怀阳高速西江特大桥浅覆盖层深嵌岩桩基施工新技术

佘明星

（广东省长大公路工程有限公司，广东 广州 510620）

0 引言

对于浅覆盖层甚至裸岩的河床地质情况，桥梁的桩基础施工平台的设计和施工钻进设备的选择与工艺的改进，是其成功的关键因素[1]。根据怀阳西江特大桥主墩桩基础为研究项目，探讨施工平台的设计与高强度嵌岩桩工艺优化研究。怀集至阳江港高速公路怀集至郁南段项目位于广东省肇庆、云浮两市境内，路线起自肇庆市怀集县西侧，与二广高速公路怀集支线汕昆高速相接，终点位于云浮市郁南县西侧，与广梧高速公路相接，通过与广梧高速共线至双凤互通与怀阳高速公路郁南至阳江港段相接。西江特大桥为全线控制性工程，位于封开西江大桥下游约5 km，在长岗镇光升村西侧和云浮市郁南县古丰村东侧之间跨越西江，全长1 571.6 m，其中主桥跨径布置58 m+127 m+360 m+127 m+58 m=730 m双塔中央索面混凝土梁斜拉桥方案，采用塔梁固结结构体系。

1 项目概况

西江特大桥索塔主墩21#、22#墩，桩基设计直径均为D2.8 m嵌岩桩，桩间距5.6 m设计桩长30 m，每个主墩各20条，具体桩位布置见图1。

图1 主墩桩位平面示意图（单位：cm）

西江特大桥工程特点：（1）主墩覆盖层较浅，根据地质资料和河床扫描，覆盖层在0.7～2.5 m之间，且冲刷严重，施工平台的支撑稳定性和钢护筒下放安装是技术难点；（2）桩径为2.8 m，且均为嵌岩桩，嵌岩深度长（25 m左右），基本为中风化变质砂岩岩层强度较高（70 MPa以上），施工较大难度；（3）工期紧。西江水情复杂，洪水期与枯水期水位落差大、汛期时间长，对施工工序组织有较大影响，如果不能在汛期到来之前完成基础工程施工，可能会造成因洪水而停工，对成孔效率的工艺选择要求高。针对以上重难点，从桩基施工平台设计、钢护筒的制作下放和成孔工艺的选择三个方面研究，通过现场半年的施工实践，从2017年8月份钢便桥平台施工到2018年2月完成桩基施工，较以往相似工程规模极大的提高了施工效率，节省了工期，总结出一套浅覆盖层深嵌岩桩施工研究技术。

2 施工工艺技术研究

2.1 桩基施工平台设计

浅覆盖层会造成平台搭设困难、桩基护筒穿孔漏浆或涌沙，针对平台搭设时钢管桩不易生根，为保证便桥平台的稳定，支墩钢管桩以平联连成整体。便桥平台以导向架辅助插打后连成整体，形成板框架系[2]。另外，为保证便桥能够在水流及水面垃圾的冲击下保持稳定，施打前，扫描河床摸清水下地形，根据地形将钢护筒连接成板凳形式，从覆盖层相对较厚的区域整体下放，并且在上下游各搭设一根D100 cm钢管桩，将其作为护筒利用冲机施工，成孔深度不少于6 m，以进入中风化层3 m进行控制，水下灌注砼桩作为锚桩，与其他钢管桩连接成整体固定。主墩桩基采用旋挖钻机成孔，考虑2台自重200吨旋挖钻机施工，平台主要分为钻孔区平台、辅助平台。钻孔平台采用Ф820×80 mm钢护筒+2×I36承重梁+贝雷梁的形式布设，贝雷片采用四榀一组，贝雷梁上间隔75 cm铺I36工字钢作为分布梁，其上铺设I12.6+8 mm厚花纹板作为面板；辅助平台采用“Ф820×80 mm钢管桩+2×I56承重梁+贝雷梁”的形式布设，贝雷片采用三榀一组，贝雷梁上铺I25分布梁和I12.6+8 mm厚花纹板。在主墩栈桥平台设计方面，采用打桩船施打钢管桩，贝雷梁、桥面采用预制梁板，既降低了施工成本，又保证了施工的安全与质量，加快了施工进度。板凳及桩基钢护筒设计见图2。

图2 板凳锚桩和桩基钢护筒设计

2.2 桩基钢护筒的下放

由于覆盖层较浅，直接振设桩基钢护筒无法固定，采用在3.1 m桩基护筒外套接一条直径3.4 m钢护筒用于定位旋挖钻掏槽施工，下放钢护筒导向架作为钢护筒下放的导向定位，并在导向架四周加焊限位进行精准定位。初次安装时，利用90 t履带吊配合DZJ250型打桩锤振动下沉。振设完毕后，采用型钢或螺旋焊管焊接固定于平台钢管桩上，以确保旋挖钻进行掏槽施工时能准确钻孔。

（1）旋挖钻掏槽施工：在完成外套3.4 m钢护筒施工后，利用旋挖钻安装特制钻头进行掏槽施工，槽半径为3.16 m，基坑进入中风化层2 m后，利用外套护筒作为下放导向架继续下放3.1 m钢护筒，当护筒下放至预先掏槽的基坑后下放完毕，临时固定于外套钢护筒上。

（2）桩基钢护筒施工：完成掏槽施工后，在外套3.4 m钢护筒顶部焊接固定“口”字形固定架，用于定位桩基护筒平面位置，安装完毕后下放桩基护筒，桩基护筒下放开始采用设计导向架下放，至3.4 m护筒口后继续下放利用外套护筒作为下放导向架，护筒的制作及下放都需严格控制精度，当护筒下放至预先掏槽的基坑后下放完毕，临时固定于外套钢护筒上。完成后拆除外套钢护筒并周转循环至下一个桩基使用，护筒下放完毕后平台钢管桩与桩基钢护筒采用Φ325螺旋焊管固定。护筒安装以承台四个角点优先安装为原则，完成2个护筒安装及加固后立即组织另外两台旋挖钻机进场，开始桩基施工。

2.3 成孔工艺研究

根据西江特大桥地质分析，其所体现为覆盖层极薄，桩身基本为中风化变质砂岩，青灰色，岩石呈中等风化，岩石新鲜，裂隙较发育，岩芯多呈块状、短柱状为主，少量碎块状，抗压强度（70～129.5 MP）。

假如采用冲击钻成孔，对于高强度中风化变质砂岩进尺及其缓慢，锤头机身、钢丝绳等构件极其容易损坏，不可控因素过多。

通过研究对比国内外最新桩基础施工工艺和机械装备，采用旋挖钻成孔，其施工工艺主要为逐级扩孔取芯施工，对于高强度岩层成孔施工通过岸上试桩进行验证可行，单桩成孔4 d左右，中风化进尺单次50 cm/h，约为冲机钻机4倍工效。

单个主墩桩基分别采用2台徐工XR550旋挖钻机成孔，最大输出扭矩520 kN·m，最大加压力440 kN，钻机工作重量198 kN。2.8 m桩径采用1.5 m、2.0 m、2.5 m、2.8 m四种直径钻头逐一扩钻而成。

当钻机就位准确即开始钻进，钻进时每次进尺控制在50 cm左右，刚开始要放慢旋挖速度，并注意放斗要稳,提斗要慢，特别是在孔口5～8 m段旋挖过程中要注意通过控制盘来监控垂直度,如有偏差及时进行纠正[3]。

在钻孔过程中，根据全标段的地质情况，采用筒钻钻头钻孔。筒钻性能简介：整体结构与挖土钻头基本一样，只是底部没有封口。主要用于施工孔内的两层胶结岩层，该岩层整体性好，强度大，利用筒钻的剪压作用，破坏岩层的整体性，从而达到进尺的目的。根据主桥地质情况，钻进上方覆盖层时使用直径2.8 m截齿捞砂钻斗一次钻进，钻入中风化砂岩层后，为提高钻孔效率，则采用分级钻进工艺，具体分级工艺采用逐级扩孔工艺，根据本工程的地质特性，分四级进行扩孔施工。逐级扩孔工艺采用1.5 m牙轮筒钻取芯，之后采用2.0 m及2.5 m牙轮筒钻进行扩孔，最后以2.8 m牙轮筒钻实现最终扩孔。

（1）覆盖层采用Φ2.8双底双开截齿捞砂斗钻进清渣至中风化层。

（2）软硬层交界面采用导正器+Φ1.5牙轮钻头，钻进 1.2～1.5 m。

（3）中风化层第一级钻进先采用Φ1.5牙轮齿筒钻钻进，待钻内岩满时更换Φ1.5截齿取芯钻头将岩芯掰断。主要原理是利用钻头内设置螺旋涨塞对岩芯产生的水平力和涨塞将岩芯抓紧通过钻机钻杆传递的扭矩共同作用。岩芯掰断后利用钻头与岩芯摩阻力将岩柱取出，循环往复，直至将岩石钻成直径Φ1.5 m的小孔。

（4）扩孔：第一步：更换上Φ2.0 m牙轮齿，下1.5 m导正钻钻进到孔底，换用Φ1.5 m双底双开截齿捞砂斗扫孔清渣。扩孔情况见图3。

第二步：截齿取芯钻头掰断岩芯，将岩芯取出，截齿筒钻环切钻头内部涨塞取出岩柱，取岩芯见图4。

第三步：更换上Φ2.5 m牙轮齿，下2.0 m导正钻钻进到孔底，再用Φ2.0 m牙轮齿筒钻钻进到底后换用Φ2.0 m双底双开截齿捞砂斗扫孔清渣。

第四步：更换上Φ2.8 m牙轮齿，下2.5 m导正钻钻进到孔底，再用Φ2.5 m牙轮齿筒钻钻进到底后换用Φ2.5 m双底双开截齿捞砂斗扫孔清渣。

第五步：更换Φ2.8 m牙轮齿筒钻钻进到孔底，换用Φ2.8 m双底双开截齿捞砂斗扫孔清渣，成孔。

旋挖钻机在钻进过程中，应严格控制钻斗的升降速度；根据《公路桥涵施工技术规范》要求，钻斗的升降速度宜控制在0.75～0.80 m/s；同时，做好整个过程中的钻进记录，随时根据不同地质情况调整泥浆指标和旋挖速度。

2.4 安全、质量、功效分析

安全、质量、功效分析见表1。

图3 扩孔

3 结语

对于怀阳高速西江特大桥主墩旋挖钻机尽管一次投入费用较大，但成孔费用消耗、工期进度等经济技术指标比其他方法成孔费用低，是一种理想的施工工艺，同其它工艺相比综合考虑是降低了成本，特别是工期成本。从目前看，对于嵌岩长度深、岩石强度高，有着相当可观的经济效益和社会效益，可以在同类工程项目中进行推广应用[5]。

图4 取岩芯

表1 安全、质量、功效分析比较