公路桥梁水泥混凝土方形灌注桩施工工法
中交第一公路工程局有限公司中交一公局第五工程有限公司
胡益众耿志军段文杰乔匡义
1前言
方桩是灌注桩的一种特殊形式。与传统的圆桩相比，具有承载力大，成孔工艺较复杂的特点。在相同截面时方桩表面积、刚度比园桩大，因其与相同截面积的圆桩相比，在获得相同承载力的条件下，可减少桩身长度，节省工程造价，因而在桥梁工程中得以广泛应用。
2工法特点
2.0.1桥梁桩基方桩施工采用“两钻一挖”法。
2.0.2较之传统的钻孔灌注桩施工圆桩，成孔工艺较复杂，。
2.0.3用该法施工的方桩，在相同截面积，相同桩长的条件下，单桩承载力有较大提高，使群桩成排架桩的桩基数目得以减少，节省工程造价，具有一定的经济效益。
3适用范围
方桩成孔用到液压抓斗施工方法，适用于粘性土、砂类土、含少量砂砾石、卵石（含量少于30%，粒径小于100㎜的土质地层。
4工艺原理
根据水泥混凝土方桩的几何形状，再结合可选用机械的几何力学指标，同时兼顾《公路桥涵施工技术规范》,水泥混凝土方桩可采用”两钻一挖”的施工工艺。
4.0.1采用具有自动调直功能的旋挖钻机,可以有效地保证成孔的垂直度。至少施钻两个引孔,以同时保证成孔的平面位置.
4.0.2两个引孔施钻完毕，中间部分可采用液压抓斗逐次抓取，直至到设计位置。由于有两个引孔的导向作用，中间部分的垂直度和平面位置亦同时得到保证，这是“两钻一挖”工艺的重要特点。
5施工工艺流程及操作要点
5.1“两钻一挖”工艺流程如下：
测量放样——矩形钢筋混凝土导墙施工—－灌注优质泥浆－—导向引孔旋挖——液压抓斗抓取中间部分——清孔——成孔检查——下钢筋笼——安装双导管——灌注水下混凝土
5.2操作要点
5.2.1严格保证成孔截面积。因为采取的是“两钻一挖”施工工艺，方桩两端是两个圆形引孔，因而这两个圆孔的截面积须大于或等于原设计相应的矩形截面积，如图5.2.1所示：
图5.2.1
L——方桩设计长度（m）
B——方桩设计宽度（m）
L‘——液压抓斗的最大抓取长度
显而易见，引孔的直径（桩径）
D=（B2＋（（L-L‘）/2）2）1/2
也就是说，当设计方桩的长L大于液压抓斗的工作长度L‘时，为保证成孔的截面积，需按照以上公式计算两个引孔直径，进而确定旋挖钻机的钻头尺寸。这是方桩施工的首要控制点。
5.2.2保证矩形钢筋混凝土导墙的施工质量
1方桩施工前，需先进行钢筋混凝土导墙的施工。导墙的作用相当于普通圆桩的钢护筒，即具有以下作用：
1）防止孔口坍塌
2）控制桩基的平面位置
3）量测孔深的基准面及导管埋深的基准面
4）钢筋笼吊装入孔后以导墙作为支撑结构
2为了保证导墙的上述作用，导墙施工时必须保证其工程监理质量。由于导墙是方桩施工中的一道工序，设计文件中没有相应的施工图，需根据工程实际自行设计，设计原则如下：监理工程师论坛http://bbs.job2299.com/
1）导墙的净宽和净长比实际施工工艺确定的方桩最大轮廓线各多200㎜，如下图所示：
图5.2.1
附注：
单位：毫米
L——导墙的净长B——导墙的净宽
LS——方桩轮廓线长BS——方桩轮廓线宽
2）按照朗金土压力分布计算每延米导墙的最大弯矩，并以此来确定导墙的截面。导墙的设计方案确定后，实际施工中则严格按照方案组织实施，从导墙钢筋骨架的制作、安装，到导墙模板的支设，导墙混凝土的浇筑，每道工序严格把关，确保导墙的工程质量。
5.2.3灌注符合要求的优质泥浆
1为保证槽壁的稳定和墙体的质量，施工前应对造浆材料进行选择，一般选用膨润土作泥浆并掺加适量的添加剂（如：CMC）。
2需配制的泥浆应根据地质条件、成槽方法、用途等进行配合比设计，试验合格后方可使用。
3重复使用的泥浆应通过振动筛、旋流器、沉淀池等方法进行净化，符合要求后方可再用。
废弃泥浆和残渣应按环保的有关规定处理，并及时清远出现场。
5.2.4控制液压抓斗的每次抓取层厚
1为保证成桩的直顺度，应根据液压抓斗的性能和土质情况确定液压抓斗每次抓取层厚。具体判断标准是：当液压抓斗夹住一定厚度的土体从开始加压到抓取完毕，整个过程悬吊液压抓斗的钢丝绳不发生扭动，则该厚度为适宜厚度。根据姚家园立交E匝道桥的施工实践，得出了每层抓取厚度不宜超过400㎜这一结论。若更换机型或土质情况发生重大变化，应根据具体的实际情况，通过首件工程实验确定。
2挖槽过程中应连续并始终保持槽内充满泥浆，保证槽壁的稳定。
5.2.5缩短成孔待灌期，钢筋笼场外焊接成整体，一次吊装入孔。
方桩成孔后体积庞大，一旦坍孔，后果不堪设想。应尽量缩短成孔后等待灌注的时间。传统施工工艺是钢筋笼分段制作（一般为两段），先吊装第一段入孔，然后吊装第二段，在孔口施焊，焊接完毕，并待冷却后，再整体吊装就位，施焊的时间加上冷却的时间即是发生坍孔的危险期，所以为了消除这个危险期，钢筋笼必须在场外焊接成整体，并应设置一定数量的斜撑和横撑加强筋，使钢筋笼具有足够的刚度，确保在运输、吊装、插入时不变形，按设计、规范要求一次吊装就位。
根据姚家园立交E匝道桥方桩的施工实践，钢筋笼焊接成整体后，重达70多吨，需用三台吊车协同起吊入孔，以100吨吊车吊钢筋笼顶部，以50吨吊车吊钢筋笼中部，以25吨吊车吊钢筋笼底部。当把钢筋笼吊至即将离开地面时，50吨、25吨吊车摘钩，由100吨吊车单独起吊钢筋笼入孔，整个吊装时间一小时二十分左右，比起传统的分段吊装，孔口施焊，最后整体吊装入孔的方法约提前四个小时左右，大大缩短了成孔待灌期，保证了成孔质量。
6材料与设备
方桩施工所用材料与圆桩相同，混凝土的配合比，钢筋的焊接工艺与圆桩并无区别，所不同的是在施工设备上，方桩施工需用到液压抓斗，如下图所示：
上图液压抓斗型号为SG30，其主要技术参数如下：
1）成槽宽度：0.35~1.2m
2)最大提升力：300KN
3）卷扬机单绳拉力：160KN
4）系统压力：33MPa
5）主泵流量：2×260L/min
SG30液压抓斗具有单绳拉力大、成墙效率高的特点，被广泛用在地下连续墙的施工中，姚家园立交（二期）工程E匝道桥方桩即是采用该种设备，实践证明其性能良好。
7质量控制
7.0.1方桩施工应按《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）进行质量控制。具体指标如下：
表7.0.1方桩质量控制指标
项目 允许偏差 孔的中心位置（㎜） 50 孔径 不小于设计桩径 倾斜度（㎜） 小于1%桩长，且不大于500 孔深（m） 不小于设计规定 沉淀厚度（㎜） ≤300㎜ 7.0.2施工中采取以下质量控制措施：
1两个引孔桩位放样必须准确，每个引孔均布设十字桩。
2旋挖钻机就位时，利用钻杆电脑控制系统精确对中，并保持钻杆垂直。
3成孔后对孔底沉淀先用液压抓斗反复捞取，然后用高压水枪将剩余沉淀物冲入泥浆中，及时进行泥浆置换，直至沉淀厚度满足设计要求。
4在水下混凝土灌注中，为防止钢筋骨架上浮，当灌注的混凝土顶面距钢筋骨架底部1m左右时，降低混凝土的灌注速度，当混凝土上升到骨架底口4m以上时，提升导管，使其底口高于骨架底部2m以上，即恢复正常灌注速度。
5灌注开始后，保证紧凑、连续地进行，确保中途不停工。在灌注过程中，控制每次放入漏斗内的混凝土量，防止混凝土从漏斗顶溢出或从外掉入孔底，使泥浆内含有水泥而变稠凝结，致使测深不准确。灌注过程中，注意管内混凝土下降和孔深水位升降情况，及时测量孔内混凝土高度，正确指挥导管的提升和拆除。
（六）、在灌注过程中，当导管内混凝土不满，含有空气时，后续混凝土的灌入量要控制好，徐徐灌入漏斗和导管，以免在导管内形成高压气囊，挤出管节间的橡胶垫，而使导管漏水。
8安全措施
1组织职工学习安全生产知识和规章制度。新工人（包括合同农民工上岗前必须先进行安全知识培训，经考试合格后方准上岗）。
2凡进入施工现场人员必须戴好安全帽，不得穿拖鞋或赤脚进入施工现场。
3机械所用电缆要采取防护措施，避免车辆碾轧破损，以防止人员触电，电器设施要有防雨措施，按雨季施工要求安装。
4现场用电设备必须实行三级供电，两级保护。
5所有电器设备的安装及拆卸必须由专职电工操作。
6设备吊装时，应按负荷选择索具，严禁吊物下站人。吊车回转半径内严禁站人。
7搬、抬设备及物体时，必须统一口号，同起同落，以免伤人。现场所用设备安装牢稳、清洁，符合规范要求。
8按期对使用设备维护保养，保证不带病运转，完好率达到规定标准。
9设备车辆移位、行起时，要先看地形，不得盲目进行移动，以免成事故。
10工地与社会交通出入口，设专人指挥车辆，保证交通安全。
9环保措施
1成立施工环保小组，在施工中严格按国家的有关法规、规章执行。
2在工程建设允许的范围内，规划各种设施和临时设施（泥浆池等）并做到标识清楚、齐全，施工现场整洁文明。
3注意施工现场噪声的扰民问题，在靠近居民区的施工点，若非工程必须连续进行，夜间22时以后停止施工。
4施工过程产生的废弃物、污染物应按照监理工程师的指示集中堆放或及时清运，生活垃圾定期运至远离居民区的垃圾堆放点。
5保护当地一草一木，不得随意破坏植被、树木。
6不得随意扩大施工场地，在允许施工线内施工。
7在河道内施工，注意废油、废水，不得污染河道。
8有专人把守路口，清洗车辆轮胎和路面。
10经济效益分析
前面提及，方桩与圆桩相比，在相同截面，相同桩长的条件下，单桩承载力有较大提高，
方桩(以正方形为例)圆桩
当a2=πr2时,
方桩周长4a=4(π)1/2r=4×1.77r=7.08r
圆桩周长2πr=6.28r
所以,方桩周长＞圆桩周长。
对于摩擦桩来说,方桩比圆桩与桩周土要获得更大的摩擦力,因而承载力相应提高,提高率K=(7.08-6.28)/6.28=12.7%
基于此,在承载力要求一致的前提下设计桩基时,若采用方桩,则桩身长度是圆桩的0.887倍,假设圆桩设计桩长为40米,则方桩的桩长为:0.88740=36米,若每延米桩基成本为500元,那么方桩较之圆桩，单桩成本节约4500=2000元,其经济效益是非常明显的。
11工程应用实例
北京市东五环姚家园立交（二期）工程E匝道桥采用3.51.038m的方桩基础，京承高速公路潮白河大桥采用了2.51.026m和2.50.818m的方桩基础，采用“两钻一挖”施工工艺，在成桩速度、成桩质量上都取得了良好的效果，（施工照片附后）。为了节约成本，今后在旋挖钻钻头的选择上尽量与液压抓斗配套，使成桩截面与设计截面最大限度地吻合。
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