擊鉆錐以自由落體的方式沖擊巖土。由于鉆頭質量大，沖擊末速度較高，沖擊力大，能夠有效地破碎較硬的巖石；沖擊土層時的沖擠作用形成的孔壁較為堅固；鉆進時孔內泥漿循環的作用，使得懸浮鉆渣循環至孔口排除，并保持了孔壁穩定,泥漿用量少；使用沖擊鉆機所成的孔更穩固，大大減小了塌孔現象的出現機率，在灌注混凝土前孔內泥漿能達到更加潔凈的指標。⑷安全效果：沖擊鉆自重較輕，設備較少，相對于旋挖樁等設備多的機械安全隱患少；占用場地較少，標準化施工可達到復制性就位；鉆機所使用設備簡單，安裝方便，減少了外部機械所帶來的的安全問題；采用電腦控制系統，設置沖程后可自動沖擊。

4.3 旋挖鉆成孔

⑴工期：一般地質條件下，實際綜合工效80～100m/d；有效施工工效90～110m/d。⑵成本：孔徑1.3m及以下，不含稅單價200元/m3（除混凝土、磚渣外運外所有施工費用）；孔徑1.5m～2.0m，不含稅單價180元/m3（除混凝土、磚渣外運外所有施工費用）。⑶質量效果：自動化程度高、成孔速度快、質量高。鉆進過程中一些施工參數如轉速、鉆壓力、深度等有電腦顯示，可有效的控制成樁的垂直度，防止超挖和欠挖。采用全程鋼套跟進還可以避免縮徑等樁身質量缺陷，切實解決了復雜地層護壁難的問題，鉆孔質量好。⑷安全效果：采用了國際先進技術，性能優異，自動化程度高，在施工時能夠自行移動并達到移動、孔位對準方便、快捷，減少人工操作，相對比較其他鉆機如沖擊鉆需要較多人工操作的鉆機，有效的減少了人和機械之間的危險因素。

5 存在問題及建議

5.1 存在問題

⑴人工挖孔樁：人工挖孔樁需要人下井作業，勞動強度高，工作環境及條件較差，如遇到腐植層、煤炭層等不良地層情況下存在一氧化碳或瓦斯等有毒氣體產生，直接危害作業人員生命安全；如遇到回填土、含承壓地下水土層、流砂、膨脹性等軟弱土層時，易發生塌孔危及施工人員安全。⑵沖擊鉆：污染環境，不環保；循環泥漿，沉淀出渣需要泥漿池，占用較大的施工場地。此外，沖擊鉆沖擊過程容易偏孔及吊錘，大孔徑施工需要分級進行擴孔，沖擊震動受干擾比較大。⑶旋挖鉆：旋挖鉆機受地層地質情況的制約，遇硬質巖層、卵石層，孤石層時鉆進困難，易發生事故。同時，由于旋挖鉆體型較大，重量較重，對場地大小及承載力要求較高。

5.2 建議

⑴人工挖孔樁：人工挖孔樁施工過程中，主要受地下水及孔內流沙、淤泥等因素影響，嚴重可能造成較大的質量或安全風險。針對兩項應針對性采取處理措施。

1）地下水：水問題在工程人工挖孔樁中屬于常見問題，含水層中的水會因開挖時平衡狀態的破壞，導致周圍的靜態水流入孔內。

①關于滲水的處理，采用膨脹性材料，通過遇水膨脹達到堵水效果。

②關于孔內積水的處理，如滲水量較大，發生涌水情況，無法單純的通過堵水措施解決時，可采用抽水泵放置井底邊挖邊抽，保證孔內不積水?；驅撍弥糜诳變戎胁坑克?，從源頭解決。

③當以上兩種方法均不能解決時，可考慮在場地四周通過管井降水或分流，但應注意周邊環境，考慮由于地下水位下降而導致的地表下沉。

2）流砂或易坍塌地層：在遇有流動的細砂、粉砂層地質時，較容易形成流砂，甚至會發生井漏，造成嚴重的后果。因此，要在施工時就采取一系列有效可靠的措施，來確保施工順利安全進行。

①當流砂情況較輕時，有效的方法是將每次開挖深度縮短，減少孔壁暴露時間，并及時施做混凝土護壁，必要時護壁內增設鋼筋，以保證護壁的穩定性。

②當流砂情況較重時，可以采用鋼護筒跟進，或在開挖過程中遇該類地層時，沿孔底下方向四周鉆孔注漿，形成止水帷幕，提高孔內周邊土體的穩定性，從而有效控制塌方等情況。

⑵沖擊鉆：沖擊鉆機特別適用于山區丘陵嵌巖樁的成孔。表層為軟弱土時，可以通過換填地表土，以求穩固鉆機。也可以根據工地的實際情況自行組裝，并且具有操作簡單的特點。在鉆機的結構和操作程序的繁簡上，沖擊鉆優于旋挖鉆機。

⑶旋挖鉆：遇到易塌陷地層時，采用高質量靜態泥漿造壁，同樣應嚴格遵守以前鉆機的慢進多掃的技術要求。在通過膨脹性土層時，應該加強掃孔，防止縮徑的發生。

嚴格控制成孔過程中提升斗的升降速度和鉆進速度，若鉆機升降鉆斗時速度過快，鉆斗外壁和孔壁之間的泥漿沖刷孔壁，再加上鉆斗下部產生較大負壓作用，造成孔壁頸縮、坍塌現象。當鉆斗在粉砂層或亞砂土層作業時，其升降速度應更加緩慢。必要時，針對特殊軟弱地層，限制鉆機作業成孔的時間，通過3～4根的試樁，測定掌握最佳的科學成孔時間后，再規范指導旋挖鉆機正常施工。

回轉斗提升時下方產生較大負壓，導致提升阻力增大及孔壁收縮、坍塌。這個原因導致一些沿海灘涂軟基地區禁止采用旋挖鉆機的政策，可通過技術改進，側壁加焊導流槽，利于泥漿的導流，減小樁孔內的負壓。同時底盤加焊側齒，控制回轉斗與刀尖間的距離，防止回轉斗升降旋轉時碰壞孔壁。

6 結語

本文結合湖南省白倉至新寧清江橋高速公路項目所處位置地形地貌，地質、水文地質條件，以及項目環境等情況，根據不同成孔方式的適用條件及優缺點，合理的選擇了人工挖孔樁、沖擊鉆及旋挖鉆施工。經過現場施工論證，本項目樁基施工工期、安全、質量及經濟可行，可為類似項目提供經驗參考。