【原】复杂水下环境桥梁桩基施工研究

职称申报 2022-10-27 发布于河南

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林汛

广东冠粤路桥有限公司

摘要：随着基础设施的快速发展，大量施工环境复杂、工艺技术水平要求高的桥梁桩基得到了广泛应用。基于三坑河大桥项目，文章详细介绍了水下钻孔灌注桩的施工流程，对于过程中质量控制指标进行了介绍和措施分析，完善了复杂环境下水下钻孔灌注桩的施工和控制工艺，取得了良好的施工效果，为未来类似工程提供一定的参考依据。

关键词：公路桥梁;钻孔灌注桩;复杂水下环境;水下桩基施工;

本文依托于三坑河大桥复杂水下环境钻孔灌注桩施工，对涉水钻孔灌注桩的施工工艺、质量控制措施进行了详细了介绍，完善了复杂水下环境桩基的施工和控制工艺，对于钻孔灌注桩技术在复杂水下环境的应用提供一定的工程经验。

1 工程概况

三坑河大桥为先简支后连续后张法预应力混凝土T梁桥，跨径布置为(25+2×40+6×40+25)m，下部结构采用柱式台，4#、5#、6#、7#桥墩采用空心墩，其余桥墩采用柱式墩，墩台采用桩基础，具体如图1所示。三坑河大桥4#、5#、6#、7#墩基础均为群桩基础，其中5#墩位于三坑河大桥储水区中，因此5#墩桩基的施工必须通过搭设临时钢栈桥及施工平台，其余桩基均为陆上桩。

图1 三坑河大桥左幅地质断面图下载原图

2 桩基施工复杂水下环境分析

2.1 施工平台布置

根据施工图设计文件可知，5#墩桩基础为水中桩基础，左右幅共12根;从岸边至5#墩左右幅各布置一台桩机进行作业，根据现场环境，桩基成孔顺序按照从两侧向中间的顺序进行。

由于三坑河大桥位于水源一级保护区范围内，在施工前，需与自来水公司协调，由建设方负责将水厂取水口向上游迁移约200m。取水管道为600mm口径的钢管，确保取水口位于三坑河大桥上游，并距离三坑大桥位置不小于75m。鉴于取水口处水源保护的重要性，泥浆池的设置、施工杂物的摆放和遗弃均不能对于水源地造成影响。

根据水下装置的施工需要和水源地一级保护区的环保需求，三坑河5号墩桩基基础施工平面布置图如图2所示。

图2 三坑河大桥钢便桥及水上平台布置示意图下载原图

2.2 钢护筒防护要求

鉴于桩基施工设计水下复杂环境和水源地一级保护区域，因此钢护筒的设计不仅需要考虑普通钢护筒的防护作用，对于水下复杂环境和水源地保护区也需要进行一定的考虑，因此钢护筒设计施工需要满足以下要求:

(1)复杂水下环境要求。对于水下桩基施工而言，为了保证施工安全和施工质量，对于涉水部分采用钢护筒进行防护。

(2)桩基施工要求。为了保证桩基施工的精确，对于护筒埋置后需要测量桩位偏差并加以调整，平面误差不超过5.0cm，垂直度在1%范围以内。护筒埋置之后，应进行有效的固定，避免在桩基浇筑过程中出现护筒下沉或偏位。

(3)环保要求。鉴于5号墩桩基础位于水源地一级保护区范围内，因此在桩基施工过程中应严格避免对于水源地造成污染。根据桩基础施工过程分析，最容易造成污染的则是护筒内的泥浆，尤其是钢护筒与河床封闭不合理，造成泥浆泄露。因此对于钢护筒埋置深度应在原设计的基础上加深1.0～3.0m，对于钢护筒与河床接触位置应进行封闭处理，钢护筒上端应在原设计的基础上，加高0.5m。

基于上述要求，三坑河大桥5号墩桩基施工钢护筒埋置示意图如图3所示。

图3 护筒埋设示意图下载原图

为了保证护筒刚度和对于桩基成孔和浇筑过程中的防护作用，护筒采用厚1～2cm的钢板制作，护筒内径应大于钻头直径10.0cm左右。

3 关键施工流程

3.1 施工总流程分析

关于复杂水下环境下的钻孔灌注桩施工，在钢护筒等防护措施完成后，主要包括成孔清孔、吊装钢筋笼、灌注混凝土和成桩等施工工艺，具体如图4所示。

图4 水下混凝土灌注工艺流程下载原图

上图4对于水下复杂环境的钻孔灌注桩的重要施工过程进行了介绍，以下针对关键施工流程进行详细分析。

3.2 成孔工艺分析

根据钻孔灌注桩的施工流程和水下复杂环境，本项目成孔工艺主要包括钻机就位、钻进施工、泥浆循环护壁和成孔清孔检查，以下进行详细分析。

(1)冲击钻机就位

钻机就位前应进行安全、稳定方面的检查，保证场地尤其是钻机安放位置的平稳、固定，轨道的检查与安装工作应在钻机就位前进行检查，同时钻机就位应平稳、精确。

(2)钻进施工

在钻机钻孔施工过程中，需要定位精确，在护筒范围内应慢速进行，成孔深度超过护筒深度后可采用正常速度冲进。根据钻孔灌注桩的的特点，钻进施工作业应连续不间断的进行，并详细记录成孔过程，交接班时应详细交代本施工段发生的情况及下一施工段的注意事项。为了验证地质勘察情况，在钻机冲击过程中，应定期和不定期的掏取渣样，在试验室中与地质勘察渣样进行对比分析。

(3)泥浆循环护壁

为了避免施工中出现塌孔、卡钻等安全事故，在成孔过程中孔内水位应保持在高位。桩孔、泥浆池、泥浆处理器和循环通道共同组成泥浆循环系统，为了保证泥浆护壁的有效性，多采用膨润土或优质黄泥泥浆，对于指标有偏差的泥浆采取添加外加剂的方式进行处理。根据泥浆流向的不同，钻机成孔工艺主要分为正循环和反循环两种方式，如图5所示为反循环回转钻机成孔示意图。

图5 反循环回转钻机成孔工艺原理图下载原图

根据上图可知，回转钻机通过动力装置带动，从而使得钻杆钻头转动，对于钻头下土壤形成切削作用。钻杆内由于高压泥浆的作用，携带钻头切削下的土渣沿孔壁向上流动，通过孔口将泥浆带出，直至流入泥浆池进行处理。

(4)成孔、清孔检查

在冲孔达到设计标高后，对于成孔质量采用检孔器进行检查，检孔器直径应大于桩基钢筋笼直径10.0cm，长度为桩孔直径的4～6倍。当钻孔深度检查和第一次清孔完毕后，放置钢筋骨架前，对冲孔深度进行检查。

3.3 混凝土浇筑

成孔清孔完成后，浇筑混凝土前，应放置钢筋笼。对于钢筋笼的安放，可采用履带配合吊装，在下放的同时拆除加劲内撑，对于声测管和检测管进行二次检查，避免吊装过程造成损伤。在钢筋笼吊起后，应对骨架进行检查，保证竖直，对于弯曲变形部分应进行及时校正。

在钢筋笼下放完毕检查无误后，应立即下放灌注混凝土的导管，利用导管采用真空反循环进行二次清孔，保证孔底沉渣厚度不大于5.0cm，满足《公路桥涵施工技术规范》对于嵌岩桩孔底沉渣的要求。清孔完毕后应及时灌注混凝土，对于最后一次的灌注量进行控制，桩顶高程应满足设计要求。

4 工程质量控制措施

由于涉水桥梁的施工环境较为复杂，同时隐蔽工程的质量对于桥梁结构的正常安全服役具有较大的影响，因此应对复杂环境下水下桩基施工质量进行严格的施工过程控制。

4.1 钻孔垂直度控制

对于钻孔中垂直度控制问题，可以通过施工工艺的改善进行解决，详细如下:

(1)加固桩机底座，保证桩机钻进过程中的稳定性，对于钻孔垂直度进行及时检查，一旦发生倾斜，及时检查原因并进行修正;

(2)对于倾斜程度较大的岩面，需要采取回填片石的方法保证钻进面的垂直度，避免岩面倾斜影响钻孔垂直度;

(3)在钻孔作业完成后，采用检孔器进行钻孔垂直度的检测，对于产生偏斜的位置，利用钻机反复扫孔钻进，直至钻孔垂直度满足要求。

4.2 孔径尺寸控制

对于钻孔灌注桩施工过程中的控制控制问题，如常见的的扩孔和缩孔，除了加强地质勘察并采取应对措施外，应加强钻孔灌注桩施工过程的控制，具体如下:

(1)在倾斜岩面和岩性不均的岩层中进行钻孔作业时，应严格按小冲程、慢进尺冲进的施工工艺，保持冲机在钻进过程中的稳定性，避免孔径扩大;

(2)钻进过程中定期检查钻头磨损情况，及时加强修补，必要时进行更换，保证钻进的有效性和钻孔垂直度，避免缩孔发生。

(3)为了避免施工中出现塌孔、卡钻等安全事故，在成孔过程中孔内水位应保持在高位，同时泥浆的相对密度和粘度均应满足规范要求。

4.3 钻进连续性控制

对于钻机钻进过程中连续性影响较大的就是卡钻和掉钻，属于质量安全事故。施工过程中应进行预处理，对于事故发生后应有一定的预案，具体如下:

(1)桩锤使用前安装柔性保险绳，在卡钻或掉钻事故发生时，可下放钢构勾住保险绳，保证桩锤多点受力，能够及时拉出，避免钻进连续性受到较大的影响。

(2)如果卡钻事故较为严重，多种方法无法寄出处理时，则考虑水下爆破振动方法打捞。这需要潜水员的配合，因此在施工准备时对于卡钻应有预案。对于爆破能量应有反复的推演计算，爆破能量应满足卡钻事故处理的有效性和临桩的安全性。

5 结论

钻孔灌注桩由于施工方便、高效和承载能力强的特点，在桥梁下部结构中得到了较为广泛的应用，由于水下桩基的复杂环境，对于水下钻孔灌注桩的施工工艺研究成了共同关注的话题。基于三坑河大桥桩基的施工项目，本文详细介绍了钻孔灌注桩的施工流程如护筒安装、成孔、泥浆护壁和钢筋笼下放等过程，并对于施工过程中的常见控制指标进行了分析。本文系统研究了水下复杂环境下的水下钻孔灌注桩的施工和质量控制工艺，对于未来类似工程提供一定的工程经验。